Нагрев токоведущих частей электрооборудования при коротких замыканиях

2. НАГРЕВ ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ 2.1. Краткие теоретические сведения При протекании токов короткого замыкания (КЗ), которые могут превышать рабочие токи во много раз, происходит дополнительный нагрев проводников сверх установленных нормативами температур, установившихся к моменту наступления КЗ. Длительность протекания токов КЗ зависит от установленных параметров релейной защиты, и ограничивается несколькими секундами, а иногда и долями секунд. Поэтому повышение температуры имеет пиковый характер, и после устранения влияния тока КЗ наблюдается достаточно быстрое ее снижение [6]. Однако, несмотря на кратковременность, токи КЗ обладают сильным воздействием на проводящие элементы в связи с их большими значениями. Исследования работы проводников, изоляции и электрооборудования в условиях КЗ и кратковременных высоких нагревов выявили, что при КЗ разрушающее воздействие температуры на изоляцию гораздо ниже, чем при длительном воздействии температуры в условиях нормального режима. Поэтому предельные температуры устанавливаются исходя из значений допустимого снижения механической прочности материала проводника. Правилами устройства электроустановок (п.1.4.16) установлены предельно допустимые значения температуры нагрева проводников при КЗ (табл. 2.1) [7]. Сопоставляя возможную температуру нагрева с ее табличным значением, можно проверить возможность использования проводника для работы в рассматриваемых условиях. В некоторых случаях из-за кратковременности протекания тока КЗ теплоотдача во внешнюю среду произойти не успевает, и всё выделяющееся тепло идет на нагрев проводника, т.е. имеет место адиабатический процесс. Следовательно, приравняв выделяющуюся при протекании тока КЗ теплоту и величину нагрева проводника, и полагая активное сопротивление проводника где ρа – удельное сопротивление, а плотность тока КЗ j =it / q, где q – площадь поперечного сечения проводника, мм2, получим [5] Таблица 2.1 Предельно допустимые температуры нагрева при коротком замыкании Вид элемента Материал Максимально допустимая температура, оС Шины медные 300 алюминиевые 200 стальные, не имеющие непосредственного соединения с аппаратами 400 стальные с непосредственным присоединением к аппаратам 300 Кабели до 10кВ 200 с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение 20-220кВ 125 Кабели и изолированные провода с медными и алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной и резиновой изоляцией 150 с полиэтиленовой изоляцией 120 Медные неизолированные провода при тяжениях, Н/мм²: менее 20 20 и более 250 200 Алюминиевые неизолированные провода при тяжениях, Н/мм²: менее 10 10 и более 200 160 Алюминиевая часть сталеалюминиевых проводов 200 Суммарное тепловое действие тока КЗ за время t составит (2.1) Левая часть уравнения (2.1) – термический (тепловой) импульс тока КЗ АКЗ, определяющий суммарное тепловое действие тока КЗ за время t. Решение уравнения (2.1) позволяет определить значение температуры нагрева проводника Θ. Однако величины c и ρа – функции температуры нагрева, поэтому решение удобнее выполнить графоаналитическим методом. Для этого задаваясь значениями температур в интервале от 0 до предельно допустимой при КЗ, и используя табличные экспериментальные данные c и ρа, строят кривую Площадь подынтегральной функции будет являться величиной термического импульса, соответствующего температуре нагрева. Данный способ определения термического импульса не применяется в практических расчетах из-за его трудоемкости. Этим способом строят кривые для определения температуры нагрева проводников в зависимости от величины термического импульса, что позволяет определять Θ=f(A), где А – термический импульс, и наоборот. Такие кривые для основных типов проводников приведены на рис. 2.1. [5] Рис. 2.1. Зависимость температур нагрева токоведущих частей при КЗ При использовании кривых (см. рис. 2.1) необходимо учитывать тепловое состояние проводника, предшествовавшее КЗ, так как кривые построены для нулевой температуры. Поэтому, для определения термического импульса тока КЗ следует правую часть уравнения (2.1) проинтегрировать от нормальной температуры Θн до конечной Θк (2.2) Тогда (2.3) где Ак и Ан – термические импульсы тока, соответствующие конечной температуре нагрева и допускаемой температуре длительного нагрева проводника соответственно, (А/мм2)2с. Для определения (см. рис. 2.1) окончательной температуры нагрева проводника при воздействии тока КЗ надо определить величину АКЗ и отложить её на оси абсцисс от значения, равного рабочей температуре нагрева АН провода или аппарата (70оС и 75оС соответственно). Чтобы определить термический импульс тока КЗ, необходимо действительный затухающий ток КЗ it выразить через установившийся ток КЗ I∞ (2.4) где tф – фиктивное (или эквивалентное) время, за которое установившийся ток КЗ I∞ выделит такое же количество тепла, что и действительный затухающий ток КЗ it за действительный интервал времени t, с.Умножив обе части (2.4) на q2, получим (2.5) Фиктивное время может отличаться от действительного как в большую, так и в меньшую сторону, так как включает в себя время апериодической составляющей тока КЗ , где - соотношение величин сверхпроводного и установившегося токов цепи, и рассматривать фиктивное время как сумму tф = tфп + tфа. (2.6) Следует отметить, что апериодическую составляющую фиктивного времени (2.6) целесообразно учитывать только в случае, если действительное время КЗ t < 1 с. Это обосновано тем, что при больших значениях действительного времени t выделяется малое количество теплоты по сравнению с выделяемым периодической составляющей теплом. Для определения нагрева за расчетное время принимается суммарное время, состоящее из времени срабатывания ближайшей к месту КЗ защиты, выключателя, времени действия выключателя и длительности горения дуги. Приравняв выражения (2.4) и (2.5) и разделив всё на q2, получим выражение (2.7) для определения термического импульса тока КЗ, выраженного через установившийся ток КЗ I∞ и фиктивное (условное) время tф (2.7) При проверке токоведущих проводников и шин на термическую устойчивость при КЗ необходимо убедиться, что конечная температура нагрева проводника выбранного сечения не превышает допустимого значения нагрева при кратковременном режиме. Помимо этого, исходя из установленных максимальных температур для токоведущих частей при КЗ, можно определить соответствующий им термический импульс тока Аmax, и соответственно узнать минимальное термически устойчивое сечение токоведущих проводников: (2.8) Основным показателем термической устойчивости аппаратов при КЗ является гарантированный ток It, который может выдержать аппарат в течение определенного времени устойчивости tr. Таким образом, общим условием термической устойчивости для аппаратов является (2.9) Как правило, время tr принимается в интервале 1…10 с. Контрольные вопросы к главе 2 1. Поясните, почему допустимые температуры нагрева при КЗ выше, чем наибольшие допустимые температуры при длительном протекании тока. 2. Чем ограничена длительность существования КЗ? 3. Дайте определение и поясните, в чем различие между тепловым и термическим импульсами тока. 4. В чем заключается физический смысл плотности тока КЗ? 5. Поясните порядок расчета термического импульса тока при КЗ. 6. Что называется фиктивным или эквивалентным временем? 7. Что понимается под термической устойчивостью шины? 8. Что такое термически устойчивое сечение шины? 9. В чем заключается общее условие термической устойчивости для аппаратов? 10. Почему полное фиктивное время следует рассматривать как сумму периодической и апериодической составляющих тока КЗ?