Особенности процесса нагревания при коротком замыкании

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПРОВОДНИКОВ И АППАРАТОВ

Распространенные формы сечений проводников

При рабочих токах до 2000А широко применяются шины прямоугольного сечения с соотношением сторон 1/8, 1/10, 1/12, у которых k_П < 1.1 и тепло эффективно отводится в окружающую среду, так как отношение поверхности к объему здесь больше, чем в шинах любой другой формы. Они легко соединяются между собой и присоединяются к аппаратам.

Составные проводники из двух полос имеют ограниченное применение. У них высок k_П, сложнее монтаж. Из-за большого взаимного притяжения полос одной фазы приходится устанавливать большое количество дистанционных прокладок с соответствующим их креплением.

Пакеты из трех и четырех полос безусловно нецелесообразны вследствие значительного проявления поверхностного эффекта.

При рабочих токах, превышающих 2500 А, целесообразно применение трубчатых шин круглого и квадратного сечения. При очень больших токах (генераторы большой мощности) применяют только круглые экранированные алюминиевые трубы с толщиной стенки 15 мм и диаметром до 600 мм!

Ток замыкания в десятки раз превосходит рабочий ток. Тогда, в соответствии с (13), установившееся значение температуры будет в 100 и более раз выше рабочей, что означает разрушение проводника. Поэтому процесс нагрева прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка, после которого происходит относительно медленное остывание (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Изменение температуры проводника при КЗ

Продолжительность КЗ обычно составляет доли секунды и, как исключение, может достигать нескольких секунд. Поскольку это время значительно меньше постоянных времени нагрева проводников (табл. 2.1) и аппаратов, то процесс нагрева происходит без теплоотдачи в окружающую среду по уравнению

(15)

Поэтому необходим правильный выбор размеров токоведущих частей проводников и аппаратов для конкретных условий (величина тока КЗ, t_ОТК). Свойство проводников и аппаратов противостоять тепловому воздействию токов КЗ называется термической стойкостью.

На основании опыта установлены допустимые температуры нагрева:

неизолированные медные проводники - 300°С;

неизолированные алюминиевые проводники - 200°С;

кабели с бумажной пропитанной изоляцией до 10 кВ - 200°С;

провода и кабели с ПХВ изоляцией - 150°С,

то же, с полиэтиленовой изоляцией - 120°С.

Из (15) получим

(16)

Учитывая, что

, , , , (17)

где - объем проводника; - удельный вес; - температура; и - удельные сопротивление и теплоемкость при 0°С; - температурный коэффициент сопротивления; - температурный коэффициент теплоемкости.

Подставив (17) в (16), получим

или (18)

Интегрируем левую часть в пределах от 0 до , а правую – от до

,

где и - конечный и начальный тепловые импульсы – значения правой части при и .

Здесь – тепловой импульс тока КЗ или интеграл Джоуля, А²·с – численно равен количеству энергии, выделенной током в проводнике с сопротивлением 1 Ом в течение времени действия тока КЗ.

Получим

(19)

, , где (20)

Рисунок 2.7 – К пояснению значения выражений (20)

Используя рис.2.7, получим зависимости для различных проводников (рис. 2.8)

Рисунок 2.8 – Кривые для определения температуры нагрева проводников при КЗ

Расчет нагрева производим в следующем порядке:

1) зная по кривым рис. 2.8 находим . Затем находим

2) по кривым находим .

Если необходимо выбрать сечение из условия термической стойкости проводника для данного В_К

; (21)

Если до КЗ протекал номинальный ток при номинальной температуре окружающей среды, то минимально-допустимое сечение проводника S_T по условию термической стойкости можно найти из (21) как

(22)

Таблица 2.3 -Допустимые температуры нагрева проводников при К. З. и значения С_Т

Проводники	, ^0 С	СТ,
Шины алюминиевые
Шины медные
Шины стальные
Кабели при UH ≤ 10кB(Al)
Кабели при UH ≥ 20кB(Al)
Провод из Al для ЛЭП

Тепловой импульс В_К (интеграл Джоуля) вычисляют по известному току КЗ.

Рисунок 2.9 – Изменение тока КЗ в цепи, питаемой от неизменного напряжения при максимальном значении апериодической составляющей

В индуктивных цепях, к которым близки сети, максимальное значение периодической составляющей возникает, когда подключение происходит в момент перехода напряжения через 0 и когда тока в этот момент в цепи нет.

Ток КЗ состоит из двух составляющих:

периодической

(23)

и апериодической

, (24)

где - фазное значение напряжения источника, - сопротивление цепи, - фаза напряжения в момент времени 0, =90º - угол сдвига фаз между током и напряжением.

В нашем случае .

(25)

Из (25) следует, что тепловой импульс имеет три составляющих, поведение которых в течение десяти периодов приведено на рис.2.10.

Составляющая в (25) имеет знакочередующийся характер, поэтому интеграл от нее, изображенный на рис. 2.10 (кривая 4) не увеличивается и имеет пренебрежимо малую величину. Вследствие этого считают, что тепловой импульс имеет периодическую и апериодическую составляющие

.

Рисунок 2.10 – Расчет составляющих теплового импульса при КЗ в пакете MathCAD

Для синусоидального тока тепловое воздействие от мгновенного значения равно тепловому воздействию от действительной составляющей при, поэтому импульс от периодической составляющей

Условие выполняется при расчете составляющей теплового импульса от системы. Однако для генераторов и синхронных компенсаторов периодическая составляющая будет затухать. В этом случае применяется графоаналитический метод [2, c.59]. Для ориентировочных расчетов можно принять

.

При этом величина получится несколько завышенной, но уточнять ее, как правило, не требуется, поскольку проводники, выбранные в мощных присоединениях (генератор, трансформатор связи и т.д.) по условиям длительного режима и электродинамической стойкости имеют значительные запасы по термической стойкости.

С учетом того, что , тепловой импульс от апериодической составляющей можно определить как

Для интегрирования заменяем переменные

, , .

Тогда

(26)

Как видно из выражения (26), тепловой импульс от апериодической составляющей затухает в два раза быстрее апериодического тока и после T_a уже не увеличивается. Обычно t_ОТК > T_a, поэтому с некоторым запасом принимают

и полный импульс квадратичного тока будет равен

. (27)

Известную трудность представляет определение постоянной времени T_a. Для ориентировочных расчетов можно принимать значения по таблицам [4, с.149-150], откуда следует, что для генераторов мощностью 100 – 300 МВт T_a = 0.26 – 0.36, а для системы на напряжениях 110, 220, 330 кВ T_a равно соответственно 0.02, 0.03 и 0.04 с.

Согласно ПУЭ время отключения (время действия токов КЗ) t_ОТК складывается из времени действия основной релейной защиты t_Р.З. данной цепи с учетом действия АПВ и полного времени отключения выключателя t_ОТК..В:

t_ОТК = t_Р.З. + t_ОТК..В.

В [4, с. 206-211] для различных зон действия защит приведены времена отключения. Так для шин генераторов t_ОТК = 4 с, для ОРУ – 0.1- 0.2 с, для нагрузки секций 6-10 кВ – 0.6-1.2 с.

Дата добавления: 2014-01-07