Методические указания и задания для домашней контрольной работы по дисциплине «Электроснабжение предприятий и гражданских зданий» (стр. 12 из 20)
Методические указания
Понятие короткого замыкания в электрических сетях. Физическая сущность короткого замыкания
В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий, сопровождающиеся резким увеличением тока. Поэтому электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснабжения, должно быть устойчивым к токам к.з. и выбираться с учетом величин этих токов.
Различают следующие виды коротких замыканий: трехфазное, или симметричное, - три фазы соединяются между собой без соединения с землей; двухфазное – две фазы соединяются между собой без соединения с землей; однофазное - одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю; двойное замыкание на землю - две фазы соединяются между собой и с землей.
Основными причинами возникновения таких коротких замыканий в сети могут быть: повреждение изоляции отдельных частей электроустановки; неправильные действия обслуживающего персонала; перекрытия токоведущих частей установки.
Короткое замыкание в сети может сопровождаться прекращением питания потребителей, резким снижением напряжения в сети, нарушением нормального режима работы энергетической системы.
С момента возникновения короткого замыкания до его прекращения в короткозамкнутой цепи протекает переходный процесс, характеризуемый наличием двух составляющих токов короткого замыкания – периодического (колебательного) и апериодического.
Периодическая составляющая изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая - определяется характером затухания тока к.з., зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора. В цепи напряжением выше 1 кВ, где значение активного сопротивления мало, время затухания апериодической составляющей составляет 0,15 – 0,2 с.
Основные соотношения между величинами токов короткого замыкания. Связь между величиной ударного тока iу и начальным действующим значением периодической составляющей тока к.з. In0 устанавливается из следующих соотношений:
а) апериодическая составляющая затухает по закону экспонентной кривой, определяемой уравнением iа = Iа.макс е-t /Tа ,
где Tа – постоянная времени затухания апериодической составляющей, определяемая соотношением между индуктивностью и активным сопротивлением цепи к.з. Tа = Lк / rк
Учитывая, что при ω = 2πƒном = 2πƒк величина индуктивного сопротивления xк = ωL = 314 L, откуда L = xк / 314, получим, что
Tа = Lк / rк = xк / (314rк)
Здесь хк , rк – соответственно индуктивное и активное сопротивления цепи к.з.;
б) ударный ток, соответствующий времени 0,01с, т.е. через полпериода после возникновения к.з., iу = iа + Iп.макс,
где Iп.макс.-√2Iп.0 – максимальное значение периодической составляющей тока к.з. iу = Iа.макс е -t / Tа + Iп.макс.
В момент t=0 ток Iп.макс. = Iа.макс , тогда
Iу = Iп.макс.+ Iп.макс.е -t / Tа = Iп.макс(1 + е –t/ Tа) = √2 Iп.0 (1 + е-t/ Tа)
Обозначая величину 1 + е 0,01/ Tа = kу , получи Iу = kу √2 Iп0
Ударным коэффициентом kу учитывается соотношение между активным и индуктивным сопротивлениями цепи короткого замыкания, что определяется местом короткого замыкания.
Для воздушных линий напряжением выше 1 кВ постоянная времени затухания Tа = 0,05 с, тогда kу = 1,8 и ударный ток Iу = 1,8 √2 Iп0 = 2,55 Iп Если ЭДС источника неизменна, то и периодическая составляющая тока короткого замыкания будет неизменна:
I″ = Iп0 = Iк
Расчет токов короткого замыкания в ЭУ напряжением до 1 кВ.
При расчете должны учитываться активные сопротивления цепи к.з. (воздушных и кабельных линий, обмоток силовых трансформаторов, трансформаторов тока, шин и коммутационной аппаратуры). Для указанных установок считается, что мощность системы не ограничена и напряжение на стороне высшего напряжения трансформатора неизменно. Это выполняется, если мощность системы примерно в 50 раз больше мощности трансформатора, например при мощности системы более 50 МВА и мощности цеховых трансформаторов до 1000 кВА.
При расчете токов к.з. на шинах низшего напряжения трансформатора, в кабеле или другой точке низковольтной сети с сопротивлением х*т + х*н.н необходимо знать мощность питающей системы или технические данные выключателя.
Рассмотрим применяемые способы расчета токов к.з.:
1. Известны или заданы значения токов I″ = In0 и I∞ на шинах районной подстанции энергосистемы. Расчет ведется в такой последовательности ( с учетом х*т): определяют коэффициент β″ = I″ / I∞ и по кривым зависимости β″ = ƒ(х*расч) находят расчетное сопротивление хр системы до места короткого замыкания ( в относительных единицах).
Мощность питающей системы
″ храсч Uном,где I″ - действующее значение сверхпереходного тока к.з., кА; Uном номинальное напряжение в месте к.з., кВ.
За базисную принимают мощность системы Sс и определяют х*бΣ = х*с +х*т . Тогда ток к.з. Iк = Iб / х*бΣ,
Где Iб = Sб / √3Uном = Sс / √3Uном.
2. Известны или заданы технические данные выключателя, установленного в точке, для которой определяют величины токов короткого замыкания. При этом принимают, что отключающая мощность выключателя Sоткл равна мощности короткого замыкания системы (S″) и тогда
Iк = I″ = Sоткл / √3 Uном.
Подробнее тему рекомендуется изучить по [1.стр.142-172].
Литература
[1 стр.142-172; 2 стр.255-282; 3 стр.253-277; 4 стр.224-244]
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите виды коротких замыканий
2. Что такое «ударный» ток?
3. Как составляется схема замещения?
4. По каким формулам производится расчет сопротивлений короткозамкнутой цепи?
5. Какой ток представляет термическое действие тока к.з.?
6. Какой ток представляет электродинамическое действие тока к.з.?
Тема 3.6 Выбор токоведущих частей и аппаратов подстанций с учетом действия токов к.з.
Выбор токоведущих частей распределительных устройств и силовых кабелей, проверка их на действие токов короткого замыкания. Выбор высоковольтных выключателей, выключателей нагрузки, реакторов, трансформаторов тока и напряжения с учетом действия токов короткого замыкания.
Методические указания
Электрическое оборудование, аппараты, изоляторы и токоведущие части электроустановок работают в условиях эксплуатации в трех основных режимах: нормальном, перегрузки и в режиме короткого замыкания.
В нормальном режиме надежная работа аппаратов и токоведущих частей обеспечивается правильным выбором их по номинальному напряжению и номинальному току. В режиме перегрузки надежная работа аппаратов и токоведущих частей электрических установок обеспечивается ограничением величины и длительности повышения напряжения или тока в таких пределах, при которых еще гарантируется нормальная работа электрических установок за счет запаса прочности. В режиме короткого замыкания надежная работа аппаратов и токоведущих частей обеспечивается соответствующим выбором параметров устройств по условиям термической и электродинамической стойкости.
Электрические аппараты (выключатели, разъединители, предохранители, измерительные трансформаторы), токоведущие части (шины, кабели) должны выбираться в соответствии с вычисленными максимальными расчетными величинами (токами, напряжениями, мощностями отключения) для нормального режима и короткого замыкания. Для их выбора сравнивают указанные расчетные величины с допускаемыми значениями для токоведущих частей и высоковольтного оборудования. В установках выше 1 кВ по режиму КЗ следует проверять: электрические аппараты, токопроводы и другие проводники, опорные и несущие конструкции для них (ПУЭ).
Аппараты (выключатели, разъединители, трансформаторы тока), сборные шины распределительных устройств и кабели проверяются на термическую стойкость по условию, что при прохождении через них тока КЗ их кратковременная температура нагрева не превысит допустимых значений. Завод-изготовитель для каждого вида аппаратов указывает значение тока термической стойкости Iт.у, которую аппарат может выдержать без повреждения в течение всего процесса КЗ.
Условие термической стойкости определяется выражением
(1.65)где Вк – расчетный импульс квадратичного тока короткого замыкания, кА2.с;
Iт – ток термической стойкости выключателя, кА;
tт – длительность протекания тока термической стойкости, с
При удаленном коротком замыкании значение теплового импульса тока короткого замыкания Вк может быть определено по формуле