Файл: Шаповалов, Б. Т. Электрооборудование насосных станций учебное пособие.pdf

ную теплоемкость через С = ^ ^ В т -с /с м 3»°С и гср= р ср//5, где рср —

среднее удельное сопротивление материала токоведущей части, пос­ ле простых преобразований получим

Тогда температура нагрева токоведущей части при коротком замыкании

Следовательно, фиктивное время действия тока короткого замыка­ ния — это то время, в течение которого установившийся ток нагре­ вает токоведущую часть до той же температуры, до которой она была бы нагрета действительно протекающим по ней изменяющим­ ся во времени током короткого замыкания за действительное время его протекания.

Ток короткого замыкания, как было показано выше, состоит из периодической и апериодической составляющей. Так как апериоди­ ческая составляющая исчезает (затухает) через весьма малый про­ межуток времени, близкий к 0 , 1 с, то для упрощения количеством выделяемого ею тепла можем пренебречь и считать,, что оно не по­ вышает температуру токоведущей части (это допущение несколько компенсирует, сделанное нами первое допущение о том, что отвода тепла от токоведущей части в окружающую среду при коротком замыкании не происходит). Тогда будем учитывать только фиктив­ ное время периодической составляющей тока короткого замыкания

время дано в зависимости от действительного времени t и от отно­ шения l"jh о=р". (Если £<1 С°, то в расчете учитывают не только периодическую, но и апериодическую составляющую, тогда ^ф =

= ^ф.п + ^ф.а (^ф .а = 0,05 (5 2).)

Определив фиктивное время, можно подсчитать по формуле (49) температуру нагрева токоведущей части при коротком замыкании. Однако эта формула выведена в предположении, что удельное со­ противление материала токоведущей части и ее удельная теплоем­ кость в процессе нагрева остаются постоянными, и определение по ней 'дк может привести к значительной ошибке, так как на самом деле эти показатели могут заметно изменяться. Поэтому темпера­ туру нагрева токоведущих частей током короткого замыкания чаще определяют по кривым, показанным на рис. 40. На рисунке приве­

дена зависимость 'б,к= Ш 2-0 с учетом изменения р и С, отдача теп­ ла токоведущей частью в окружающую среду не учтена; j — плот­ ность тока в проводнике (токоведущей части) (j = I/S ). Кривые построены в предположении, что начальная температура токоведу­ щей части равна нулю. На самом же деле температура токоведу-

83

шей части до возникновения короткого замыкания равна Фн, что необходимо учитывать. Порядок пользования кривыми такой:

1 ) по значению #h определяем по кривой для требуемого мат риала значение абсциссы А я;

Рис. 39. Зависимость фиктивного времени периодической со­ ставляющей тока короткого замыкания от |3" и действитель­ ного времени t при наличии у генерирующих источников авто­ матических регуляторов:

цифры на кривых — значения i, с

2 ) подсчитываем значение абсциссы А2:

3) находим полное значение абсциссы А:

84

4) по значению абсциссы Л„ и кривой нагрева для данного ма­ териала находим температуру нагрева токоведущей части при ко­ ротком замыкании Фк.

Если в результате проверки окажется, что при выбранном по нормальному режиму сечении токоведущей части температура на­ грева ее при коротком замыкании недопустимо велика, т. е. Фк> >'&к.макс, то необходимо выбрать другое стандартное сечение. Сде-

Рис. 40. Кривые для определения температуры на­ грева токоведущих частей при коротком замыкании, если они выполнены из:

1 — стали, 2 — алюминия, 3 — меди

лать это можно путем подбора, т. е. вместо проверенного и неудов­ летворяющего требованиям термической устойчивости сечения взять следующее, большее стандартное сечение, и проверить его и т. д., до тех пор, пока не будет найдено минимальное, достаточное по требованиям термической устойчивости, сечение. Можно так­ же, пользуясь кривыми нагрева, по известной температуре нормаль­ ного режима токоведущей части Фи и по максимально допустимой для нее температуре 'б’к.макс найти значения абсцисс Лн и Лк.Макс, а затем по формуле (51) определить минимальное, допустимое по условиям термической устойчивости, сечение токоведущей части:

гА к.макс

По найденному 5 МИн подбирают ближайшее большее стандарт­ ное сечение токоведущей части.

Аппараты и токоведущие части, защищенные плавкими предо­ хранителями, на термическую устойчивость при коротких замыка­ ниях не проверяют.

85

Электродинамическое действие токов короткого замыкания. Как известно из курса физики, механическая сила взаимодействия меж­ ду двумя параллельно расположенными проводниками, по которым

Кф

Рис. 41. Кривые для определения коэффициента фор­ мы шин прямоугольного сечения

где А и г2 — мгновенные значения токов в первом и втором взаимо­ действующих проводниках, А; I — длина параллельной части взаи­ модействующих проводников; а — расстояние между осями взаи­ модействующих проводников (I и а должны быть выражены в оди­ наковых единицах); К — коэффициент формы проводников, зависящий от формы их сечения и взаимного расположения, / ( ^ 1 .

Если расстояние между проводниками больше периметра их се­ чения, то для прямоугольных и круглых проводников коэффициент формы можно принять равным единице, т. е. К= 1 (рис. 41).

Для трехфазной системы с расположением фазных проводников в одной плоскости при одинаковом значении тока в фазах наиболь­ шее усилие, как это видно из рис. 42, возникает на проводнике средней фазы. Действительно, в тот момент, когда в соседних фа­ зах (первой и второй) ток имеет одинаковое направление (напри-

86

мер, течет от нас за плоскость чертежа), а в третьей направлен к нам, то согласно физическому закону силы взаимодействия меж­ ду первой и второй фазами будут сближающими (фазы притяги­ ваются друг к другу), а между первой и третьей — отталкивающими (фазы отталкиваются друг от друга). В результате, силы, .дей­ ствующие на первую фазу при ее взаимодействии со второй и тре­ тьей фазами, суммируются, и она оказывается наиболее загружен­ ной.

© -

Рис. 42. Усилия, действующие в различные моменты времени на шины трехфазной системы при их коротком замыкании

Учитывая сдвиг токов по фазе в трехфазной системе и восполь­ зовавшись формулой (53), можно эту суммарную силу при трехфаз­ ном коротком замыкании определить следующим образом:

Силы механического взаимодействия между проводниками, оп­ ределяемые формулой (53), существуют всегда, когда по проводникам протекают токи. При нормальном режиме они обычно малы и не оказывают на токоведущую конструкцию сколько-нибудь значительной механической нагрузки. При коротком замыкании, когда значения токов, протекающих по фазам, во много раз уве­ личиваются, эти силы, резко возрастая, создают усилия, которые могут нарушить механическую прочность токоведущих конструкций. Поэтому необходимо проверять их элементы на механическую проч­ ность (электродинамическую устойчивость) при коротких замыка­ ниях. Такой проверке подлежат шины электроустановок, изоляторы, разъединители, выключатели, трансформаторы тока и Другие эле­ менты. Причем следует учитывать наиболее тяжелые условия их работы. Максимальное электродинамическое воздействие оказы­ вает максимально возможный в электроустановке ток — ударный

ток трехфазного короткого замыкания (£у3)*> который и нужно при­ нимать во внимание при соответствующих расчетах (54).

87

Контрольные вопросы

1. Что такое короткое замыкание, каковы причины его возникновения, какие виды коротких замыканий характерны для трехфазных систем? 2. Какие послед­ ствия для электрической установки может иметь возникшее в ней короткое замы­ кание? 3. Для чего необходимо рассчитывать значения токов короткого замыка­ ния? 4. Кратко охарактеризуйте физическую картину протекания токов трехфаз­ ного короткого замыкания в синхронном генераторе. 5. Как рассчитать ток трехфазного короткого замыкания, пользуясь кривыми затухания? 6. Какое влияние на ток трехфазного короткого замыкания, возникшего па шинах насосной станции, оказывают мощные синхронные двигатели ее основных агрегатов. 7. Ка­ кое действие оказывают токи короткого замыкания на аппаратуру и токоведущие части электрической установки? 8. Как проверить выбранные токоведущие части и аппаратуру на устойчивость при коротких замыканиях?

Г Л А В А V

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 И СВЫШЕ 1000 В

В электрических установках и, в частности, в электрической части насосных станций применяется различная аппаратура, ко­ торая по назначению может быть разделена на несколько групп:

1 ) коммутационная, служащая для включения и отключения электрической цепи; к ней относятся выключатели различных типов, работающие при различных напряжениях, и разъединители;

2 ) аппаратура защиты, предохраняющая элементы электриче­ ских установок от перегрузок и коротких замыканий (предохрани­ тели реле), а также от перенапряжений (разрядники);

3) аппаратура для ограничения тока при пуске и при возникно­ вении коротких замыканий — добавочные сопротивления, реостаты, реакторы.

Перечисленные аппараты соединяют между собой голыми про­ водниками (шинами), закрепляемыми на изоляторах, или реже — изолированными проводниками, например кабелями. Аппараты должны быть надежны в работе, просты по конструкции, недорого­ стоящи, обеспечивать безопасность обслуживания и т. п.

§ 18. ВОЗДУШНЫЕ НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Простейшими неавтоматическими коммутационными аппарата­ ми, широко применяемыми в установках напряжением не более 660 В при номинальных токах до 1000 А, являются рубильники и переключатели. С их помощью выполняют включения, отключения и переключения в цепях постоянного и переменного токов. В осно­ ве расчета и конструирования этих аппаратов лежит теория горе­ ния дуги в воздухе и способы гашения. Как известно, всякий раз­ рыв электрической цепи под током сопровождается появлением между размыкающимися контактами коммутационного аппарата электрической дуги, которая вследствие высокой темпера-

88

туры горения (до 3600° С и более) действует разрушающе. Кроме того, при разрыве цепи под током содержащаяся в ней магнитная энергия должна перейти в энергию другого вида. Если магнитная энергия перейдет в энергию электрического поля, то это может привести к опасным для изоляции установки перенапряжениям.

Пусть отключаемая под током цепь имеет сопротивление г и индуктивность L, тогда приложенное к цепи напряжение U будет уравновешиваться алгебраической суммой трех слагаемых напря­ жений:

перенапряжение, пропорциональное индуктивности и скорости из­ менения (уменьшения) отключаемого тока во времени; С1 Дуги — напряжение, появляющееся между размыкающимися контактами рубильника или переключателя (напряжение дуги).

Вследствие малого значения гг первым слагаемым в записан­ ном выше выражении можно пренебречь, тогда напряжение дуги, может быть написано в виде Пдуги= U+ Йперенапр. Таким образом, при разрыве цепи под током и наличии дуги энергия магнитного поля цепи, выделившаяся в дуге, переходит в тепло. Если мощность электрической установки велика, то при ее отклонении в дуге мо­ жет выделяться такая большая энергия, что для ее поглощения необходимо использовать специальные устройства (дугогасящие приспособления). Эти устройства могут быстро гасить дугу в малом объеме гасящей среды при незначительном износе контактов, ма­ лом звуковом и световом эффектах.

На рис. 43 показан рубильник с плоскими контактами и цент­ ральной рукояткой управления. Такие рубильники с открытыми ножами по правилам безопасности можно использовать в установ­ ках напряжением не более 220В. В рассматриваемой конструкции применены две контактные стойки 1 и 2 , проходящие через основа­ ние, выполненное из изолирующего материала 10. Подводящие про­ вода присоединены к стойкам с задней стороны основания. Рубиль­ ник трехполюсный. Ножи полюсов состоят из двух полос 8 , охваты­ вающих при включении стойки. Прямоугольные выступы 3 ножей способствуют лучшему контакту между ножами и стойками. Необ­ ходимое давление ножей на стойки достигается с помощью пружин­ ных шайб 9 и стальной пружинной скобы 4. Для предохранения ос­ новных контактов от вредного воздействия дуги при отключении и включении рубильника конструкция снабжена дугогасительными (разрывными) угольными контактами 7.

При отключении рубильника первыми размываются его главные контакты, при этом цепь тока, проходящего через рубильник, оста­ ется замкнутой с помощью дугогасительных контактов, и лишь в последующий момент при их размыкании разрывается. Таким обра­ зом, вредное действие дуги на главные контакты не распространя­ ется, и они остаются неповрежденными, чистыми с малым значени­ ем переходного сопротивления. При включении рубильника пер­

8 9