Методика проверки аппаратов защиты на устойчивость к токам КЗ

Рассмотрим вначале вкратце процессы, происходящие при КЗ в цепях постоянного и переменного тока.

При КЗ в цепи генератора постоянного тока (для упрощения считаем, что КЗ произошло непосредственно на зажимах генератора) ток короткого замыкания изменяется по закону, изображенному на рис. 4. В начальный момент времени ток равен значению I₀, определяемому режимом работы до короткого замыкания. После КЗ ток быстро нарастает до максимального значения I _max приблизительно по экспоненциальному закону с постоянной времени якорной цепи, т.к. магнитный поток генератора, а, следовательно, и э.д.с. не могут быстро измениться. По мере нарастания тока якоря растет размагничивающее действие реакции якоря. Однако в силу электромагнитной инерции магнитный поток, связанный с обмоткой возбуждения, не может быстро измениться, в ней возникает э.д.с. самоиндукции, стремящаяся его поддержать, за счет которой ток возбуждения увеличивается, несмотря на то, что цепь возбуждения замкнута накоротко. Однако по мере увеличения реакции якоря поток уменьшается, а, следовательно, уменьшается и э.д.с. генератора. Это приводит к замедлению и прекращению роста тока якоря. После этого и ток возбуждения начнет падать примерно по экспоненте. В соответствии с уменьшением тока возбуждения приблизительно с постоянной времени цепи возбуждения будут уменьшаться магнитный поток, э.д.с. и ток якоря генератора. После окончания переходного процесса ток возбуждения будет равным нулю, а ток якоря достигнет установившегося значения I_уст, обусловленного потоком остаточного намагничивания.

При удалении точки КЗ от зажимов генератора, а также наличие регулятора напряжения, изменяются значения I _max, I_уст, постоянные времени, однако характер изменения тока якоря остается таким же, как и в предыдущем случае.

Рис. 5.

Рассмотрим теперь случай трехфазного короткого замыкания вблизи зажимов авиационного генератора переменного тока, имеющего возбудитель и регулятор напряжения. Характер изменения токов показан на рис. 5. В момент короткого замыкания вследствие резкого уменьшения сопротивления цепи обмотки якоря появляется всплеск периодической составляющей тока в фазах i_n. Э.д.с. генератора в первые моменты времени можно считать неизменной, так как результирующий магнитный поток в силу электромагнитной инерции быстро измениться не может. Ток в обмотке якоря при коротком замыкании определяется в основном индуктивным сопротивлением и будет отставать от э.д.с. почти на 90°. Активным сопротивлением, ввиду его относительной малости, в таком режиме можно пренебречь. Ток якоря, будучи реактивным, создаст большую размагничивающую м.д.с., стремящуюся уменьшить результирующий магнитный поток. Вследствие этого в обмотке возбуждения, демпферной клетке и во всех массивных частях полюсной системы возникнут экранирующие токи, препятствующие изменению результирующего магнитного потока. По этой причине ток в обмотке возбуждения в первые моменты времени после короткого замыкания возрастает. Затем, по мере затухания экранирующих токов, результирующий магнитный поток уменьшается, что приводит к быстрому уменьшению э.д.с. и тока короткого замыкания с постоянной времени демпферной обмотки T_d".

При отсутствии регулятора напряжения снижение тока после быстрого начального затухания продолжается с постоянной времени цепи возбуждения до установившегося значения, которое практически для авиационных генераторов наступает через несколько сотых долей секунды в зависимости от типа генератора.

Ток установившегося трехфазного короткого замыкания при этом, как правило, бывает меньше номинального.

При наличии регулятора напряжения последний через несколько сотых долей (0,01-0,02) секунды начинает оказывать свое действие, повышая в течение 0,2-0,3 сек, ток возбуждения и, следовательно, величину тока короткого замыкания, как это указано на рис. 5. Если короткое замыкание происходит вдали от зажимов генератора при относительно большом сопротивлении проводов, то спадания тока после начального всплеска может и не быть, так как регулятор будет поддерживать постоянство напряжения, а начальное снижение будет невелико. В этом случае периодическая составляющая тока короткого замыкания практически устанавливается сразу.

Кроме периодической составляющей тока короткого замыкания возможно появление и апериодической составляющей i_a. Если короткое замыкание происходит в момент времени, когда периодическая составляющая i_n должна иметь максимальное значение, то ток вследствие электромагнитной инерции обмотки якоря не может скачком измениться и возникает апериодическая составляющая тока i_a, затухающая с постоянной времени якорной цепи. Так как при коротком замыкании ток отстает от э.д.с. почти на 90°, то можно сказать, что апериодическая составляющая тока будет максимальной, если короткое замыкание происходит в момент прохождения э.д.с. через нуль, и будет отсутствовать, если э.д.с. в этот момент проходит через максимум.

В результате наложения апериодической составляющей на периодическую кривая тока короткого замыкания i_k в начальной части будет несимметрична относительно оси времени и приблизительно через 0,5 периода после начала короткого замыкания появится самый большой всплеск тока i_у, называемый ударным током. Величина его принимается равной

,

где - эффективное значение периодической составляющей тока короткого замыкания (сверхпроводного тока) в начальный момент.

k_у – так называемый ударный коэффициент, величина которого может лежать в пределах от 1 до 2 в зависимости от скорости затухания апериодической составляющей.

По величине ударного тока вычисляются динамические усилия, возникающие при коротком замыкании и действующие на провода и аппаратуру. Тепловое действие апериодической составляющей тока незначительно и им пренебрегают.

Перейдем теперь к проверке аппаратов защиты. Для предварительной проверки устойчивости аппаратов защиты к токам КЗ необходимо провести расчет максимальной силы тока КЗ на шинах центральных распределительных устройств (ЦРУ) или распределительных устройств (РУ), к которым присоединены данные аппараты. Расчет максимальной силы тока КЗ на шинах ЦРУ или РУ можно не проводить, если сила тока КЗ на клеммах источника меньше или равна допустимой силе тока КЗ для аппаратов защиты.

Для окончательной проверки устойчивости аппаратов защиты к токам КЗ необходимо произвести экспериментальное определение силы тока КЗ на шинах ЦРУ или РУ, к которым они присоединяются при испытании макетов систем распределения электроэнергии.

Проверка аппаратов защиты на устойчивость к токам КЗ производится:

– на электродинамическую устойчивость;

– на термическую устойчивость;

– на коммутационную (включающую и отключающую) способность.

Электродинамическая устойчивость – способность аппаратов пропускать максимальные импульсы тока КЗ без преждевременного размыкания (отброса) контактов, их сваривания или других повреждений аппарата, препятствующих его дальнейшей эксплуатации.

Электродинамическая устойчивость проверяется у аппаратов защиты, имеющих собственную контактную систему, при замкнутом ее состоянии. Электродинамическая устойчивость аппаратов защиты является достаточной для данной цепи, если выполняется условие:

i_у ≤ - для сетей переменного тока

и (1)

I _max ≤ I _{max. доп} – для сетей постоянного тока

где i_у – значение ударной силы тока трехфазного КЗ на шине, к которой подсоединяется аппарат защиты, определяется расчетным путем или осциллографированием при стендовых испытаниях;

- допустимое значение ударной силы тока для аппарата защиты переменного тока;

I _max – максимальное значение тока КЗ в цепи постоянного тока, определяется расчетным путем или осциллографированием;

I _{max. доп.} – допустимое значение максимального тока для аппарата защиты постоянного тока. Для ряда аппаратов защиты значения I _{max. доп.} приведены в таблице Приложения 2.

Термическая устойчивость – способность аппаратов во включенном состоянии пропускать силу тока КЗ в течение определенного времени без недопустимых изменений защитных характеристик, сваривания контактов, других повреждений, препятствующих дальнейшей нормальной работе аппаратов защиты.

Термическая устойчивость проверяется у аппаратов защиты с дистанционными органами отключения (типа АЗДЗ) и является достаточной, если выполняется условие

, (2)

где - допустимая термическая устойчивость аппаратов защиты. Например, для АЗДЗ-100 ;

t – время срабатывания аппарата защиты. Например, для аппаратов защиты типа АЗДЗ t = 0,1с;

I_ср.кв. – расчетное значение среднеквадратичной силы тока КЗ (за аппаратом защиты) за время его срабатывания t.

Коммутационная способность аппаратов защиты – способность коммутировать максимальные токи КЗ, при которых аппарат не повреждается: ни механически, ни электрически.

Проверяется коммутационная способность с учетом вида аппарата:

– у автоматов защиты – включающая и отключающая способность;

– у предохранителей – только отключающая способность.

Коммутационная способность автоматов защиты определяется:

– допустимой силой тока включения;

– допустимой силой тока в момент отключения.

Включающая способность автоматов защиты проверяется так же, как и электродинамическая устойчивость по формуле (1).

Отключающая способность аппаратов защиты является достаточной для данной цепи, если выполняется условие:

,

где I_КЗ – значение силы тока КЗ (периодическая составляющая на переменном токе) на шине, к которой подсоединяются аппараты защиты, соответствует минимальному времени их срабатывания;

I_доп. – допустимое значение силы тока КЗ (периодическая составляющая на переменном токе) при минимальном времени срабатывания аппаратов защиты. Отключающая способность аппаратов защиты постоянного тока типа АЗРГ при напряжении сети 30 В и времени нарастания тока КЗ 0,1 приведены в таблице Приложения 2.

3. Методика проверки чувствительности аппаратов защиты.

Чувствительность проверяется для аппаратов защиты бортовых сетей переменного и постоянного тока при минимальной силе тока КЗ в цепях, защищенных данными аппаратами, по условию:

(3)

где - минимально возможное значение установившегося тока КЗ в конце защищаемого фидера;

I_н.а – номинальный ток аппарата защиты;

K_r – значение коэффициента чувствительности, при котором обеспечивается его надежное срабатывание, принимается равным K_r ³ 2,5.

Если условие (3) не выполняется, необходимо увеличить сечение жилы провода.

Дата добавления: 2014-01-11