Меню

Условия нагрева током короткого замыкания

Нагрев кабелей при коротком замыкании (часть 1)

Правильно рассчитанная и надлежащим образом выполненная электрическая сеть не гарантируют исключение возможности возникновения аварийных ситуаций, приводящих к недопустимому перегреву электрических кабелей при возникновении короткого замыкания.

Например, подобная ситуация, как отмечалось в работе Сопротивление цепи фаза — ноль возникает при подключении нагрузки в розеточную сеть через удлинитель. Начиная с некоторой длины добавленного к групповой линии провода удлинителя сопротивление цепи фаза – ноль увеличивается до значения, при котором ток короткого замыкания будет меньше порога срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя. Поэтому при проектировании электроустановок желательно учитывать возможность нештатных условий эксплуатации электропроводки.

В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60724-2009 «Предельные температуры электрических кабелей на номинальное напряжение 1кВ в условиях короткого замыкания» температура жил кабеля (до 300 мм 2 включительно) с изоляцией из ПВХ пластиката при коротком замыкании не должна превышать 160 градусов. Достижение этой температуры допускается при длительности короткого замыкания до 5 секунд. При такой продолжительности короткого замыкания изоляция кабеля не успевает нагреться до такой же температуры. При более длительных коротких замыканиях предельная температура нагрева жил должна быть уменьшена.

Рассмотрим возникновение подобной ситуации на примере использования автоматического выключателя группы «С». Время – токовая характеристика выключателя приведена на Рис. 1. В приведенных характеристиках выделены зона «a» — тепловой расцепитель и зона «b» — электромагнитный расцепитель. На графике показаны две кривые 1 и 2 зависимости времени срабатывания выключателя от тока, которые показывают пределы технологического разброса параметров выключателя при его изготовлении. Для автоматических выключателей группы «С» в пределах технологического разброса кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 5 до 10. Нас интересует только кривая 2 для переменного тока (АС), показывающая максимальное время срабатывания выключателя.

Как видно из графика на Рис. 1, при незначительном уменьшении тока короткого замыкания ниже порога срабатывания электромагнитного расцепителя время срабатывания автоматического выключателя определяется тепловым расцепителем и достигает величины порядка 6 секунд.

Рис. 1 Время – токовая характеристика автоматов группы С.

Попробуем выяснить, что происходит с кабелями за промежуток времени, в течение которого сработает тепловой расцепитель. Для этого необходимо вычислить зависимости температуры жил кабелей от времени прохождения по ним токов, близких к порогу срабатывания электромагнитного расцепителя.

В Таблице 1 даны расчетные значения температур жил кабелей в зависимости от продолжительности короткого замыкания (при разных токах) для кабеля с медными жилами сечением 1,5 кв. мм. Кабель данного сечения повсеместно используется в осветительных групповых сетях жилых и общественных зданий.

Для вычисления температур жил кабелей использована методика расчета из ГОСТ Р МЭК 60949-2009 «Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева».

Температура жил кабеля определяется по формуле:

где, Θf — конечная температура жил кабеля о С;

Θi– начальная температура жил кабеля о С;

β – величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0 °C, К, для меди β=234,5;

K – постоянная, зависящая от материала токопроводящего элемента, А · с 1/2 /мм 2 ,для меди K=226;

t – длительность короткого замыкания, с;

S – площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм 2 ;

ISC — известный максимальный ток короткого замыкания (среднеквадратичное значение), А;

IAD=ISC/ε — ток короткого замыкания, определенный на основе адиабатического нагрева (среднеквадратичное значение), А;

ε – коэффициент, учитывающий отвод тепла в соседние элементы;

X, Y — постоянные, используемые в упрощенной формуле для жил и проволочных экранов, (мм 2 /с) 1/2 ; мм 2 /с, для кабелей с медными жилами и изоляцией из ПВХ пластиката X=0,29 и Y=0,06;

Вычисления произведены для температуры кабеля до короткого замыкания 55 градусов. Такая температура соответствует рабочему току, проходящему по кабелю до возникновения короткого замыкания порядка 0,5 – 0,7 от предельно допустимого длительного тока при температуре окружающей среды 30 – 35 градусов. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации электроустановки температура жил кабелей до короткого замыкания при проектировании электрической сети может быть изменена.

Температура медных жил кабеля с изоляцией из ПВХ пластиката град., при коротком замыкании длительностью, сек:

Источник

ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

Раздел 1. Общие правила

Глава 1.4. Выбор электрических аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания

Выбор проводников по условиям нагрева при коротком замыкании

1.4.16. Температура нагрева проводников при КЗ должна быть не выше следующих предельно допустимых значений, °С: ¶

  • медные – 300
  • алюминиевые – 200
  • стальные, не имеющие непосредственного соединения с аппаратами – 400
  • стальные с непосредственным присоединением к аппаратам – 300
Читайте также:  Электродвигатель переменного тока питается

Кабели с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение, кВ: ¶

  • до 10 – 200
  • 20-220 – 125

Кабели и изолированные провода с медными и алюминиевыми жилами и изоляцией: ¶

  • поливинилхлоридной и резиновой – 150
  • полиэтиленовой – 120

Медные неизолированные провода при тяжениях, Н/мм²: ¶

  • менее 20 – 250
  • 20 и более – 200

Алюминиевые неизолированные провода при тяжениях, Н/мм²: ¶

  • менее 10 – 200
  • 10 и более – 160
  • Алюминиевая часть сталеалюминиевых проводов 200

1.4.17. Проверка кабелей на нагрев токами КЗ в тех случаях, когда это требуется в соответствии с 1.4.2 и 1.4.3, должна производиться для: ¶

1) одиночных кабелей одной строительной длины, исходя из КЗ в начале кабеля; ¶

2) одиночных кабелей со ступенчатыми сечениями по длине, исходя из КЗ в начале каждого участка нового сечения; ¶

3) пучка из двух и более параллельно включенных кабелей, исходя из КЗ непосредственно за пучком (по сквозному току КЗ). ¶

1.4.18. При проверке на термическую стойкость аппаратов и проводников линий, оборудованных устройствами быстродействующего АПВ, должно учитываться повышение нагрева из-за увеличения суммарной продолжительности прохождения тока КЗ по таким линиям. ¶

Расщепленные провода ВЛ при проверке на нагрев в условиях КЗ рассматриваются как один провод суммарного сечения.¶

Источник

Нагрев проводников при коротком замыкании

Проводник, по которому протекает ток, нагревается, конечно, не мгновенно: по мере протекания тока в проводнике выделяется энергия, которая частично идет на нагрев проводника, а частично рассеивается в окружающее пространство.

Отдача энергии окружающему пространству нагретым телом происходит тем интенсивнее, чем выше температура тела по сравнению с температурой окружающей среды, поэтому спустя некоторое время от начала нагрева проводника наступит момент, когда количество выделяемой в проводнике энергии сравняется с энергией, рассеиваемой в окружающем пространстве.

Начиная с этого момента времени температура проводника остается постоянной. Коэффициент теплоотдачи зависит и от размеров тела и от его температуры и от его расположения.

Следует отметить, что постоянная времени нагрева (время в течение которого проводник успевает нагреться от температуры окружающей среды) фактически не постоянна, так как теплоемкость и коэффициент теплоотдачи зависят от температуры (в особенности последний). Поэтому для различных значений установившейся температуры постоянная времени нагрева будет различна.

Величина постоянной времени нагрева для обычных электротехнических изделий применяемых в электроустановках, колеблется от нескольких десятков минут до нескольких часов.

Электрическая розетка в квартире

Допустимые температуры нагрева токоведущих часте обычно диктуются свойствами той изоляции, с которой соприкасается данный проводник. Это вполне понятно, поскольку материал проводника, как правило, более теплостоек, чем материал изоляции.

Во всех случаях нагрева проводников наибольший интерес представляет максимальная температура, которая будет иметь место не на внешней поверхности изоляции, а на поверхности проводника, так как нас интересует температура изоляции, с которой он соприкасается.

Допустимые температуры в значительной степени определяются свойствами изоляции, с которой соприкасаются нагреваемые части

Однако, от этого правила есть отступления. Так, например, в контактных соединениях громадную роль играют окислы, которых образуется тем больше, чем выше температура контактов. Поэтому для таких элементов аппаратов максимум допустимой температуры может диктоваться уже не изоляцией, находящейся вблизи контакта, а условиями работы самого контакта.

Токоведущие неизолированные части (но не контактные соединения) допускают более высокий нагрев, чем изолированные проводники. Величину допустимой для них температуры определяют, главным образом, два фактора:

окисление этих проводников ;

механическая прочность их при коротком замыкании.

Для одних и тех же проводников с одной и той же изоляцией допустимые температуры различны в зависимости от условий использования их.

Подробнее о том, как определяется длительно допустимый ток проводов и кабелей мы уже ранее рассматривали в этой статье: От чего зависит длительно допустимый ток кабеля

Читайте также:  Что происходит с электронами металла если в нем возникает электрический ток

Длительность короткого замыкания не может быть большой, так как это режим аварийный и зашита электроустановок направлена к возможно быстрому отключению короткозамкнутого участка цепи. В зависимости от выдержки времени защитных реле длительность короткого замыкания колеблется в пределах от нескольких десятых (реже — сотых) секунды до нескольких секунд (смотрите — Как выполняется защита электропроводки от перегрузки и коротких замыканий).

Автоматические выключатели для защиты от короткого замыкания в электрощите

При коротком замыкании допускается в два-три раза более высокая температура проводников, чем при нормальной работе, следовательно, теплоотдача с поверхности проводника возрастает не на много, в то же время величина тока короткого замыкания, по сравнению с нормальным током, возрастает в десятки раз, а потери в проводнике — в сотни раз.

Отсюда следует, что при коротком замыкании количество энергии, отводимой с поверхности проводника за счет охлаждения, составляет незначительную величину от потерь в проводнике.

Возгорание электрической розетки из-за короткого замыкания

Возьмем формулу Ньютона

и перепишем ее в форме

В числителе этой формулы стоят потери в проводнике, в знаменателе — отвод тепла с поверхности проводника. При нормальной работе и установившемся тепловом режиме эти две величины равны друг другу. При коротком замыкании знаменатель увеличится в три-четыре раза. Но величина тока короткого замыкания составляет 10 — 20-кратную величину от нормального тока и, следовательно, числитель рассматриваемой дроби увеличится в 100 — 400 раз.

Таким образом, если при нормальном режиме теплоотдача с поверхности проводника составляла 100 % с от величины потерь в проводнике, то при коротком замыкании теплоотдача будет составлять 1 — 3% от потерь в проводнике.

Это обстоятельство дает право вычислять перегрев проводника при коротком замыкании, не считаясь с энергией отводимой от проводника за счет охлаждения, т. е. дает право предполагать, что вся энергия, выделенная в проводнике при коротком замыкании идет на повышение его температуры (адиабатический процесс). Ошибка при таком допущении будет тем меньше, чем больше потери в проводнике по сравнению с теплоотдачей с его поверхности.

Кроме того, при коротком замыкании считается худшим случаем, когда замыкание случилось после того, как проводник или аппарат (или его часть) до этого длительно работали в номинальном режиме.

Ток короткого замыкания в цепи переменного тока помимо периодической (переменной) слагающей содержит также апериодическую (постоянную) слагающую.

Максимальное значение апериодической слагающей тока получается тогда, когда цепь замыкается в момент прохода напряжения через ноль. В этом случае ток короткого замыкания получается наибольшей величины. Апериодическая и периодическая слагающие тока короткого замыкания затухают по времени, первая быстро, вторая медленно.

Недопустить перегрева проводов и кабелей при коротком замыкании можно правильно выбрав марку и их сечение и обеспечив правильную защиту электросети с помощью автоматических выключателей. Также нужно соблюдать меры, обеспечивающие пожарную безопасность электропроводки во время эксплуатации электропроводки и электроприборов.

Выбор сечения кабеля:

Меры, обеспечивающие пожарную безопасность электропроводки:

Обычно за время короткого замыкания величина тока меняется, вместе с тем по мере увеличения температуры проводника меняются удельное сопротивление материала проводника и его теплоемкость.

Задаваясь длительностью короткого замыкания и допустимой температурой перегрева при коротком замыкании можно определить допустимую плотность тока.

Определенная таким образом величина тока носит название тока термической устойчивости. Эта техническая величина чаще всего используется при конструировании, расчете и выборе различных электрических аппаратов и токоведущих шин на трансформаторных подстанциях.

Оборудование комплектной трансформаторной подстанции

Термическая устойчивость относится к определенному времени (заданному при его определении). Различные предприятия и различные государственные нормы предусматривают отличные друг от друга величины расчетного времени, к которому следует отнести ток термической устойчивости.

По нормам принят десятисекундный ток термической устойчивости. Это означает, что при расчете допустимого тока короткого замыкания время длительности тока принимают равным 10 сек. Пользуются также и односекундным и пятисекундным токами термической устойчивости. В действительности, конечно, перегрев аппарата от тока короткого замыкания определяется не произведением тока на время, а произведением квадрата тока на время.

Смотрите также другие полезные статьи по этой теме:

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Термическое действие — ток — короткое замыкание

Термическое действие тока короткого замыкания заключается в нагреве как токоведущих частей, так и контактов работающего выключателя. В отличие от условий нагрева, имеющих место при длительном протекании рабочего тока, когда часть тепла, выделяемого в токоведущих частях выключателя, передается в окружающее пространство, в данном случае вследствие кратковременности прохождения тока короткого замыкания ( не более нескольких секунд), все выделяемое тепло практически расходуется на нагрев токоведущих частей. [1]

Читайте также:  Значение силы синусоидального переменного тока

Термическое действие тока короткого замыкания заключается в нагреве как токоведущих частей, так и контактов работающего аппарата. В отличие от условий нагрева, имеющих место при длительном протекании рабочего тока, когда часть тепла, выделяемого в токоведущих частях аппарата, передается в окружающее пространство, в данном случае вследствие кратковременности прохождения тока короткого замыкания ( не более нескольких секунд) все выделяемое тепло практически расходуется на нагрев токоведущих частей. [2]

Термическое действие тока короткого замыкания или соответствующего испытательного тока определяется его эффективным значением и временем прохождения тока, а динамическое действие — в основном величиной ударного тока. При испытании на устойчивость к действию токов короткого замыкания производят 10 включений испытательного тока подряд с интервалами между включениями по 5 мин. [3]

Это вызывается термическим действием токов короткого замыкания при недостаточном давлении ( нажатии) подвижных контактов на неподвижные или при их заниженной контактной поверхности. [5]

Для суждения о способности того или иного аппарата выдерживать термическое действие тока короткого замыкания ( термическая устойчивость аппарата) необходимо, очевидно, знать не только величину этого тока, но и время его прохождения или, иначе говоря, знать общее количество выделенного тепла, которое пропорционально произведению квадрата тока на время его прохождения. Это время, в свою очередь, зависит от уставки времени защитных реле, подающих команду на отключение участков цепи, на которых возникло короткое замыкание; оно может колебаться в пределах от десятых долей секунды до нескольких секунд. [6]

К контактам разъединителя предъявляется требование, чтобы они в результате термического действия тока короткого замыкания не выходили из строя, а оставались работоспособными. Что касается других элементов токоведущей системы, то чрезмерный нагрев может вызвать уменьшение их механической прочности, окисление и пр. Стандартом ( ГОСТ 689 — 55) установлены предельные температуры для токоведущих частей разъединителей при кратковременном нагреве их токами короткого замыкания, а именно, для неизолированных ( голых) или соприкасающихся с керамической изоляцией: а) из меди и ее сплавов — 300 С; б) из алюминия — 200 С; в) из стали — 400 С. [7]

Наиболее частые повреждения переключателей — оплавление или полное выгорание контактных поверхностей, вызываемое термическим действием токов короткого замыкания при недостаточном давлении ( нажатии) подвижных контактов на неподвижные или при неполном их соприкосновении между собой. [8]

Под термической стойкостью аппарата понимают его способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов короткого замыкания определенной длительности . [9]

Под термической устойчивостью аппарата понимают его способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов короткого замыкания определенной длительности . [10]

Термической стойкостью электрического аппарата называется способность аппарата выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей нормальной работе, термическое действие токов короткого замыкания , протекающих в течение определенного промежутка времени. [12]

Таким образом, к контактам выключателя предъявляется требование, выражающееся в том, чтобы они в результате термического действия тока короткого замыкания не выходили из строя, а оставались работоспособными. [13]

Сварные соединения алюминиевых шин обеспечивают высокую надежность, не требуют практически никакого обслуживания при эксплуатации, устойчивы к динамическим и термическим действиям токов короткого замыкания и вибрационным нагрузкам. [14]

Сварные соединения алюминиевых шин обеспечивают высокую надежность, не требуя практически никакого обслуживания в процессе эксплуатации, устойчивы к динамическим и термическим действиям токов короткого замыкания и вибрационным нагрузкам. Кроме того, сварные соединения шин по сравнению с болтовыми значительно повышают производительность труда при монтаже шин, имеют меньшую стоимость, позволяют избежать применения дефицитных метизов, обеспечивают экономию электроэнергии за счет исключения тепловых потерь в переходном контакте, дают экономию материала шин. Поэтому сварка шин при монтаже электротехнических установок применяется без ограничений, за исключением тех мест, где по условиям монтажа или эксплуатации требуются разъемные соединения. [15]

Источник