1.2. Коротке замикання на шинах РУ 6-10 кВ

1.2.1. Перехідні процеси при коротких замиканнях

Як і в електричних ланцюгах змінного струму, для вибору електроустаткування, перетину кабелів, проводів і перевірки їх на термічну й електродинамічну стійкість, необхідно визначати струми і потужності короткого замикання (к.з.).

Короткі замикання виникають в електричних установках змінного струму внаслідок пробою ізоляції між різними фазами струмоведучих частин установок або замикання між провідниками.

Основною причиною короткого замикання є пошкодження ізоляції фаз. Це може бути слідством природного старіння ізоляції, механічного її пошкодження або дії атмосферних або комутаційних перенапружень.

Другою причиною виникнення короткого замикання є порушення обслуговуючим персоналом правил технічної експлуатації, експлуатаційних інструкцій і правил техніки безпеки.

Струми к.з. в сучасних могутніх електричних системах можуть досягати десятків і сотень тисяч ампер. Такі струми викликають в електричних апаратах і провідниках великі електродинамічні (механічні) сили, а також термічну дію (нагріваючи). Для зменшення шкідливої дії струмів к.з. короткозамкнуті ланцюги необхідно відключати. Це відключення проводять вимикачами і запобіжниками.

Для зменшення струмів к. з. у високовольтних ланцюгах застосовують реактори, які штучно збільшують індуктивний опір ланцюга, але при цьому зростають втрати електричної енергії.

У місцях к.з. звичайно виникає електрична дуга, яка дещо збільшує опір ланцюга, але оскільки точний облік перехідного опору дуги практично неможливий, розрахунок струму к.з. веде на якнайгірші умови металевого короткого замикання.

Характер зміни струму в електричному ланцюзі залежить від співвідношення активних і реактивних опорів. За відсутності в електричному ланцюзі реактивних опорів (індуктивності і ємності) всяка зміна активного опору викликає відповідну зміну електричного струму.

В електричних ланцюгах, що містять реактивні опори, зміна електричного струму від одного значення до іншого відбувається, як відомо, не миттєво, а протягом певного часу.

При зміні струму в ланцюзі з індуктивністю і ємністю розрізняють два режими: стаціонарний (сталий) і перехідний (несталий).

У перехідний період користуються штучним прийомом розкладання дійсного струму на дві складові: періодичну й аперіодичну, тобто і = іп + іа (рис. 1.3).

Розглянемо процес включення ланцюга. Оскільки в початковий момент струм і дорівнює нулю, тобто,

Подпись: і і и и о
Зміна струму
Подпись: Г і, .і   \ і } (
S! і/ о У
при найбільшому

Зміна аперіодичної складової струму за часом відбувається за законом експоненціальної функції (рис1.4) [1 ]:

(1.2)

r

де е - основа натуральних логарифмів; Т = R/L - постійна часу, с.

Із збільшенням постійної часу тривалість перехідного режиму збільшується.

7.2.2.Розрахунок струмів к.з. на шинах ТП

Для вибору апаратів РУ-6 або -10 кВ тягової підстанції необхідно обчислити величини, що відносяться до шин тягових підстанцій: потужність к.з. So, сталий струм к.з. І» (струм після перехідного процесу до спрацьовування захисту), струм за час t = 0,15 с, ударний струм к.з. іу (миттєве максимальне значення струму к.з. в перший напівперіод), діюче значення струму к.з. Ід. Визначаючи струми к.з. на шинах тягової підстанції, найчастіше доводиться мати справу із заданими струмами к.з. на шинах центру живлення (ЦЖ) або розподільного пункту (РП).

У цьому випадку електрозабезпечуюча організація повідомляє наступні величини:

UH - номінальна напруга, кВ; SK3 і І», - потужність і струм к.з., зв'язані рівнянням

= V3і» ин ; (1.3)

відношення діючого значення початкового надперехідного струму до сталого струму

в"= І" /1»,,, (1.4)

(для сучасної могутньої системи в"= 1);

номінальні дані реакторів ланцюга ліній, що живлять тягові підстанції,

схему живлення тягових підстанцій (роздільна або паралельна робота введень 6 або 10 кВ).

Струми к.з. з шин розподільного пункту або підстанції перераховують на шини тягової підстанції при в"= 1 в наступному порядку:

*          визначають струм к.з. на шинах розподільного пункту

І», = Sk/V3 Uh; (1.5)

* знаходять індуктивні опори (в Омах) системи від генераторів до шин

розподільного пункту або підстанцій при в"= 1;

щ = = = 1fiS-U.

Х сист х1сист х<ю    Рт~ Т , (1.6)

де 1,05 — надають для обліку підвищеної напруги на генераторі; * знаходять опір лінії, який може складатися з опору реакторів і кабельних ліній.

Опір реакторів хр обчислюють за формулою:

= Хр % - Uн

ХР = 100 - інр • (1.7)

Опір кабельної лінії знаходять з середніх питомих значень: хкаб= 0,08 Ом/км для 6 і 10 кВ; хкаб = 0,12 Ом/км для 35 кВ; для повітряної лінії приймають хлін = 0,4 Ом/км.

* результуючий опір від генераторів до шин тягової підстанції визначають, виходячи із заданої схеми електропостачання:

Zgr, = V(х сист + х р + х лин ) + rUy ', (1.8)

*          струм к.з. на шинах тягової підстанції;

*          ударний коефіцієнт знаходять за кривою, щонаведена приведеної на рис. 3.5 , виходячи із відношення:

= ^ + +(1.10)

лин лин

Ударний струм і діюче значення струму к.з. обчислюють за формулою :

іу =42 -і"-ку ;  іу = і " -V1 + 2(ку -1)2 . (1.11)

Оскільки в" = 1, коефіцієнт Ку можна прийняти як таким, що дорівнює 1,8 або визначити по кривій (рис.1.5).

Приклад 2.1. Визначити струми к.з. на шинах першої і другої тягових підстанцій ТП1 і ТП2 (рис.1.6,а). В нормальному режимі обидві тягові підстанції сполучені між собою через кабель зв'язку (це самий оптимальний варіант електропостачання міського

Розрахунок слід вести як для найгіршого випадку, коли включені обидва кабелі тягової підстанції ТП1.

Опір системи від генератора до шин РП1:

1,05 • Uн 1,05 • 10 ,5 Х1 »= V3• Іу = 1,73 • 13 = 0,49 Ом.

Опір двох паралельних кабелів з алюмінієвими жилами при питомому опорі хк = 0,08 Ом /км.

0,08 • 3,5

Ом;

Х2

2 2

Опір кабелю зв'язку між підстанціями

Т 3500

Г2 = Pa 2 ..S = 0,02 8- 2 120 = 0,41, Ом.

сталеалюмінієвими

r4 = 0,91 -1 = 0,91, Ом.

Опір повітряної лінії із (хпр = 0,4, Ом /км; гпр = 0,91 Ом /км): х4 = 0,4 -1 = 0,4 Ом; Опір реактора за формулою (1.7)

10

х5 = 0,03 - _ 0 5 = 0,35, Ом. Опір системи від генератора до шин РП2, аналогічно (1.6)

1,05 • 10 ,5

хб = ^73 . 17 = 0,37, Ом.


Знаходимо струм к.з. на шинах тягової підстанції ТП1 (точка К1) від

РП1;

- сумарне опору ділянок 1-2: х1-2 = 0,49 + 0,14 = 0,63, Ом; г1-2 = 0,41, Ом;

-           повний опір: Z1-2 = лА>,63 2 + 0,41 = 0,75, Ом;

1,05 • 10 1,05 • 10

-           струм к.з.        =          ^ 0 1 ^ = 8Д3, кА;

-           ударний коефіцієнт по кривий (рис.1.5) при х1-2 / г|1-2 = 0,63 / 0,41 = 1,53,Ом; складе ky = 1,11;

-           ударний струм к. з. іу = л/2~ку-І = 1,41-1,11-9,8 = 15,4 кА; - діюче значення струму к. з.

Іу = і " ^1 + 2(ку -1)2 = 9,^1 + 2(1,11 - 1)2 = 10,4 кА.

Знаходимо струм к. з. Л/_<5 на шинах тягової підстанції ТП2 (точка К2) від РП2:

х4-б = 0,4 + 0,35 + 0,37 = 1,12 Ом; r4 = 0,91 Ом; Z4-6 = Ф,12 2 + 0,96 2 = 1,44 Ом; 1,05 ■10

І"4-б = ^ ^44 = 4,18, кА;

Знаходимо струм к.з. І3-б на шинах тягової підстанції ТП1 (точка К1)

від РП2:

опори ділянок 3—б:

хз-б = Х3 + Х4-5 = 0,2 + 1,12 = 1,32, Ом; г3-б = r3 + r4 = 0,73 + 0,91 = 1,64, Ом

Z3.6 = л/1,3 2 + 1,64 2 =1,58, Ом;

Паралельне живлення тягової підстанції від різних РП звичайно не допускають, але якщо воно буде здійснене, то струм к.з. на шинах підстанції ТП1, якщо нехтувати відмінністю в індуктивних опорах, буде

Іх= 8,23 + 3,85 = 12,08 кА.

Аналогічним чином може бути визначений струм к.з. на тяговій підстанції ТП2 при паралельному живленні від РП1 і РП2.

1.2.3. Електродинамічна дія струму к. з.

Струм к.з. викликає в провідниках і апаратах механічні зусилля, які можуть призвести до руйнування устаткування. Тому правильно вибрані шини і апарати мусять володіти достатньою електродинамічною стійкістю проти

ударної дії струму к.з. Для цього необхідно визначити електродинамічні сили установки.

Згідно із законом Біо-Саварра сила взаємодії між двома паралельними провідниками,н:

 (1.12)

де а — відстань між провідниками, м; l— довжина провідників, м; 1і і І2—струм в провідниках, А.

У системі трифазного струму при розташуванні шин в одній площині найбільше згинаюче зусилля, F, Н, виникає в середній шині:

F3 = (V3~/2)-2,04-l / a -10-8= 1,76-1 / a-10-8, (1.13)

де V3 /2 — коефіцієнт, що враховує неспівпадання миттєвих значень ударного струму у фазах; а— відстань між шинами, м;

l — довжина прольоту між опорними ізоляторами, м; іу — ударний струм к. з., кА.

Шина по суті є навантаженою багатопролітною балкою із згинаючим моментом М, Н-м,

М =F(3) l / 10.

(1.14)

Найбільша механічна напруга металічної шини, Н:

Я-розр = M / W.

(1.15)

Для розташування шин «навзнаки»

доп

W = bh2/6. (1.16) Розрахункова напруга в шинах повинна бути менше допустимої напруги для даного металу.

1.2.4. Термічна дія струмів к. з.

Електричний струм, протікаючи проводами, викликає їх нагрівання. Розрізняють два режими нагрівання: робочим струмом і струмом к.з. Нагрівання провідника в робочому режимі характерне тепловою рівновагою, при якій кількість тепла, що виділяється в провіднику, дорівнює кількості тепла, що віддає провідник в оточуюче середовище. Провідник при цьому набуває певної температури.

Тривале перевищення найбільшої допустимої температури провідників над температурою навколишнього середовища в робочому режимі погіршує якість контактних з'єднань і викликає старіння ізоляції провідників.

З цих міркувань усі електричні апарати, провід і кабель вибирають так, щоб їх температура не перевищувала значень, що приведені в табл. 1.1. Таблиця 1.1

Вид провідника

Напруга, кВ, до

Т, °С

Шини і неізольований провід (мідний й алюмінієвий)

20

70

Кабель з паперовою ізоляцією

3

80

 

6

65

Струм к. з. у багато разів більше робочого струму, але протікає протягом невеликого проміжку часу — до моменту відключення його вимикачем. Внаслідок цього вважають, що тепло, що виділяється в провіднику, не встигає розсіюватися в оточуючу атмосферу і викликає різке підвищення температури провідника. Цей процес носить назву адіабатичного.

Оскільки в режимі к.з. інтенсивний нагрів провідника триває порівняно нетривалий час, то граничну температуру нагріву провідника для цього короткочасного режиму допускають значно більшого значення, ніж для нормального тривалого режиму (табл. 1.2).


Дійсний час протікання струму к.з. визначають складанням часу дії захисту t3ax і часу дії вимикаючих апаратів teuM:

t t3ax + teuM. (1.17)

Проте в розрахунках використовують так званий приведений час tnp, .

За приведений час сталий струм короткого замикання Ікз виділяє в провіднику таку ж кількість тепла, що і дійсний змінний в часі струм к.з. Ікз за дійсний час.

Приведений час складається з двох складових струму: з періодичною і аперіодичною:

tnp tnp.n + tnp.a. (1.18)

При дійсному часі t < 5 с час tnpn знаходять по кривих (рис.1.7), де в"= І/Ісю. Якщо дійсний час t > 5 с, то tnpn= tnp5+(t - 5), де tnp5 - приведений час для t = 5 с. При в"= 1 час tnpn = t. Приведений час аперіодичної складової tnp= 0,05 (в")2 не враховується, якщо t < 1.

Температуру струмоведучих провідників в режимі к.з. розраховують по кривих (рис. 1.8).


Тут вводять поняття "тепловий еквівалент А", який пропорційний квадрату відношення струму до перетину провідника, помноженого на приведений час.

Для визначення максимально допустимої температури провідника спочатку визначають значення початкового теплового еквівалента Ан по кривих (рис. 3.8) залежно від гранично допустимої температури провідника і його матеріалу. Потім визначають тепловий еквівалент в режимі к.з.

Акз (Icc/SJ tnp ,

(1.19)

де S— перетин провідника, мм2; Іоо — сталий струм к.з., А; tnp — приведений час, с.

Кінцевий тепловий еквівалент, по якому по кривих знаходять кінцеву температуру провідника, буде

Акон = Ан + Акз (1.20)

Мінімальний допустимий перетин провідника Smin за умови термічної стійкості, мм2:

(1.21)

де С— значення постійної нагріву, що приводиться в [1]


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я