Нагрев проводников и электрических аппаратов. Лекция 11

Общие сведения о токах короткого замыкания.
Короткое замыкание – это замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
В свою очередь замыкание – это всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или с землей.
На практике замыкания могут быть через дугу или непосредственно(без переходного сопротивления), так называемые «металлические».
Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок, сопровождающихся короткими замыканиями, являются неправильные действия обслуживаемого персонала, например, ошибочные отключения разъединителем цепи с током, включения разъединителей на закоротку, ошибочные действия при переключениях в главных схемах и в схемах релейной защиты и автоматики. Такие действия обусловливают до 50-70% случаев всех отказов, возникших по вине обслуживающего персонала электроустановок.

Последствия КЗ разнообразны:
А) Механические и термические повреждения оборудования;
Б) Снижения уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к полной остановке;
В) Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы, возникновение аварий, включая системные;
Г) возгорания в электроустановках;
Д) электромагнитное влияние на линии связи и на системы железнодорожных блокировок и т.п.
Расчеты токов КЗ необходимы для:
Сопоставления, оценки и выбора главных схем электрических соединений электростанций и подстанций.
Выбора электрических аппаратов;
Оценки поведения потребителей при аварийных условиях, определения допустимости того или иного режима;
Проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики;
Проектирование заземляющих устройств;
Определения влияния токов КЗ на линии связи;
Выбора разрядников;
Анализа аварий в электроустановках и в электрических системах;
Оценки допустимости и разработки методики проведения различных испытаний в электрических системах;
Анализа устойчивости работы энергосистем.

На электрических станциях и подстанциях применяют электрические аппараты и проводники различного типа. Различают аппараты и проводники первичных и вторичных цепей.
Электрические аппараты первичных цепей различного напряжения можно условно разделить на четыре группы:
А) Коммутационные аппараты;
Б) Защитные аппараты;
В) Токоограничивающие аппараты;
Г) Измерительные аппараты.
В качестве проводников в первичных цепях используют гибкие проводники и гибкие токопроводы; шинные линии, закрытые шинные токопроводы с воздушной или газовой изоляцией; силовые кабели.
К электрическим аппаратам вторичных цепей относятся аппараты систем измерения, контроля, сигнализации и управления, релейной защиты и автоматики.
В качестве проводников во вторичных цепях используются контрольные кабели, изолированные проводники, а в отдельных случаях и неизолированные проводники, укрепленные на изоляторах.

Электрические аппараты и проводники должны надежно функционировать как при нормальных продолжительных режимах, так и при кратковременных аварийных режимах при условии, что параметры окружающей среды (температура, влажность, давление) не выходят за пределы, указанные в соответствующих ГОСТ или в технических условиях. При этом температура отдельных элементов аппаратов и проводников не должна превышать нормированных значений.
Кроме общих технических требований к электрическим аппаратам и проводникам предъявляются также некоторые специальные требования, вытекающие из их назначения и условий работы электроустановки.

Допустимые температуры нагрева.
Нагревание проводников и аппаратов происходит вследствие потерь энергии различных видов. Сюда относятся:
Джоулевы потери, пропорциональные квадрату тока.
Потери в диэлектриках, пропорциональные квадрату напряжения
Потери в магнитопроводах от вихревых токов и гистерезиса
Потери в массивных ферромагнитных деталях от индуктированных токов и перемагничивания.
Потерянная энергия выделяется в виде тепла. Температура проводника, аппарата, не должна превышать соответствующие допустимые значения, определяемые нагревостойкостью изоляции, требованиям надежной работы контактов и другими соображениями.
Следует различать наблюдаемую температуру и температуру в наиболее нагретой точке.
Под наблюдаемой температурой понимают температуру, найденную измерением.
Она несколько меньше температуры в наиболее нагретой точке, поскольку последняя обычно недоступна для измерения и применяемые методы измерения несовершенны.
Принято нормировать наблюдаемые температуры, поскольку это удобно для практического использования в эксплуатации . Однако в основу нормирования в числе других требований положены допустимые температуры в наиболее нагретых точках для основных видов изоляции.

Допустимые температуры для изоляционных материалов в наиболее нагретых точках при нормальном режиме.

Как видно из таблицы, изоляционные материалы разделены по нагревостойкости на семь классов.
Под нагревостойкостью понимается способность материала сохранять свои изоляционные свойства при воздействии нормированной температуры в течение нормального срока эксплуатации электрооборудования.
Рассмотрим допустимые для проводников и аппаратов в нормальном режиме, приведенные в таблице ниже.

Допустимые температуры для проводников и аппаратов в нормальном режиме

Нагрев проводников и электрических аппаратов в продолжительных режимах
Тепловой расчет имеет целью определить допустимый ток для проводника заданного сечения.
Под допустимым током понимают наибольший ток(действующее значение), который проводник может проводить в течение неограниченного времени при нормированной(номинальной расчетной) температуре воздуха и при условии, что температура проводника не превысит соответствующее допустимое значение.
Шины и многопроволочные проводники относятся к однородным проводникам. Теплообмен происходит только с поверхности проводника через конвекцию и излучение.
Нагрев проводника(или другого элемента электрической цепи) при прохождении по нему переменного тока описывается уравнением:
Q=Ф=I2Rа=сG+(Фл+Фк+Фт),
Где I-ток, А; Rа- активное сопротивление, Ом; Q – тепловая энергия, Дж; Ф – тепловой поток,Вт; с – удельная теплоемкость, Вт∙с /(г ∙оС); G – масса проводника, г; Фл - теплоотдача лучеиспусканием, Вт; Фк- теплоотдача конвекцией, Вт; Фт- теплоотдача вдоль проводника за счет теплопроводности при неодинаковом уровне температуры в различных точках проводника, Вт.

Определение длительно допустимого тока для проводника заданного сечения связано с расчетом теплового потока с поверхности проводника. Эта задача сложна и выполняется экспериментально. Для стандартных сечений существуют таблицы Iдлит доп.
При выборе проводников:
Iдлит доп > Iраб нб
Для аппаратов:
Iном > Iраб нб
В случае, когда температура воздуха(окружающей среды) и температура проводника не равны номинальным значениям используют приближенное равенство
Где - температура воздуха, - номинальная расчетная температура, - номинальное значение температуры, - температура.

Нагрев проводников и электрических аппаратов при КЗ
При протекании тока КЗ температура проводников и токоведущих частей аппаратов существенно возрастает, поскольку IКЗ >>Iраб, то температура при нагреве может достигать опасных значений.
Для надежной работы электроустановок проводники должны обладать термической стойкостью, т.е. способностью выдерживать при наибольших неблагоприятных условиях тепловое воздействие токов КЗ.
Проводники считаются термически стойкими, если выполняется следующее не равенство
ϑк≤ϑк.доп ,где ϑк- температура проводника, ϑк.доп- предельная допустимая температура нагрева при КЗ.
ϑк.доп- устанавливаются с учетом снижения прочности материала проводника, приводящее к уменьшению изолирующих свойств и надежности работы контактных соединений. Значительное увеличение температуры приводит к снижению временного сопротивления, разрыву проводниковых материалов. При температуре > 70-75 оС интенсивно окисляются контакты аппаратов(особенно болтовые), соединения проводников. Длительное повышение температуры резко снижает срок службы изоляции. Существует так называемое 6-градусное правило: увеличение температуры изоляции на 6 градусов сокращает срок ее службы вдвое.

Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты обычно производят с помощью интеграла Джоуля
, где iк – ток КЗ в произвольный момент времени t,А; tоткл - расчетная
продолжительность КЗ,с.
Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ можно также производить с помощью термически эквивалентного тока КЗ Iтер эк , т.е. неизменного по амплитуде(синусоидального) тока, который за время, равное расчетной продолжительности КЗ, оказывает на проводник или электрический аппарат такое же термическое воздействие, как и реальный ток КЗ за это же время. Этот ток связан с интегралом Джоуля простым соотношением
Интеграл Джоуля допускается определять приблеженно как сумму интегралов от периодической и апериодической составляющей тока КЗ, т.е.
где Вк.п - интеграл Джоуля от периодической составляющей тока КЗ; Вк.а - интеграл Джоуля от апериодической составляющей тока КЗ.

Определение конечной температуры проводника с учетом начальной температуры, отличной от нуля
Для определения конечной температуры проводника заданного сечения, начальная температура которого равна нулю, следует отложить по оси абсцисс значение функции А и определить по соответствующей кривой конечную температуру. Однако начальная температура, как правило, не равна нулю. Поэтому для определения конечной температуры следует сначала определить по кривой значение функции А1,соответствующее начальной температуре проводника. Затем отложить по оси абсцисс от точки А1 функцию А= B/S2 и определить конечную температуру, как показано на рисунке. Данную температуру следует сопоставить с допустимой температурой при кратковременном нагревании.

Допустимые конечные температуры проводников и аппаратов при КЗ

Прохождение токов в проводниках приводит к возникновению между ними электродинамических(механических) усилий. Одинаковое направление токов в параллельных проводниках вызывает их притягивание, противоположное -отталкивание. При этом механические силы взаимодействия, незначительные в режиме нормальной нагрузки, во время к.з. могут достигнуть значений, опасных для аппаратуры и ошиновки, и вызвать их деформацию или разрушение.
Из электротехники известно, что сила взаимодействия между двумя проводниками при прохождении по ним токов i1 и i2 определяется по формуле
Где i1 и i2 – мгновенные значения токов в данных проводниках, А; l- длина проводников,м; кф - коэффициент формы, учитывающий форму сечения и взаимное расположение проводников; а- расстояние между двумя параллельными проводниками, м.
Максимальное механическое усилие при двухфазном КЗ, при котором токи в поврежденных фазах равны по значению; определяется как
где - ударный ток двухфазного КЗ(наибольшее амплитудное значение)