2-6. ВЕЛИЧИНЫ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В УСТАНОВКАХ
Если не учитывать сопротивления места короткого замыкания, то величины токов короткого замыкания могут быть достаточно
точно рассчитаны известными способами [Л. 2-4], для чего в сетях низкого напряжения надо учитывать как индуктивное, так и активное сопротивление проводников, аппаратов и машин. Иногда на- до также учесть токи, генерируемые двигателями. Сопротивление места короткого замыкания не поддается расчету.
Если полное сопротивление цепи мало и возможные токи короткого замыкания велики, то сопротивление места короткого замыкания обычно весьма существенно снижает ток, так как большие электродинамические силы так быстро удаляют перемкнутые между собой части и выдувают электрическую дугу, что обычно ток ограничивается сопротивлением дуги. При токах 100 кА в практических случаях в месте короткого замыкания возникают усилия порядка 1 Г [Л. 2-9].
Испытания [Л. 2-8] показали, что при напряжении 500 в в сети, в которой действующее значение расчетного тока короткого замыкания, определенного но (2-17), достигало 58 кА, при испытании удавалось получить этот ток только при наличии толстой медной перемычки, привинченной надежно к шинам. В остальных случаях ток был меньше и достигал следующей величины в процентах от максимальной:
для случая привинченной медной перемычки сечением
6 — 25 мм2 соответственно 60—87%
для случая свободно лежащего на шинах медного бруса
(независимо от сечения) 56%
для случая свободно лежащего на шинах стального бруса (независимо от сечения) 68%
для случая перекрытия по изоляции 32 — 56%
Другие испытания [Л. 2-10] показали, что токи короткого замыкания при напряжении 220 в постоянного тока достигали величины, не большей 80% при расчетных значениях 50 кА и 70% при расчетных значениях 80 кА.
Существует мнение, что токи короткого замыкания более 100 кА практически не могут возникнуть, и требовать, чтобы автоматы имели разрывную способность больше 100 кА, не следует [Л. 2-9]. Однако надо учитывать возможность возникновения больших токов при неправильном включении автоматов. Кроме того, трудно предвидеть все возможные случаи короткого замыкания. Испытания при токе 220 кА, фактически проходившем через автомат, производились в США (Л. 2-11].
При амплитудном значении расчетного тока порядка 20 кА сопротивлением места короткого замыкания, по-видимому, можно пренебречь, а при расчетном токе 60—80 кА для учета сопротивления места короткого замыкания можно снижать ток на 20%. Нет достаточных оснований считать, что в установках не могут появиться токи свыше 100 кА и что защитные устройства во всех случаях не надо рассчитывать на токи, большие 100 кА.
Величины максимальных токов короткого замыкания в установках изменяются в весьма широких пределах, в зависимости от мощности источников энергии, трансформаторов и сопротивления участка цепи до места короткого замыкания. Наибольшие возможные расчетные токи короткого замыкания в существующих установках достигают нескольких сотен килоампер. Для отключения указанных выше наибольших токов изготовляются специальные аппарата индивидуального исполнения. Коммутационная аппаратура массового и серийного исполнения устанавливается преимущественно в промышленных предприятиях и рассчитывается на могущие быть в этих установках токи короткого замыкания. Наши промышленные предприятия обычно питаются от мощных энергосистем. Поэтому при расчете тока короткого замыкания можно не считаться с уменьшением периодической слагающей. В громадном большинстве случаев мощность трансформаторов не превышает 1 000 КВ*А при напряжении 380 в и 560 КВ*А при напряжении 220 в, что соответствует номинальному току около 1 500 а. Наиболее тяжелые условия имеют место при трехполюсном коротком замыкании, при этом действующее значение периодической составляющей тока определяется по уравнению
(2-18)
где U — действующее значение линейного напряжения; х — индуктивное сопротивление фазы; г — активное сопротивление фазы; 2 — полное сопротивление фазы.
Амплитудное значение тока, по которому в соответствии с вышеуказанным должна выбираться аппаратура по предельной коммутационной способности, определяется по уравнению
где t — время, соответствующее концу каждого нечетного полупериода (при 50 Гц t = 0,01; 0,03; 0,05 сек); Т — постоянная времени, определяемая уравнением
(2-20)
Величины тока короткого замыкания на выводах трансформатора 10 000/400 в, определенные по вышеуказанным формулам без учета сопротивления места короткого замыкания, приведены в табл. 2-4. Для учета тока, генерируемого асинхронными двигателями, принято, что трансформатор полностью загружен асинхронными двигателями, расположенными вблизи него в цехе. При этом можно считать i[ Л. 2-4], что действующее значение периодической слагающей тока генерируемого двигателя через 0,01 сек равно пятикратному номинальному току трансформатора, а через 0,03 сек оно так мало, что его можно не учитывать. Амплитудное значение этого тока в |/2 раз больше действующего. Апериодическую слагающую тока, генерируемого асинхронными двигателями, можно не учитывать, так как она уменьшается очень быстро.
Таблица 2-4
Токи при трехполюсном коротком замыкании на зажимах трансформатора 400 в
Мощность трансформатора , КВ*А | 180 | 320 | 560 | 750 | 1 000 | Мощность короткого замыкания со стороны высокого напряжения, квй | ||
Номинальный ток, а | 274 | 487 | 852 | 1 140 | 1 520 | |||
Постоянная времени, сек | 0,007 | 0,0085 | 0,0099 | 0,0102 | 0,0112 | |||
Действующее значение периодической слагающей тока короткого замыкания <без учета тока, генерируемого двигателями), кА | 4,2 | 6,8 | 10,4 | 13 | 15,1 | 25 000 | ||
4,6 | 7,9 | 13,3 | 17,8 | 22,1 | 100 000 | |||
4,7 | 8,2 | 14 | 19 | 23,9 | 200 000 | |||
4,8 | 8,4 | 14,7 | 20,3 | 26,1 | со | |||
Амплитудное значение полного тока короткого замыкания, кА | <=0,01 сек | С учетом двигателей | 10,4 | 19 | 34,4 | 47,3 | 63,2 | оо |
Без учета двигателей | 8,4 | 15,6 | 28,3 | 39,3 | 52,4 | со | ||
t= 0,03 сек | 6,9 | 12,3 | 21,8 | 30,2 | 39,5 | со | ||
t=0,05 сек | 6,8 | 11,9 | 20,8 | 28,7 | 36,9 | со |
Значения такое, указанные в табл. 2-4, являются предельно возможным. Фактически, как отмечалось, из-за сопротивления места замыкания они будут меньше. К концу третьего полупериода (и для больших времен) практически можно считать, что апериодическая составляющая тока переходного режима трансформатора равна нулю, и надо учитывать только периодическую составляющую.
Величины возможных токов короткого замыкания резко уменьшаются при удалении места короткого замыкания от выводов трансформатора. Так, для трансформаторов мощностью 560 и 1 000 КВ*А, присоединенных к бесконечно мощной сети, ошиновка длиной 10 м, рассчитанная на номинальный ток трансформатора, снижает периодическую составляющую тока соответственно на 11 и 18%, а пик тока соответственно на 14 и 20%. 20 м медных проводов в трубах, рассчитанных на 20% номинального тока трансформатора, вызывают снижение периодической составляющей тока короткого замыкания вышеуказанных трансформаторов на 19% и снижение пика тока на 32% (без учета снижения от ошиновки). Такое большое снижение пика тока в последнем случае вызвано уменьшением постоянной времени вследствие того, что активное сопротивление проводов в трубах значительно выше их индуктивного сопротивления.
Коммутационные аппараты, применяемые в настоящее время в промышленных установках переменного тока на номинальный ток до 1 5С0 а, должны иметь коммутационную способность, близкую к предельным значениям, приведенным в табл. 2-4, или несколько меньшую их (с учетом дуги в. месте замыкания и наличия ограниченной мощности короткого замыкания со стороны высокого напряжения). Эти предельные значения амплитудного тока равны 63 кА при /с<0,01 сек, 40 кА при =0,03 сек, 37 кА при гс5г0,05 сек. При испытании от трансформатора мощностью 1 000 КВ*А, присоединенного к мощной энергосистеме и не нагруженного асинхронными двигателями, это соответствует действующему значению периодической составляющей 33 кА при с<0,01 сек и 26 кА при >0,03 сек. Первая цифра выше из-за учета тока, генерируемого двигателями, которые, как правило, имеются в эксплуатации.
Так как вышеуказанные токи в общепромышленных установках могут быть только в очень ограниченной зоне (на выводах трансформаторов 1 000 КВ*А при металлическом коротком замыкании), а подавляющее большинство аппаратов установлено в местах, в которых токи гораздо меньше, наибольшее количество аппаратов в настоящее время изготовляется на меньшую коммутационную способность, причем тем меньшую, чем меньше номинальный ток аппарата. При этом исходят из того, что основная потребность в аппаратах на данный номинальный ток должна покрываться аппаратами с меньшей коммутационной способностью, а когда требуется большая коммутационная способность, то должен применяться аппарат на следующий больший номинальный ток с реагирующим органом на требуемый ток.
Следует учесть тенденцию к широкому применению трансформаторов мощностью 1 800 КВ*А. В этом случае автомат на ток 1 500 а, установленный на фидере, питаемом от этого трансформатора, должен иметь большую разрывную способность — порядка 100 кА (пик тюка).