Электродинамическое действие токов короткого замыкания

Прохождение токов в проводниках приводит к возникновению между ними электродинамических (механических) усилий. Одинаковое направление токов в параллельных проводниках вызывает их притяжение, противоположное – их отталкивание. В режиме нормальной нагрузки механические силы взаимодействия незначительны, но при К3 они могут достигать значений, опасных для электрических аппаратов и ошиновок, вызвать их деформацию и даже разрушение.

Из теоретической электротехники известно, что сила взаимодействия между двумя проводниками при прохождение по ним токов i₁ и i₂ определяется по формуле

где i₁, i₂ — мгновенные значения токов в проводниках, А; l — длина проводников, м; а — расстояние между осями проводников, м; К ф — коэффициент формы, учитывающий форму сечения и взаимное рас­положение проводников (для круглых проводников сплошного сече­ния, кольцевого сечения, шин коробчатого сечения с высотой сече­ния 0,1 м и более принимается К ф= 1.

Наибольшие механические усилия между проводниками воз­никают в режиме короткого замыкания в момент, когда ток КЗ достигает ударного значения.

Для предотвращения механических повреждений под действием усилий, возникающих в проводниках при протекании по ним токов КЗ, все элементы токоведущей конструкции должны обладать электродинамической стойкостью, т. е. должны выдерживать механические усилия, возникающие при протекании токов КЗ, бездеформаций, препятствующих их дальнейшей нормальной эксплуатации.

В зависимости от вида электрооборудования условия проверки его на электродинамическую стойкость различны. Например, за­воды-изготовители указывают гарантированный ток КЗ i _дин (или i_mах, или i_{п р.скв}) при котором обеспечивается электродинамичес­кая стойкость аппаратов (выключателей, разъединителей). При вы­боре их должно выполняться условие: i _уд< i _дин, кА.

Шинная конструкция обладает электродинамической стойко­стью, если выполняются условия:

где σ_mах, σ_доп — соответственно максимальное расчетное и допус­тимое напряжения в материале шин, МПа (см. табл. 4.2); F_max, F_доп — соответственно максимальная расчетная и допустимая ме­ханические нагрузки на изоляторы, Н (задается в каталогах).

В соответствии с ПУЭ проверка электродинамической стойко­сти гибких токопроводов на максимальное сближение и тяжение проводников при КЗ производится только при i _уд >50 кА.

Не проверяются на электродинамическую стой­кость аппараты и шины цепей трансформаторов напряжения при расположении их в отдельной камере; аппараты и провод­ники, защищенные предохранителями с плавкими вставками на ток до 60 А.

Электродинамическое действие токов КЗ. При коротких замыканиях в результате возникновения ударных токов КЗ в шинах и других конструкциях распределительных устройств возникают электродинамические усилия, создающие изгибающие моменты, которые приводят к механическим напряжениям в металле проводников. Механические напряжения в проводниках не должны превышать максимально допустимые, определяемые по справочнику для конкретного металла.

Электродинамическое действие ударного тока () определяется силой взаимодействия между проводниками при протекании по ним ударного тока. Наибольшая сила , действующая на проводник средней фазы при условии их расположения в одной плоскости (без учёта механических колебаний проводников конструкции):

(8.1)

где - коэффициент, учитывающий несовпадение мгновенных значений ударного тока в фазах; - длина и расстояние между токоведущими частями, см.

Изгибающий момент () создаваемый ударным током:

(8.2)

Наибольшее напряжение в металлах (МПа) при изгибе:

(8.3)

где - момент сопротивления, см³; при расположении шин плашмя ; при расположении на ребро - ( - широкая часть проводника; - узкая).

Расчётные напряжения в проводниках должны быть меньше допустимых напряжений .

Термическое действие токов КЗ. Токоведущие части при КЗ могут нагреваться до критической температуры. Проводники термически устойчивы, если расчётная температура () не превышает для используемого материала (например, для медных шин , а алюминиевых ).

Время протекания тока КЗ определяется как сумма времени действия защиты и времени выключающей аппаратуры:

(8.3)

При проверке токоведущих частей на термическую устойчивость используют приведённое время , в течение которого установившейся ток КЗ выделяет тоже количество теплоты, что и изменяющийся во времени ток КЗ за действительное время t.

(8.4)

где - приведённое время периодической и апериодической составляющих тока КЗ.

Если предварительно вычислены значения и , а также, зная максимально допустимую температуру проводника, можно определить его сечение ():

(8.5)

где - коэффициент разности выделенной теплоты в проводнике после и до КЗ.

Проверка на электродинамическую стойкость. Расчётным видом КЗ для проверки аппаратов на электродинамическую стойкость может быть трехфазное или однофазное короткое замыкание. При этом должно выполняться условие:

(8.9)

где - амплитуда максимально допустимого тока; - ударный ток.

Проверка на термическую стойкость. Для электрических аппаратов должно выполняться одно из условий:

(8.10)

где - номинальный ток термической стойкости, который аппарат может выдержать в течение времени (определяется по справочным данным); - тепловой импульс, т.е. количество тепла выделенного в аппарате во время протекания тока КЗ; - установившейся ток КЗ; - приведённое время действия тока КЗ.

Прохождение токов проводниках приводит к возникновению между ними электродинамических (механических) усилий. Одинаковое направление токов в параллельных проводниках вызывает их притяжение, противоположное – их отталкивание. В режиме нормальной нагрузки механические силы взаимодействия незначительно, но при КЗ они могут достигать значений, опасных для электрических аппаратов, вызывать их деформацию и даже разрушение.

Из теоретической электротехники известно, что сила взаимодействия между двумя проводниками при прохождении по ним токов определяется по формуле

Где: - мгновенные значения токов в проводниках, А; -длина проводников, м; -расстояние между осями проводников, м; -коэффициент формы, учитывающий форму сечения и взаимное расположение проводников, более принимается =1;

Наибольшие механические усилия между проводниками возникают в режиме короткого замыкания в момент, когда ток КЗ достигает ударного значения. Максимальную силу, действующую в трехфазной системе проводников на расчетную фазу, следует определять по формулам:

При трехфазном КЗ

При двухфазном КЗ

Где: - коэффициент, зависящий от взаимного расположения проводников;

Для предотвращения механических повреждений под действием усилий, возникающих в проводниках при протеканий по ним токов КЗ, все элементы токоведущей конструкции должны обладать электродинамической стойкостью, т.е. должны выдерживать механические усилия, возникающие при протекании токов КЗ, без деформации, препятствующих их дальнейшей нормальной эксплуатации.

В зависимости от вида электрооборудования условия проверки его на электродинамическую стойкость различны. Например, заводы-изготовители указывают гарантированный ток КЗ при котором обеспечивается электродинамическая стойкость аппаратов. Шинная конструкция обладает электродинамической стойкостью. В соответствии с ПУЭ проверка электродинамической стойкости гибких токопроводов на максимальное сближение и тяжение проводников при КЗ производится только при кА. Например, не проверяются на электродинамическую стойкость аппараты и шины цепей трансформаторов напряжения при расположении их в отдельной камере; аппараты и проводники, защищенные предохранителями с плавкими вставками на ток до 60А.

19,

Выключатель магнитного поля (автомат гашения поля, АГП)- электрический аппарат, предназначенный для коммутации в цепи обмотки возбуждения крупных синхронных машин и машин постоянного тока.

Содержание

· 1Затруднения при коммутации в цепи возбуждения

· 2Разрядное сопротивление с нелинейной ВАХ

· 3Конструкции выключателя магнитного поля

· 4Принцип работы АГП

· 5Разработчик и изготовитель

· 6Применение

· 7Примечания

· 8Литература

Затруднения при коммутации в цепи возбуждения[править | править код]

При возникновении повреждения внутри синхронной машины для минимизации развития аварии и следовательно уменьшения стоимости последующего ремонта необходимо стараться погасить магнитное поле возбуждения машины в кратчайшее время. Но обмотки возбуждения синхронных машин обладают большой индуктивностью и при разрыве такой цепи в обмотке возбуждения наводится большая ЭДС, которая пробьёт её изоляцию. Часто эта проблема решается введением параллельно обмотке возбуждения (ОВ)разрядного сопротивления, которое включается на короткое время на момент запуска и останова синхронной машины: при запуске машины ОВ закорочена на разрядный резистор и машина под действием напряжения, поданного на статор (у синхронных двигателей) или посредством подачи вращающего момента от постороннего механизма (у синхронных генераторов) разгоняется на подсинхронную скорость; к ОВ и сопротивлению подаётся напряжение возбуждения, а затем отключается разрядное сопротивление. При останове порядок коммутации происходит в обратном порядке: сначала включается сопротивление, а затем отключается возбудитель. Энергия, накопленная в ОВ выделяется в виде тепла в разрядном сопротивлении. Известно, что уменьшение возбуждения будет происходить по экспоненте, по истечении времени примерно трёх постоянных времени, можно считать напряжение на ОВ равным нулю. Постоянная времени такой цепи обратно пропорциональна разрядному сопротивлению и увеличивая значение последнего можно сокращать время гашения поля. Но увеличение значения разрядного сопротивления имеет ограничение по коммутационным перенапряжениям. Т.о. время гашения для такой системы довольно велико.

Разрядное сопротивление с нелинейной ВАХ[править | править код]

Наилучшей формой тока ОВ при гашении поля является линейно-падающая с поддержанием напряжения на ОВ. Очевидно, что для этого необходимо разрядное сопротивление с нелинейной ВАХ. Применение для этой цели варисторов не может быть признано оптимальным. В качестве элемента с нелинейной ВАХ применяется электрическая дуга. Это объясняется тем, что падение напряжения на короткой дуге (длина 2-3 мм) между пластинами решётки постоянно при изменении тока широких пределах.

Конструкции выключателя магнитного поля[править | править код]

Главным элементом АГП является дугогасительная решётка на которой при отключении зажигаются дуги — нелинейное сопротивление. Для исключения погасания дуг и появления перенапряжений пластины решётки шунтируются секциями специального сопротивления. По включению относительно ОВ различаются:

· АГП с параллельной решёткой;

· АГП с последовательной решёткой.

Преимуществом первой конструкции является меньшее количество пластин в решётке; недостатком — сложная система коммутации (и следовательно сложная кинематика механизма), а также необходимость дополнительного резистора (который несколько ухудшает эффективность гашения). АГП с последовательной решёткой имеет большее количество пластин в решётке, обладает механизмом как и обычных выключателей, не нуждается в дополнительном резисторе. На практике обычно применяются АГП второго типа.

Принцип работы АГП[править | править код]

При подаче сигнала на отключение расцепитель срывает собачку, которая удерживает контакты. При этом происходит отключение сначала силовых контактов (без дуги), а затем отключение дугогасительных, при этом на последних зажигается дуга, втягиваясь в решётку она разбивается на множество малых дуг, которые производят оптимальное гашение поля. Время гашения дуги 0,2 — 1,5 секунд, в зависимости от мощности и типа машины. В крупных турбогенераторах время гашения поля при холостом ходе может достигать до 13 сек. (из-за вихревых токов в массивном роторе), время погасания дуги в АГП — доли секунды. Для гашения вихревых токов производят кратковременное реверсирование напряжение на ОВ.

20,

На первом этапе анализа выделяются общие подходы, применяемые при расчетах всех видов КЗ. На втором — детально рассматриваются практические методы расчета симметричных трехфазных КЗ. Далее приведена методика анализа несимметричных КЗ, рассмотрены особенности расчета в сетях 35 кВ и ниже, а также характер изменения токов в обмотках синхронных машин при протекании электромагнитного переходного процесса. Для выбора и проверки электрооборудования допускаются упрощенные методы расчета токов КЗ, если их погрешность не превышает 5— 10 % (10% — до 1 кВ). При этом определяют: - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ и значение этой составляющей в произвольный момент времени вплоть до расчетного времени размыкания поврежденной цепи; - начальное значение апериодической составляющей тока КЗ и значение этой составляющей в произвольный момент времени вплоть до расчетного времени размыкания поврежденной цепи (для электроустановок напряжением до 1 кВ значение активного сопротивления сравнимо со значением реактивного сопротивления короткозамкнутой цепи, поэтому апериодическая составляющая затухает быстро); - ударный ток КЗ. Все расчеты коротких замыканий выполняются в соответствии с требованиями нормативных документов: - ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ; - ГОСТ 52735-07. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ (не распространяется на электроустановки напряжением 750 кВ и выше); - ГОСТ 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока; - ГОСТ Р 30323-95. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия токов КЗ; - ГОСТ 26522-85. Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения.