Объяснение стойкости шин к короткому замыканию: стандарты Icw, Ipk и IEC

Контент

1 Что на самом деле измеряет рейтинг устойчивости к короткому замыканию
- 1.1 Кратковременный выдерживаемый ток (Icw)
- 1.2 Пиковый выдерживаемый ток (Ipk)
2 Почему рейтинг решает разницу между неисправностью и катастрофой
3 Как проверяется рейтинг: стандарты, типовые испытания и честные данные
4 Что определяет, какой ток короткого замыкания может выдержать шина
5 Как правильно определить номинал стойкости к короткому замыканию
6 Часто задаваемые вопросы о стойкости к короткому замыканию

Когда шина прибывает на объект, на паспортной табличке указана группа значений, которые выглядят простыми, но их легко прочитать неправильно: Icw = 50 кА/1 с, Ipk = 105 кА. Если вы инженер, отвечающий за подстанцию, или системный интегратор, покупающий шинопровод, этот рейтинг устойчивости к короткому замыканию показывает, выдержит ли проводник повреждение или выйдет из строя в первом полупериоде. Короче говоря, номинал определяет максимальное напряжение короткого замыкания, которое шина может выдержать без остаточной деформации, нарушения изоляции или повреждения соединений. Как только вы поймете два значения, Icw и Ipk, весь рейтинг станет инженерным инструментом, а не номером в таблице данных.

Что на самом деле измеряет рейтинг устойчивости к короткому замыканию

Короткое замыкание пропускает через шину ток, который может в десятки раз превышать номинальный ток. Шинопровод должен выдерживать одновременно два различных воздействия: нагрев от тока и механическое воздействие между проводниками. Таким образом, каждый полный рейтинг содержит два значения.

Кратковременный выдерживаемый ток (Icw)

Icw — это среднеквадратичное значение тока, который шина может выдерживать в течение установленного периода времени (обычно 1, 3 или 4 с), не превышая максимально допустимую температуру. Тепловой эффект следует за I²t, что означает, что одинаковое повышение температуры может быть вызвано малым током в течение длительного времени или большим током в течение короткого времени. Для закупок продолжительность так же важна, как и сам ток.

Пиковый выдерживаемый ток (Ipk)

Ipk – наибольшее мгновенное значение тока в первом полупериоде повреждения. Этот пик создает электродинамическую силу между фазами шины, и эта сила пропорциональна квадрату тока. Среднеквадратичное повреждение 50 кА на первом пике ведет себя как удар молотком, а не как постоянная нагрузка. Стандарты определяют связь между Ipk и Icw с коэффициентом n.

Коэффициент n из МЭК 61439-1 соединяет Ipk с Icw при частоте 50 Гц.
Номинальный кратковременно выдерживаемый ток Icw	Пиковый коэффициент n (Ipk / Icw)
10 кА < Icw ≤ 20 кА	2.0
20 кА < Icw ≤ 50 кА	2.1
50 кА < Icw ≤ 100 кА	2.2

Поэтому для шины 50 кА/1 с пиковый выдерживаемый ток обычно составляет 105 кА. Если установка имеет высокий коэффициент асимметрии, фактический первый пик может быть выше, поэтому пиковое значение необходимо сверять с расчетом сети, а не предполагать.

Почему рейтинг решает разницу между неисправностью и катастрофой

Выбор шины со слишком низкой стойкостью к короткому замыканию является одной из самых опасных ошибок при электротехническом проектировании, поскольку отказ появляется только в условиях неисправности, когда исправлять уже поздно.

Термический эффект проявляется мгновенно. При коротком замыкании тепло выделяется быстрее, чем успевает рассеиваться, поэтому проводник нагревается практически адиабатически. За одну секунду температура проводника, начинающаяся с 65 °С, может достигать 200 °C и более, в зависимости от плотности тока. Болтовые соединения являются самым слабым звеном: при высокой температуре давление болта ослабевает, контактное сопротивление возрастает, и соединение может выйти из строя, даже если видимый проводник выглядит неповрежденным.

Механический эффект еще более драматичен. Два параллельных проводника шины на расстоянии 100 мм друг от друга, по которым протекает пиковый ток 100 кА, испытывают силу примерно 20 000 Н на метр, что эквивалентно подвешиванию двухтонного груза на каждый метр шины. Изгиб, растрескивание изолятора и межфазные дуги являются типичными результатами превышения номинальных значений. Результат – не мелкий ремонт; это полная замена секции и продолжительный простой.

Типовые проектные требования к кратковременно выдерживаемым токам по классам напряжения; продолжительность варьируется от 1 с до 4 с.

Как проверяется рейтинг: стандарты, типовые испытания и честные данные

Рейтинг короткого замыкания имеет ценность только тогда, когда он подкреплен доказательствами. Международным стандартом для низковольтных сборок является IEC 61439-1, который определяет порядок проверки Icw и Ipk. Для шинных систем среднего и высокого напряжения испытания проводятся в соответствии с соответствующими стандартами на распределительные устройства и шины.

Общие стандарты, используемые для проверки систем шин на короткое замыкание.
Стандартный	Область применения	Соответствие шине
IEC 61439-1	Низковольтные распределительные устройства и устройства управления	Определяет Icw, Ipk и процесс проверки проекта.
МЭК/ТР 61641	Закрытые низковольтные сборки	Испытание внутреннего дугового замыкания для закрытых шинопроводов
ГБ/Т 7251,1	Низковольтные сборки в Китае	Национальная реализация в соответствии со стандартом IEC 61439.
IEEE C37.23	Металлический автобус	Требования к короткому замыканию и повышению температуры для станционного автобуса

МЭК 61439 допускает три способа проверки: типовые испытания в лаборатории высокой мощности, проверку конструкции расчетом или сравнение с эталонной конструкцией. При типовом испытании шина пропускает полный номинальный кратковременный ток в течение установленного времени, а после испытания повторно измеряется повышение температуры. Испытанное расположение, включая расстояние между проводниками, расстояние между опорами и корпус, должно соответствовать поставляемому изделию.

Когда вы сравниваете предложения конкурентов, попросите отчет о типовом испытании и проверьте три вещи: текущее значение, продолжительность и настройку тестирования. Отчет для другого расстояния между проводниками или другого пролета опоры ничего не доказывает о вашей конфигурации.

Что определяет, какой ток короткого замыкания может выдержать шина

Рейтинг, напечатанный на этикетке, является результатом конкретного дизайнерского решения. Наибольшее значение имеют четыре фактора.

Материал и сечение проводника. Медь имеет более низкое удельное сопротивление и более высокую теплоемкость, поэтому она поглощает больше тепла при том же повышении температуры. Алюминиевый сплав требует большего сечения для того же Icw, поэтому в высоковольтных трубчатых шинах используются трубки большого диаметра.
Форма проводника и расстояние между опорами. Электродинамическая прочность зависит от момента сопротивления сечения проводника и расстояния между опорами. Трубчатый проводник обладает большим моментом инерции и лучше сопротивляется изгибу, чем плоский стержень той же площади.
Совместное качество. Болтовые соединения обычно являются ограничивающей точкой. Площадь контакта, покрытие и момент затяжки болтов определяют, останется ли сопротивление соединения низким после сильноточного повреждения.
Система изоляции. Для полностью изолированных шин и шин с литой изоляцией изоляционный материал определяет максимально допустимую температуру во время повреждения. Литье эпоксидной смолы обеспечивает определенный температурный предел, тогда как изоляция на основе каучука ведет себя по-разному при той же температуре.

Иллюстративное повышение температуры проводника при постоянной плотности тока; более крутая кривая алюминия объясняет, почему для высоких требований Icw требуется большее поперечное сечение.

Это практическая инженерия, лежащая в основе номинала: производитель не может повысить класс стойкости к короткому замыканию, просто изменив маркировку. Для этого требуется либо больше проводникового материала, либо более прочная опорная система, либо лучшая конструкция соединения, либо комбинация всех трех факторов.

Как правильно определить номинал стойкости к короткому замыканию

Правильный рейтинг — это не самое высокое число на рынке; это значение, соответствующее ожидаемому току короткого замыкания в точке установки, настройкам защиты и напряжению системы. В большинстве проектов работает следующий процесс:

Узнайте предполагаемый уровень неисправности у коммунального предприятия или инженера-проектировщика сети в точке подключения.
Выбирайте Icw так, чтобы он не был ниже расчетного тока повреждения, с дополнительным запасом для будущего расширения.
Подтвердите продолжительность: низковольтные шины обычно рассчитаны на 1 с, поскольку автоматические выключатели отключаются быстро, тогда как в системах среднего напряжения часто используется ток 31,5 кА/4 с для обеспечения координации защиты.
Сверьте Ipk с расстоянием между опорами: механическая прочность зависит от расстояния между опорами, а не только от самого проводника.
Сравните отчеты типовых испытаний, а не номера технических характеристик, и убедитесь, что протестированная конфигурация соответствует вашей установке.

Для распределения низкого напряжения компактные конструкции шинопроводов с высокой плотностью сохраняют высокий Icw в небольшом поперечном сечении, что важно в центрах обработки данных и промышленных зданиях, где пространство ограничено. На диаграмме ниже показано типичное сочетание классов Icw, встречающееся в проектах низковольтных автобусных линий.

50 кА/1 с — 45 %
100 кА/1 с — 20 %
30 кА/1 с — 15 %
65 кА/1 с — 12 %
80 кА/1 с — 8%

Показательная доля спецификаций проектов низковольтных шинопроводов по классам Icw, основанная на обычных запросах промышленных предприятий и центров обработки данных.

Когда проекту необходим проверенный компактный шинопровод с высоким рейтингом отказов, компактную систему шинопроводов с проверенными соединениями стоит сравнить с традиционными конструкциями.

Compact Cast-Resin Busway for Low-Voltage Distribution

Компактная шинопровод из литой смолы для распределения низкого напряжения В этой низковольтной шинопроводе из литой смолы используется плотная компоновка и эпоксидная изоляция для экономии места при выдерживании токов от 400 А до 5000 А. Проверенные соединения делают ее практичным вариантом при сравнении конструкций шинопроводов, рассчитанных на отказ. Посмотреть продукт →

При среднем напряжении полностью изолированная трубчатая шина, отлитая из эпоксидной смолы, уменьшает расстояние между фазами и обеспечивает определенный предел изоляции во время короткого замыкания, что делает расчет стойкости более предсказуемым.

Epoxy-Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Трубчатая шина, отлитая из эпоксидной смолы, со встроенной изоляцией Эта полностью изолированная трубчатая шина изготовлена методом автоматического вакуумного литья, что обеспечивает бесшовную структуру проводника и экрана. Определенное поведение изоляции помогает инженерам прогнозировать устойчивость к короткому замыканию при среднем напряжении. Посмотреть продукт →

На подстанциях сверхвысокого напряжения диаметр проводника, толщина стенки и опорный пролет высокопрочных трубчатых шин из алюминиевого сплава выбираются исходя как из номинального тока, так и из силы короткого замыкания. Если вы находитесь на этапе выбора, то, как правильно выбрать шину для систем среднего и низкого напряжения, охватывает практические компромиссы.

High-Strength Aluminum-Alloy Tubular Busbar for EHV

Высокопрочная трубчатая шина из алюминиевого сплава для сверхвысокого напряжения Эта шина из магниево-алюминиевого сплава, предназначенная для систем напряжением от 220 до 1000 кВ, сочетает в себе высокую механическую прочность и надежную проводимость. Анализ рейтингов отказоустойчивости и отчетов о типовых испытаниях способствует уверенному выбору подстанций сверхвысокого напряжения. Посмотреть продукт →

Поделитесь исследованием уровня неисправностей с командой инженеров и запросите соответствующий отчет о типовых испытаниях до начала производства.

Часто задаваемые вопросы о стойкости к короткому замыканию

В чем разница между Icw и Ipk?

Icw — среднеквадратичный ток, который шина может выдерживать в течение установленного времени без перегрева. Ipk — пиковое значение первого цикла повреждения, создающего механическую силу. Шина 50 кА/1 с обычно имеет Ipk 105 кА при 50 Гц.

Почему в одних номиналах указано 50 кА/1 с, а в других 31,5 кА/4 с?

Разница заключается в продолжительности. Одна секунда подходит для низковольтных систем с быстродействующими выключателями. Четыре секунды обычно используются в системах среднего напряжения, где координация защиты может задержать срабатывание. Удвоение продолжительности удваивает нагрев I²t, поэтому сечение проводника должно быть больше.

Можно ли повторно использовать шину после реального короткого замыкания?

Шину, подвергшуюся повреждению, следует осмотреть, даже если она выглядит неповрежденной. Сначала проверьте болтовые соединения, поверхности изолятора и опоры. Если возникла дуга, замените поврежденные участки изоляции, поскольку свойства материала могут навсегда измениться.

Всегда ли более высокий класс стойкости к короткому замыканию стоит дороже?

Не пропорционально. Увеличение поперечного сечения проводника повышает номинал, но лучшая конструкция соединения или более плотное расположение опор могут повысить выдерживаемую способность при меньшем количестве материала. Сравнивайте проверенную конфигурацию, а не только этикетку.

Номинальная устойчивость к короткому замыканию — это единственное число, которое отличает шину, которая остается в эксплуатации после неисправности, от шины, которая исчезает из проекта в течение одного цикла. Прочтите полное значение, включая продолжительность и пиковый ток, и запросите отчет о типовых испытаниях. Если уровень неисправности на месте превышает номинальный, последствия не являются теоретическими, поэтому перед началом производства уточните спецификацию у производителя.