21.Электродинамическое и термическое действие токов кз. Методы ограничения токов кз. Реакторы и сдвоенные реакторы.

Электродинамическую силу взаимодействия м/у двумя параллельными проводниками (рис. 1) произвольного сечения, обтекаемые токами i₁и i₂,определяют по формуле

F=2.04·k_фi₁i₂·l/a·10^-8, кГ,

где i₁ и i₂ – мгновенные значения токов в проводниках, a ; l – длина параллельных проводников, см; a – расстояние м/у осями проводников, см;k_ф- коэффициент формы.

Сила взаимодействия двух параллельных проводников равномерно распределена по их длине. В практических расчетах эту равномерно распределенную силу заменяют результирующей силой F, приложенной к проводникам в середине их длины.

При одинаковом направлении токов в проводниках они притягиваются, а при разном – отталкиваются.

Коэффициент формы k_ф зависит от формы сечения проводников и их взаимного расположения. Для круглых и трубчатых проводников k_ф=1; для проводников других форм сечения принимают k_ф=1 в тех случаях, когда сечение проводников мало, а длина их велика по сравнению с расстоянием м/у ними и можно предположить, что весь ток сосредоточен в оси проводника. Так, принимают k_ф=1 при определении сил взаимодействия м/у фазами шинных конструкций распределительных устройств независимо от формы сечения шин, т.к. расстояние м/у шинами разных фаз в распределительных устройствах достаточно велики и составляют несколько сотен миллиметров и более.

Если расстояние м/у проводниками (шинами) прямоугольных, коробчатых и других сечений мало, то k_ф≠1.

Сила, действующая на проводник с током, определяется как результат взаимодействия его с токами в проводниках двух других фаз, при этом в наиболее тяжелых условиях оказывается проводник средней фазы. Наибольшее удельное усилие на проводник средней фазы может быть определено из выражения, Н/м,

f=√3·10^-7· k_ф·I²_m/a,

где I_m – амплитуда тока в фазе, А; a – расстояние м/у соседними фазами, м.

Коэффициент √3 учитывает фазовые смещения токов в проводниках.

Взаимодействие проводников существенно возрастает в режиме КЗ, когда полный ток КЗ достигает своего наибольшего значения – ударного. При оценке взаимодействия фаз необходимо рассматривать двухфазное и трехфазное КЗ.

Для определения удельного усилия при трехфазном КЗ в системе проводников пользуются выражением

f⁽³⁾=√3·10^-7· k_ф·i⁽³⁾²_у/a,

где i⁽³⁾_у – ударный ток трехфазного КЗ, А.

В случае двухфазного КЗ влияние третьей (неповрежденной) фазы ничтожно мало, принимая во внимание , что ‌׀ i₁׀=‌׀ i₂‌|=|i⁽²⁾²_у|.Следовательно,

f(2)=2•10-7• kф•i(2)2у/a,

где i(2)у – ударный ток двухфазного КЗ, А.

Учитывая, что междуфазное усилие при трехфазном КЗ больше, чем при двухфазном. Поэтому расчетным видом КЗ при оценке электродинамических сил считают трехфазное.

Для предотвращения механических повреждений под действием усилий, возникающих в проводниках при протекании по ним токов КЗ, все элементы токоведущей конструкции должны обладать достаточной электродинамической стойкостью.

Под электродинамической стойкостью понимают обычно способность аппаратов или проводников выдерживать механические усилия, возникающие при протекании токов КЗ, без деформаций, препятствующих их дальнейшей нормальной работе.

Термическое действие токов КЗ. При протекании тока КЗ температура проводника повышается. Длительность процесса КЗ обычно мала (в пределах нескольких секунд), поэтому тепло, выделяющееся в проводнике, не успевает передаться в окружающую среду и практически целиком идет на нагрев проводника. Проводник или аппарат следует считать термически стойким, если его температура в процессе КЗ не превышает допустимых величин.

Определить температуру нагрева проводника в процессе КЗ можно следующим путем. При КЗ за время dt в проводнике выделяется определенное количество тепла

dQ=I²_k,tr_θdt,

где I_k,t – действующее значение полного тока КЗ в момент t КЗ; r_θ – активное сопротивление проводника при данной его температуре θ:

r_θ=ρ₀(1+αθ)l/q,

здесь ρ₀ – удельное активное сопротивление проводника при θ=0⁰; l – длина проводника; q – его сечение; α - температурный коэффициент сопротивления.

Практически все тепло идет на нагрев проводника

dQ=Gc_θdθ,

где G – масса проводника; c_θ – удельная теплоемкость материала проводника при температуре θ.

Процесс нагрева при КЗ определяется уравнением

I²_k,tr_θdt= Gc_θdθ.

При выборе электрических аппаратов обычно не требуется определять температуру токоведущих частей, поскольку завод- изготовитель по данным специальных испытаний и расчетов гарантирует время и среднеквадратичный ток термической стойкости. Другими словами, в каталогах приводиться значение гарантированного импульса среднеквадратичнаго тока КЗ, который выдерживается аппаратом без повреждений, препятствующих дальнейшей нормальной работе. Условие проверки термической стойкости в этом случае следующее:

B_к≤I²_терt_тер,

где B_к – расчетный импульс квадратичного тока КЗ, определяемый по изложенной выше методике; I_тер и t_тер – соответственно среднеквадратичный ток термической стойкости и время его протекания (номинальное значение).

На действия токов короткого замыкания проверяют

1) на динамическую устойчивость – аппараты и проводники, защищенные плавкими предохранителями с вставками на номинальные токи до 60 А включительно; электрооборудование, защищенное токоограничивающими плавкими предохранителями на большие номинальные токи, следует проверять на динамическую устойчивость по наибольшему мгновенному значению тока КЗ, пропускаемого предохранителем.

На термическую устойчивость – аппараты и проводники, защищенные плавкими предохранителями на любые номинальные токи,

2) проводники в цепях к индивидуальным электроприемникам, в том числе к цеховым трансформаторам общей мощностью до 1000кВА и с первичным напряжением до 20 кВ включительно, если в электрической части предусмотрено необходимое резервирование, при котором отключение этих приемников не вызывает расстройства производственного процесса, если повреждение проводников не может вызвать взрыва и если замена поврежденных проводников без особых затруднений.

3) проводники в цепях к индивидуальным электроприемникам и отбельным распределительным пунктам неответственного назначения при условии, что их повреждение при КЗ не может явиться причиной взрыва

Реакторы служат для ограничения токов КЗ в мощных электроустановках, а также позволяют поддерживать на шинах определенный уровень напряжения при повреждениях за реактором.

Основная область применения реакторов - электрические сети напряжением 6 - 10 кВ и выше, а также при напряжении ниже 1000 В.

Реактор представляет собой индуктивную катушку, не имеющую сердечника из магнитного материала. Благодаря этому он обладает постоянным индуктивным сопротивлением, не зависящим от протекающего тока.

Возможные схемы включения реакторов.

Схема включения реакторов:

а - индивидуальное реактирование;

б - групповой реактор;

в - секционный реактор

Основным параметром реактора является его индуктивное сопротивление

х_р = L, Ом. В некоторых каталогах приводится: ,

где I_ном - номинальный ток реактора, А; U_ном - номинальное напряжение реактора, В.

Потеря напряжения в реакторе при протекании тока I и заданном значении cos определяется из выражения: ,

где U_ном - номинальное напряжение установки, где используется реактор.

Допустимая потеря напряжения в реакторе обычно не превышает 1,5 - 2%.

Сдвоенные реакторы

В электроустановках применяют сдвоенные реакторы. Конструктивно они подобны обычным реакторам, но от средней точки обмотки имеется дополнительный вывод.

Преимуществом сдвоенного реактор является то, что в зависимости от схемы включения и направления токов в обмотках индуктивное сопротивление его может увеличиваться или уменьшаться. Это свойство сдвоенного реактора обычно используется для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме и ограничения токов КЗ.

Ветви реактора выполняются на одинаковый номинальный ток I_ном, а средний вывод - на удвоенный номинальный ток ветви 2I_ном. За номинальное сопротивление сдвоенного реактора принимают сопротивление ветви обмотки при отсутствии тока в другой ветви

х_р = х_в = L или ,

где L - индуктивность ветви реактора.

Выбор реакторов

Реакторы выбираются по номинальным напряжению, току и индуктивному сопротивлению.

Номинальное напряжение выбирают в соответствии с номинальным напряжением установки. При этом предполагается, что реакторы должны длительно выдерживать максимальные рабочие напряжения, которые м.и. место в процессе эксплуатации. Допускается использование реакторов в ЭУ с номинальным напряжением, меньшим номинального напряжения реакторов.

Номинальный ток реактора (ветви сдвоенного реактора) не может быть меньше максимального длительного тока нагрузки цепи, в которую он включен:

.

Для шинных (секционных) реакторов номинальный ток подбирается в зависимости от схемы их включения.

Индуктивное сопротивление реактора определяют, исходя из условий ограничения тока КЗ до заданного уровня. В большинстве случаев уровень ограничения тока КЗ определяется по коммутационной способности выключателей, намечаемых к установке или установленных в данной точке сети.

Электродинамическая стойкость реактора гарантируется при соблюдении следующего условия:

,

где - ударный ток при трехфазном КЗ за реактором; - ток электродинамической стойкости реактора.

Термическая стойкость реактора характеризуется заводом-изготовителем величиной t_тер - время термической стойкости и среднеквадратичным током термической стойкости I_тер = i_дин / 2,54. Поэтому условие термической стойкости реактора имеет вид:

,

где В_к - расчетный импульс квадратичного тока при КЗ за реактором.

LR это индукционная катушка, не имеющая сердечника из магнитного материала. Благодаря этому LR обладает постоянной индуктивным R(Х_L), не зависимым от протекания I.

Схемы вкл-я: индивидуальная; групповая; секционная(между секциями шин).

Основными параметрами LR явл-я:

Х_L=X_P=WL ;

X_P,%=(X_P×3^1\2×I_HOM/U_HOM) ×100%;

Потери U в LR опр-я по ф-ле: U=X_P× (3^1\2×I_HOM×sin(F)/U_HOM) ×100% и составляет от 1,5-2%.

Сдвоенные LR- конструктивно аналогичны, но от средней точки обмотки имеется дополнительный вывод. Ветви вып-ся на одинаково ном. ток, а средний вывод на 2Iн. R определяются аналогично.

Выбор LR: по Uном (LR должны длит-но выд-ть max рабочее U, кот-е имеют место в процессе экспл-ии Uном.раб. > Uсети); по Iном ( I ном.р.≥Imax); LR определяют из условия ограничения Iкз до заданного уровня; LR пров-т по эл. дин-й и термической стойкости.