Действие токов КЗ и ограничение их силы

Электрические аппараты, провода кабели и шины должны выдерживать кратковременные импульсы электродинамических сил и тепловые импульсы, возникающие в момент короткого замыкания. Поэтому при выборе аппаратов и проводников необходимо рассчитывать их не только по условиям длительной работы в нормальном нагрузочном режиме, но и проверять динамическую и термическую стойкость при КЗ.

Электродинамическая сила, действующая на шинную конструкцию при трёхфазном КЗ,  определяется, согласно ПУЭ:

                        ,

где - расстояние между изоляторами, к которым жёстко прикреплена шина, см; - расстояние между фазами, см; - сила ударного амплитудного трёхфазного короткого замыкания, А.

Эта сила создаёт изгибающий шину момент:   и вызывает в материале шины напряжение от изгиба: ,

где - момент сопротивления шины, зависящий от формы шин и от взаимного расположения фаз шин:

- при расположении шин ''плашмя'' - ;

- при расположении шин ''на ребро'' - ,

где - толщина полосы, см; - ширина (высота) шины, см.

Для алюминиевых шин допустимое напряжение составляет .

Если расчётное напряжение больше допустимого, т.е. , то или изменяют шинную конструкцию, или ограничивают силу короткого замыкания.

При расчёте электродинамических усилий в электрических аппаратах возникают значительные трудности, связанные с большим разнообразием и сложностью форм токоведущих частей. Поэтому заводы-изготовители обычно указывают максимально допустимое значение (амплитудное) силы тока КЗ ( ), которое нельзя превышать. Таким образом, проверка аппаратов на динамическую стойкость проводится по условию: ,

где - сила ударного тока трёхфазного короткого замыкания в месте установки аппарата.

Термическое действие токов КЗ связано с выделением теплоты в проводниках при прохождении в них тока. По закону Джоуля-Ленца:

                               ,

где - сопротивление проводника, Ом; - время прохождения тока, с.

Согласно ПУЭ, кратковременный нагрев алюминиевых шин, проводов и кабелей при КЗ не должен превышать 200⁰С. Нагрев приближённо оценивается по тепловому импульсу тока КЗ ( ), А².с.

Аппарат считается устойчивым к действию тока КЗ, если выполняется следующее условие:       ,

где - сила номинального тока термической стойкости аппарата, задаваемая заводом-изготовителем; - номинальное расчётное время термической стойкости выключателя, задаваемое заводом-изготовителем в каталогах.

Тепловой импульс тока КЗ равен сумме тепловых импульсов от периодической и апериодической составляющих тока КЗ.

Тепловой импульс от периодической составляющей: ,

где - время от начала до отключения тока КЗ, с; - действующее значение периодического тока КЗ, кА.

Тепловой импульс от апериодической составляющей ,

где с – постоянная затухания апериодической составляющей тока КЗ, зависящая от соотношения между индуктивным и активным сопротивлениями цепи короткого замыкания.

Приведённое время действия тока КЗ слагается из времени действия защиты (  ) и времени отключения выключателя ( с):

               .

Если основная защита имеет выдержку времени , то - увеличивается на . Для промышленных сетей можно принимать: » . Тогда, принимая во внимание только тепловой импульс от периодической составляющей, получим условие термической стойкости аппарата: ,

то есть термическая стойкость аппарата не должна быть ниже теплового импульса тока короткого замыкания.

При больших расчётных значениях тока трёхфазного КЗ по условиям динамической и термической стойкости требуется применять самые устойчивые и дорогие аппараты, кабели с повышенной площадью сечения жил по сравнению с площадью экономического сечения, выбранного по условиям нормального режима.

Однако, чтобы избежать переустройства всей сети и многочисленной замены кабелей, шин, аппаратуры, необходимо ограничивать силу тока КЗ, применяя следующие способы:

Глубокое секционирование сборных шин РУ всех напряжений во всей системе электроснабжения предприятия.

В этом случае отключается секционный выключатель В1, так, чтобы одна часть предприятия получала питание от одной цепи ВЛ системы – трансформатор Т1 – секция шин ГПП, другая часть – от другой Т» такой же цепи. Если одна из этих цепей Т1 отключится, то автоматически или вручную обеспечивается подключение секции, потерявшей напряжение, к другой секции например, Т2, сохраняющей электроснабжение. При коротком замыкании К₃ на секции Т1 ток КЗ  проходит только по одной цепи, что почти вдвое меньше, чем при отсутствии секционирования.

Вместе с этим, одного этого мероприятия окажется не достаточно, если номинальная мощность трансформаторов превышает 25…40 МВА. В таких случаях применяют следующее мероприятие: