Электрическая дуга. Отключение однофазной цепи переменного тока (стр. 4 )

4.2.3. Охлаждение проводников

При отключении тока прекращается подвод энергии к проводнику, и, начиная с момента отключения, проводник будет охлаждаться. Основное уравнение теплового баланса для этого случая

Cdθ + kF(θ– θ0)dt = 0 (6)

Решением уравнения (4.6) является

(7)

Как видно из рис.1б, кривая охлаждения есть та же кривая нагрева, но обращенная выпуклостью к оси абсцисс. Постоянная времени нагрева также может быть получена из кривой охлаждения.

Нагрев проводников при коротких замыканиях

При возникновении короткого замыкания токи КЗ превышают рабочие токи во много раз и, следовательно, будут дополнительно нагревать проводники сверх температур, достигнутых к моменту наступления КЗ. Длительность существования КЗ ограничена действием релейной защиты и составляет доли секунды или несколько секунд. Повышение температуры будет при этом кратковременным – пиковым, после чего температура падает в связи с отключением цепи. Несмотря на кратковременность КЗ температура проводников может достигнуть больших и опасных значений.

Исследования работы неизолированных проводников и шин [1] показали, что нагрев их при КЗ ограничивается в большинстве случаев снижением их механической прочности. Однако при кратковременном нагреве снижение механической прочности начинается при большей температуре, чем при длительном нагреве. Поэтому при кратковременном нагреве токами КЗ допускаются значительно более высокие температуры, чем при длительном нагреве в условиях нормального режима. Нормируемые допустимые температуры нагрева (θК. ДОП.,0С) проводников при КЗ [2, табл. 1.14]:

Шины медные 300

Шины алюминиевые 200

Шины стальные, не имеющие непосредственного

соединения с аппаратом 400

То же, с непосредственным присоединением

к аппаратам 300

Кабели с бумажно-пропитанной изоляцией

до 10 кВ с медными и алюминиевыми жалами 200

Ввиду кратковременности процесса теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь и считать, что все выделяющееся тепло в проводнике идет только на нагрев самого проводника. Тогда уравнение нагрева будет следующим [3]:

i2кt Ra(θ)dt = C(θ)dθ,

(8)

где iкt – мгновенное значение тока КЗ, А;

Так как проводник при КЗ нагревается до значительных температур, необходимо учитывать изменения активного сопротивления и теплоемкости проводника в процессе нагрева. При этом активное сопротивление и теплоемкость можно определить по формулам:

 

(9)

где: R0 – удельное сопротивление проводника, Ом∙м; С0 – удельная теплоемкость, Дж/кг 0С; α, β – температурные коэффициенты, учитывающие изменение удельного сопротивления и удельной теплоемкости соответственно; S – площадь поперечного сечения проводника, м2; l – длина проводника, м; γ – удельная масса проводника, кг/м3.

Подставим (4.9) в (4.8) и, разделив переменные (влево переносим переменные, зависящие от t, вправо – зависящие от θ), проинтегрируем левую часть в пределах от нуля до tОТКЛ, а правую от θH до θК:

 

(10)

После интегрирования имеем:

 

(11)

где АК – функция, зависящая от материала проводника, соответствующая конечной температуре нагрева θК , А2 . с/м4, определяется по кривым рис.2;

АН – то же, соответствующая начальной температуре нагрева, определяется также по кривым рис.2;

 

интеграл Джоуля, А2 .с, численно равный количеству энергии, выделенной током в проводнике с сопротивлением в 1 Ом в течение времени отключения tОТКЛ.

Методы определения интеграла Джоуля ВК подробно изложены в работе [3, с. (48 - 56)]. В случае удаленного КЗ установку можно рассматривать как электроустановку, питаемую от источника неограниченной мощности (SС = ∞), то интеграл Джоуля допустимо определять по выражению

ВК = I2ПО(tОТКЛ + Та), (12)

где Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

В случаях, когда tОТК > 1с, доля энергии, выделенной апериодической составляющей тока КЗ, в общем, балансе невелика, и ею можно пренебречь, а интеграл Джоуля определять по упрощенному выражению ВК ≈ I2ПО tОТКЛ. Для определения конечной температуры нагрева проводника при КЗ QК следует вычислять значение АК:

(13) По найденному значению АК с использованием кривой, соответствующей материалу проводника (рис.2), определяют значение θК. Проводник термически стоек, если соблюдается условие θK ≥ θК. доп.

12. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Турбогенераторы.

Турбогенератор (ТГ) – быстроходная горизонтальная электрическая машина с неподвижным статором и вращающимся цилиндрическим неявнополюсным ротором, приводимым во вращение паровой турбиной. Частота вращения двухполюсных машин – 3000 об/мин; четырехполюсных (для АЭС) – 1500 об/мин (n∙p = 60∙f). Мощность ТГ – от 2.5 до 1200 МВт. Предельная мощность двухполюсных машин 1300 - 1500 МВт, а четырехполюсных – 2000 – 2500 МВт. UНОМ = 6.3 – 24 кВ; IНОМ =0.35 – 32 кА; Cos φ = 0.8 – 0.9; ζ = 95.8 – 99.03 %; масса ротора от 3.5 до 100 т; общая масса ТГ без возбудителя и фундаментных плит – от 16 до 600 т.

Статор – имеет стальной корпус, закрытый с торцов стальными щитами. Сердечник статора - из отдельных пакетов листовой стали (0.5 мм), изолированных лаком, и имеющих форму сегмента (см. рис.). Сталь – горячекатаная при РГ ≤ 100 МВт и холоднокатаная электротехническая при РГ > 100 МВт. Последняя позволяет уменьшить потери и размеры сердечника и расход меди.

Обмотка. В пазах сердечника статора современных ТГ уложена двухслойная стержневая петлевая обмотка, которая состоит верхних и нижних стержней, соединяемых в лобовых частях пайкой. Поверхностный эффект – стержни из проводников небольшого сечения. Проводники - сплошные и трубчатые из электротехнической меди изолированные двойным тонким асбестовым или стекловолокнистым покрытием. Для изоляции стержней используют непрерывную компаундную изоляцию класса В. В последнее время – более тонкая термореактивная изоляция класса В с повышенными механическими и термическими свойствами.

Ротор – цельнокованый из высоколегированной стали, установлен на двух подшипниках скольжения; смазка – маслом принудительная. На поверхности бочки ротора выфрезерованы пазы, в которую укладывают обмотку возбуждения. Пазы закрыты клиньями из высокопрочных не магнитных материалов: немагнитная сталь, бронза, дюралюминий. Лобовые части – бандажные кольца (каппы) выполняют из немагнитной высокопрочной (аустенитной) стали или титана.

Обмотка. Для обмотки ротора используется электролитическая медь, а в крупных ТГ – медь с присадкой серебра (0.03-0.1%). Стержни – из проводников более крупного сплошного или профильного сечения с вентиляционными каналами. Изоляция – миканит, стекло, термореактивные лаки и эпоксидные смолы.

РНОМ, МВт	L ротора, м	Диаметр ротора, м	Отношение длины к диаметру
150 200 300 500 1200	3.95 4.35-5.1 5.8-6.1 6.2-6.35 8.0	1.0 1.075 1.075-1.12 1.12 1.25	3.95 4.05-4.75 5.4—5.45 5.5-5.65 6.4

ТФП(Г)-80-2(Е)У(Т)3

Т или ТГ – турбогенератор.

В – водородное или водяное или водородно-водяное охлаждение, ВВ - водородно-водяное охлаждение, ВМ – водомасляное охлаждение, 3В – полное водяное охлаждение.

П (или ее отсутствие) или Г – для паровых или газовых турбин.

80 – номинальная мощность ТГ в МВт.

2 – число полюсов, Е – единая унифицированная серия, У или Т – умеренный или тропический климат, 3 - закрытое помещение с естественной вентиляцией.

Гидрогенераторы.

Гидрогенератор (ГГ) – тихоходные эл. машины (n = 50 – 600 об/мин). Частота вращения гидротурбин зависит от напора и расхода воды в створе реки. ГГ малой мощности –горизонтальные, остальные – вертикальные.

Вертикальные ГГ – один опорный подшипник (подпятник) – общий для всего гидроагрегата турбина-генератор. Подпятник воспринимает вес турбины, ротора ГГ и вертикальную реакцию воды. Подпятник расположен на опорной крестовине. Радиальные усилия воспринимают два направляющих подшипника. В ГГ подвесного типа – подпятник над ротором в верхней крестовине, это увеличивает механическую устойчивость, более свободный доступ к подпятнику. В ГГ зонтичного типа – подпятник под ротором в нижней опорной крестовине, что позволяет уменьшит массу агрегата, снизить его высоту и высоту здания. ГГ подвесного типа – более быстроходные, зонтичного типа – более тихоходные. Мощность ГГ – от 8 до 700 МВт. UНОМ = 3.15 – 20 кВ; IНОМ =0.6 – 22 кА; масса ротора от 30 до 890 т; общая масса – от 01.01.01 т; диаметром ротора от 5 до 16 м.