10.3. Действие токов короткого замыкания и ограничение их силы

Электрические аппараты, провода, кабели и шины должны вы­держивать кратковременные импульсы электродинамических сил и тепловые импульсы, возникающие в момент короткого замыка­ния. Поэтому при выборе аппаратов и проводников необходимо рассчитывать их не только по условиям длительной работы в нор­мальном нагрузочном режиме, но и проверять динамическую и термическую устойчивость при коротком замыкании.

Электродинамическая сила, действующая на шинную конст­рукцию при трехфазном коротком замыкании, определяется со­гласно ПУЭ, по формуле

где l — расстояние между изоляторами, к которым жестко при­креплена шина, см; о — расстояние между осями шин смежных фаз, см; /у — амплитудное значение ударного тока трехфазного короткого замыкания, А.

Эта сила создает изгибающий шину момент

и вызывает в материале шины напряжение от изгиба

где IV — момент сопротивления шины, зависящий от формы и взаимного расположения шин. При расположении шин плашмя

при расположении шин на ребро

где Ъ — толщина полосы, см; Н — ширина (высота) шины, см. Допустимое напряжение в алюминиевых шинах о_дол= 65 МПа.

Если расчетное напряжение о_р > о_доп, то изменяют шинную! конструкцию или ограничивают ток короткого замыкания.

Электродинамические усилия в электрических аппаратах труд­но рассчитывать из-за разнообразия и сложности форм токоведущих частей. Поэтому заводы-изготовители указывают максимально! допустимое (амплитудное) значение тока короткого замыкания l_м, которое нельзя превышать. Следовательно, проверка аппарата на динамическую устойчивость сводится к проверке выполнения ус­ловия

Термическое действие токов короткого замыкания связано с выделением теплоты в проводниках при прохождении в них тока 1. По закону Джоуля—Ленца

где 0 — выделяющаяся теплота, Дж; г — сопротивление провод­ника, Ом; / — время прохождения тока, с.

И динамическое, и термическое действия тока короткого за­мыкания пропорциональны квадрату тока трехфазного короткого замыкания.

Согласно ПУЭ, кратковременный нагрев алюминиевых шин, проводов и кабелей при коротком замыкании не должен превы­шать 200 °С. Нагрев приближенно оценивается по тепловому им-

пульсу тока короткого замыкания В_к Аппарат устойчив, если

где I_н — номинальный ток термической устойчивости аппарата, задаваемый заводом-изготовителем; t_n — номинальное расчетное время термической устойчивости аппарата, указываемое заводом-изготовителем в каталогах.

Тепловой импульс тока короткого замыкания равен сумме теп­ловых импульсов от периодической и апериодической составля­ющих тока короткого замыкания.

Тепловой импульс от периодической составляющей

где i_п — действующее значение периодической составляющей то­ка короткого замыкания, кА; {_ир — приведенное время от возник­новения до отключения тока короткого замыкания, с. Тепловой импульс от апериодической составляющей

где Г_а — постоянная затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, зависящая от соотношения между индук-

Рис. 10.5. Схемы без секционирова­ния (а) и с секционированием (б) шин РУ

тивным и активным сопротивле­ниями цепи короткого замыка­ния, Т_а = 0,02...0,05 с.

Приведенное время /_пр слагает­ся из времени действия защиты ^защ ^и времени отключения вык­лючателя (_в= 0,15...0,2 с:

Рис. 10.5. Схемы без секционирова­ния (а) и с секционированием (б) шин РУ

Если основная защита имеет выдержку времени, то х_ъ уве­личивается на Аt. Для промышленных сетей можно считать t_пр » Т._л, тогда, принимая во внимание только тепловой импульс от пери­одической составляющей, получаем условие термической устой­чивости аппарата

т. е. термическая устойчивость аппарата должна быть не ниже теп­лового импульса тока короткого замыкания.

При больших расчетных значениях тока трехфазного короткого замыкания требуется по условиям динамической и термической устойчивости применять самые дорогие аппараты, а также кабели с площадью сечения жил, превышающей площадь экономичес­кого сечения, выбранную по условиям нормального режима. Так бывает, например, при замене старых трансформаторов более мощ­ными новыми в связи с ростом нагрузки на предприятии. Чтобы избежать переустройства всей сети и замены кабелей, шин, аппа­ратуры, необходимо ограничить ток короткого замыкания. Сде­лать это можно двумя способами.

Первый способ заключается в глубоком секционировании сбор­ных шин РУ всех напряжений в системе электроснабжения пред­приятия (рис. 10.5). Для этого отключается секционный коммута­ционный аппарат ОР, в результате чего одна часть предприятия получает питание от трансформатора 77, а другая — от трансфор­матора 72. Если одна из цепей, например та, в которую входит 77, отключится, то автоматически или вручную обеспечивается под­ключение секции шин, потерявшей питание, к другой секции, питаемой от Т2. При коротком замыкании К^ на секции 77 ток короткого замыкания /_к| будет проходить только по одной цепи, т.е. окажется почти вдвое меньше, чем при отсутствии секциони­рования. Однако этого мероприятия недостаточно, если номиналь­ная мощность трансформаторов ГПП превышает 25...40 МВА.

Рис. 10.6. Схемы без рас­щепления (а) и с рас­щеплением (б) вторич­ной обмотки трансфор­матора

6(10)кВ

Рис. 10.7. Схемы ограничения токов короткого замыкания:

а — групповым реактированием всех отходящих ли­ний; 6 — индивидуальным реактированием; в — групповым реактированием цепи трансформатора

В таких случаях применяют расщепление обмоток трансформато­ров ГПП (рис. 10.6). Мощность каждой вторичной обмотки напря­жением 6 (10) кВ составляет половину мощности трансформато­ра, поэтому ее сопротивление в 2 раза больше, чем при отсут­ствии расщепления, и ток короткого замыкания будет в 2 раза меньше (/к/2).

Второй способ предусматривает последовательное включение реактора в цепь питания. На рис. 10.7, а показано групповое реак-тирование всех отходящих линий и сборных шин напряжением 6 (10) кВ путем включения реактора в цепь вторичной обмотки транс­форматора ГПП, на рис. 10.7, б — индивидуальное реактирова-ние, за счет включения реакторов в цепь каждой отходящей ли­нии; на рис. 10.7, в — групповое реактирование цепи трансформа­тора, применяемое в тех случаях, когда нужно удвоить число сек­ций шин подстанции. Последняя схема имеет дополнительное преимущество: в результате электромагнитной связи ветвей сдвоенного реактора сопротивление их при равенстве токов /' и /" в ветвях в 2 — 2,5 раза меньше, чем при различии этих токов. Благодаря этому в нормальном режиме работы частично устраня­ется потеря напряжения в реакторе, что важно, так как требует­ся, чтобы эта потеря не превышала 3...4 % от U_Н.

Ограничение токов короткого замыкания в сетях напряжением ниже 1000 В осуществляют снижением до 2 500 кВ А мощности трансформаторов напряжением 6 (10)/0,4 кВ, устанавливаемых в цехах.

На ток однофазного короткого замыкания также оказывает влияние режим нейтралей трансформаторов.