Расчет токов короткого замыкания
Расчет токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора аппаратуры и проверки элементов электроустановок (шин, изоляторов, кабелей и т. д.) на электродинамическую и термическую устойчивость, а также уставок срабатывания защит и проверки их на чувствительность срабатывания. Расчетным видом КЗ для выбора или проверки параметров электрооборудования обычно считают трехфазное КЗ. Однако для выбора и проверки уставок релейной защиты и автоматики требуется определение и несимметричных токов КЗ.
Расчет токов КЗ с учетом действительных характеристик и действительных режимов работы всех элементов системы электроснабжения сложен.
Поэтому для решения большинства практических задач вводят допущения, которые не дают существенных погрешностей:
— трехфазная сеть принимается симметричной;
— не учитываются токи нагрузки;
— не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;
— не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;
— не учитываются токи намагничивания трансформаторов.
В зависимости от назначения расчета токов КЗ выбирают расчетную схему сети, определяют вид КЗ, местоположение точек КЗ на схеме и сопротивления элементов схемы замещения. Расчет токов КЗ в сетях напряжением до 1000 В и выше имеет ряд особенностей, которые рассматриваются ниже.
При определении токов КЗ используют, как правило, один из двух методов:
— метод именованных единиц – в этом случае параметры схемы выражают в именованных единицах (омах, амперах, вольтах и т. д.);
— метод относительных единиц – в этом случае параметры схемы выражают
в долях или процентах от величины, принятой в качестве основной (базисной).
Метод именованных единиц применяют при расчетах токов КЗ сравнительно простых электрических схем с небольшим числом ступеней трансформации.
Метод относительных единиц используют при расчете токов КЗ
в сложных электрических сетях с несколькими ступенями трансформации, присоединенных к районным энергосистемам.
Если расчет выполняют в именованных единицах, то для определения токов КЗ необходимо привести все электрические величины к напряжению ступени, на которой имеет место КЗ.
При расчете в относительных единицах все величины сравнивают с базисными, в качестве которых принимают базисную мощность одного трансформатора ГПП или условную единицу мощности, например 100 или 1000 МВА.
В качестве базисного напряжения принимают среднее напряжение той ступени, на которой произошло КЗ (Uср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ). Сопротивления элементов системы электроснабжения приводят к базисным условиям в соответствии с табл. 3.1.
Средние удельные значения индуктивных сопротивлений воздушных и кабельных линий электропередачи
| Линия электропередачи | xуд, Ом/км |
| Одноцепная воздушная линия, кВ: | |
| 6−220 | 0,4 |
| 220−330 (при расщеплении на два провода в фазе) | 0,325 |
| 400−500 (при расщеплении на три провода в фазе) | 0,307 |
| 750 (при расщеплении на четыре провода в фазе) | 0,28 |
| Трехжильный кабель, кВ: | |
| 6−10 | 0,08 |
| 0,12 | |
| Одножильный маслонаполненный кабель 110−220 кВ | 0,16 |
Расчет токов КЗ начинают с составления расчетной схемы электроустановки. На расчетной схеме указываются все параметры, влияющие на величину тока КЗ (мощности источников питания, средне номинальные значения ступеней напряжения, паспортные данные электрооборудования), и расчетные точки, в которых необходимо определить токи КЗ. Как правило, это сборные шины ГПП, РУ, РП или начало питающих линий. Точки КЗ нумеруют в порядке их рассмотрения начиная с высших ступеней.
По расчетной схеме составляется электрическая схема замещения. Схемой замещения называется схема, соответствующая по своим параметрам расчетной схеме, в которой все электромагнитные (трансформаторные) связи заменены электрическими. На рис. 3.1 приведен пример расчетной схемы, а на рис. 3.2 – соответствующая ему схема замещения.
При составлении схемы замещения для электроустановок выше 1000 В учитывают индуктивные сопротивления электрических машин, силовых трансформаторов и автотрансформаторов, реакторов, воздушных и кабельных линий. Средние удельные значения индуктивных сопротивлений воздушных и кабельных линий электропередачи приведены в табл. 3.2. Активные сопротивления учитывают только для воздушных линий с проводами небольшого сечения и со стальными проводами, а также для протяженных кабельных линий с небольшим сечением.
Активное сопротивление трансформаторов учитывают в случае, когда среднее номинальное напряжение ступени, где находится точка короткого замыкания, В и мощность трансформатора кВА или питающая и отходящая линии выполнены из стальных проводов.
| Рис. 3.1. Расчетная схема | Рис. 3.2. Схема замещения |
После составления схемы замещения необходимо определить ее параметры. Параметры схемы замещения определяются в зависимости от выбранного метода расчета токов КЗ в именованных или относительных единицах. Формулы для определения параметров схемы замещения приведены в табл. 3.2.
Далее схему замещения путем постепенного преобразования (последовательное и параллельное сложение, преобразование треугольника в звезду и др.) приводят к простейшему виду так, чтобы источник питания был связан с точкой КЗ одним результирующим сопротивлением. Преобразования схемы замещения производятся для каждой точки КЗ отдельно.
Расчетные выражения для определения приведенных значений сопротивлений
| Элемент электроустановки | Исходный параметр | Именованные единицы, Ом | Относительные единицы, о. е. |
| Генератор (G) | ; , МВ?А | ||
| , %; , МВ?А | |||
| Энергосистема (С) | Sк, МВ?А | ||
| Iоткл.ном, кА | |||
| ; , МВ?А | |||
| Трансформатор (Т) | uк, % Sном. т, МВ?А | ||
| Автотрансформатор и трехобмоточный трансформатор (Т) (схема замещения – звезда) | uк,В−С, %; uк,В−Н, %; uк,С−Н, %; , МВ?А | ; ; | ; ; |
Окончание табл. 3.2
| 2 | |||
| Трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения (Т) | Uк,В−Н, %; Sном. т, МВ?А | ; | ; |
| Синхронные и асинхронные электродвигатели, компенсаторы (М) | ; Sном. М, МВ?А | ||
| Реактор (LR) | xном.LR, Ом | ||
| Линия электропередачи (W) | xуд, Ом/км; l, км | ||
| Примечание: Sном – номинальные мощности элементов (генератора, трансформатора, энергосистемы), МВ?А; Sб – базисная мощность, МВ?А; Sк – мощность КЗ энергосистемы, МВ?А; Iоткл. ном – номинальный ток отключения выключателя, кА; х*ном. С − относительное номинальное сопротивление энергосистемы; uк % − напряжение КЗ трансформатора; Iб – базисный ток, кА; Uср – среднее напряжение в месте установки данного элемента, кВ; xуд – индуктивное сопротивление линии на 1 км длины, Ом/км; l – длина линии, км |
Зная результирующее сопротивление до точки КЗ, по закону Ома определяют токи КЗ [8].
При расчете в именованных единицах:
где − ток КЗ, приведенный к базисной ступени напряжения; Uб – напряжение базисной ступени напряжения; Zрез – полное сопротивление (если учитываются индуктивные и активные сопротивления) от источника питания до точки КЗ.
Если напряжение ступени КЗ отличается от напряжения, принятого при расчете за базисное напряжение, полученный ток КЗ необходимо привести к реальному напряжению ступени КЗ по выражению:
где Uсрн – напряжение ступени КЗ.
При расчете в относительных единицах:
где – базисный ток той ступени, на которой определяют ток КЗ; Zрез – полное приведенное сопротивление от источника питания до точки КЗ; Sб – базисная мощность.
При расчете токов КЗ в большинстве случаев требуется знать следующие значения:
– начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (сверхпереходной ток);
Iу – действующее значение полного тока КЗ за первый период;
Расчет токов короткого замыкания для начинающих электриков
При проектировании любой энергетической системы специально подготовленные инженеры электрики с помощью технических справочников, таблиц, графиков и компьютерных программ выполняют ее анализ на работу схемы в различных режимах, включая:
2. номинальную нагрузку;
3. аварийные ситуации.
Особую опасность представляет третий случай, когда в сети возникают неисправности, способные повредить оборудование. Чаще всего они связаны с «металлическим» закорачиванием питающей цепи, когда между разными потенциалами подводимого напряжения подключаются случайным образом электрические сопротивления размерностью в доли Ома.
Такие режимы называют токами коротких замыканий или сокращенно «КЗ». Они возникают при:
сбоях в работе автоматики и защит;
ошибках обслуживающего персонала;
повреждениях оборудования из-за технического старения;
стихийных воздействиях природных явлений;
диверсиях или действиях вандалов.
Токи коротких замыканий по своей величине значительно превышают номинальные нагрузки, под которые создается электрическая схема. Поэтому они просто выжигают слабые места в оборудовании, разрушают его, вызывают пожары.
Кроме термического разрушения они еще обладают динамическим действием. Его проявление хорошо показывает видеоролик:
Чтобы при эксплуатации исключить развитие подобных аварий с ними начинают бороться еще на стадии создания проекта электрического оборудования. Для этого теоретически вычисляют возможности возникновения токов коротких замыканий и их величины.
Эти данные используются для дальнейшего создания проекта и выбора силовых элементов и защитных устройств схемы. С ними же продолжают постоянно работать и при эксплуатации оборудования.
Токи возможных коротких замыканий рассчитывают теоретическими методами с разной степенью точности, допустимой для надежного создания защит.
Какие электрические процессы заложены в основу расчета токов короткого замыкания
Первоначально заострим внимание на том, что любой вид приложенного напряжения, включая постоянное, переменное синусоидальное, импульсное или любое другое случайное создает токи аварий, которые повторяют образ этой формы или изменяют ее в зависимости от приложенного сопротивления и действия побочных факторов. Все это приходится предусматривать проектировщикам и учитывать в своих расчетах.
Оценку возникновения м действия токов коротких замыканий позволяют выполнить:
величина силовой характеристики мощности, приложенной от источника напряжения;
структура используемой электрической схемы электроустановки;
значение полного приложенного сопротивления к источнику.
Действие закона Ома
За основу расчета коротких замыканий взят принцип, определяющий, что силу тока можно вычислить по величине приложенного напряжения, если поделить ее на значение подключенного сопротивления.
Он же действует и при расчете номинальных нагрузок. Разница лишь в том, что:
во время оптимальной работы электрической схемы напряжение и сопротивление практически стабилизированы и изменяются незначительно в пределах рабочих технических нормативов;
при авариях процесс происходит стихийно случайным образом. Но его можно предусмотреть, просчитать разработанными методиками.
Мощность источника напряжения
С ее помощью оценивают силовую энергетическую возможность совершения разрушительной работы токами коротких замыканий, анализируют длительность их протекания, величину.
Рассмотрим пример, когда один и тот же кусок медного провода сечением полтора квадратных мм и длиной в полметра вначале подключили напрямую на клеммы батарейки «Крона», а через некоторое время вставили в контакты фазы и нуля бытовой розетки.
В первом случае через провод и источник напряжения потечет ток короткого замыкания, который разогреет батарейку до такого состояния, что повредит ее работоспособность. Мощности источника не хватит на то, чтобы сжечь подключенную перемычку и разорвать цепь.
Во втором случае сработают автоматические защиты. Допустим, что они все неисправны и заклинили. Тогда ток короткого замыкания пройдет через домашнюю проводку, достигнет вводного щитка в квартиру, подъезд, здание и по кабельной или воздушной линии электропередач дойдет до питающей трансформаторной подстанции.
В итоге к обмотке трансформатора подключается довольно протяженная цепь с большим количеством проводов, кабелей и мест их соединения. Они значительно увеличат электрическое сопротивление нашей закоротки. Но даже в этом случае высока вероятность того, что она не выдержит приложенной мощности и просто сгорит.
Конфигурация электрической схемы
При питании потребителей к ним подводится напряжение разными способами, например:
через потенциалы плюсового и минусового выводов источника постоянного напряжения;
фазой и нулем однофазной бытовой сети 220 вольт;
трехфазной схемой 0,4 кВ.
В каждом из этих случаев могут произойти нарушения изоляции в различных местах, что приведет к протеканию через них токов короткого замыкания. Только для трехфазной цепи переменного тока возможны короткие замыкания между:
всеми тремя фазами одновременно — называется трехфазным;
двумя любыми фазами между собой — междуфазное;
любой фазой и нулем — однофазное;
фазой и землей — однофазное на землю;
двумя фазами и землей — двухфазное на землю;
тремя фазами и землей — трехфазное на землю.
При создании проекта электроснабжения оборудования все эти режимы требуется просчитать и учесть.
Влияние электрического сопротивления цепи
Протяженность магистрали от источника напряжения до места образования короткого замыкания имеет определенное электрическое сопротивление. Его величина ограничивает токи короткого замыкания. Наличие обмоток трансформаторов, дросселей, катушек, обкладок конденсаторов добавляют индуктивные и емкостные сопротивления, формирующие апериодические составляющие, искажающие симметричную форму основных гармоник.
Существующие методики расчета токов короткого замыкания позволяют их вычислить с достаточной для практики точностью по заранее подготовленной информации. Реальное электрическое сопротивление уже собранной схемы можно измерить по методике петли «фаза-ноль». Оно позволяет уточнить расчет, внести коррективы в выбор защит.
Основные документы по расчету токов коротких замыканий
1. Методика выполнения расчета токов КЗ
Она хорошо изложена в книге А. В. Беляева “Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ”, выпущенной Энергоатомиздат в 1988 году. Информация занимает 171 страницу.
последовательность расчета токов КЗ;
учет токоограничивающего действия электрической дуги на месте образования повреждения;
принципы выбора защитной аппаратуры по значениям рассчитанных токов.
В книге публикуется справочная информация по:
автоматическим выключателям и предохранителям с анализом характеристик их защитных свойств;
выбору кабелей и аппаратуры, включая установки защиты электродвигателей, силовых сборок, вводных устройств генераторов и трансформаторов;
недостаткам защит отдельных видов автоматических выключателей;
особенностям применения выносных релейных защит;
примерам решения проектных задач.
2. Руководящие указания РД 153—34.0—20.527—98
Этот документ определяет:
методики расчетов токов КЗ симметричных и несимметричных режимов в электроустановках с напряжением до и выше 1 кВ;
способы проверок электрических аппаратов и проводников на термическую и электродинамическую стойкость;
методы испытания коммутационной способности электрических аппаратов.
Указания не охватывают вопросы расчета токов КЗ применительно к устройствам РЗА со специфическими условиями эксплуатации.
3. ГОСТ 28249-93
Документ описывает короткие замыкания, возникающие в электроустановках переменного тока и методику их расчета для систем с напряжением до 1 кВ. Он действует с 1 января 1995 года на территориях Беларуси, Кыргызстана. Молдовы, России, Таджикистана, Туркменистана и Украины.
Государственный стандарт определяет общие методы расчетов токов КЗ в начальный и любой произвольный временной момент для электроустановок с синхронными и асинхронными машинами, реакторами и трансформаторами, воздушными и кабельными ЛЭП, шинопроводами, узлами сложной комплексной нагрузки.
Технические нормативы проектирования электроустановок определены действующими государственными стандартами и согласованы Межгосударственным Советом по вопросам стандартизации, метрологии, сертификации.
Скачать ГОСТ 28249-93 (2003). Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ можно здесь: ГОСТ по расчету токов КЗ
Очередность действий проектировщика для расчета токов короткого замыкания
Первоначально следует подготовить необходимые для анализа сведения, а затем провести из расчет. После монтажа оборудования к процессе ввода его в работу и при эксплуатации проверяется правильность выбора и работоспособность защит.
Сбор исходных данных
Любую схему можно привести к упрощенному виду, когда она состоит из двух частей:
1. источника напряжения. Для сети 0,4 кВ его роль исполняет вторичная обмотка силового трансформатора;
2. питающей линии электропередачи.
Под них собираются необходимые характеристики.
Данные трансформатора для расчета токов КЗ
величину напряжения короткого замыкания (%) — Uкз;
потери короткого замыкания (кВт) — Рк;
номинальные напряжения на обмотках высокой и низкой стороны (кВ. В) — Uвн, Uнн;
фазное напряжение на обмотке низкой стороны (В) — Еф;
номинальную мощность (кВА) — Sнт;
полное сопротивление током однофазного КЗ (мОм) — Zт.
Данные питающей линии для расчета токов КЗ
К ним относятся:
марки и количество кабелей с указанием материала и сечения жил;
общая протяженность трассы (м) — L;
индуктивное сопротивление (мОм/м) — X0;
полное сопротивление для петли фаза-ноль (мОм/м) — Zпт.
Эти сведения для трансформатора и линии сосредоточены в справочниках. Там же берут ударный коэффициент Куд.
Последовательность расчета
По найденным характеристикам вычисляют для:
трансформатора — активное и индуктивное сопротивление (мОм) — Rт, Хт;
линии — активное, индуктивное и полное сопротивление (мОм).
Эти данные позволяют рассчитать общее активное и индуктивное сопротивление (мОм). А на их основе можно определить полное сопротивление схемы (мОм) и токи:
трехфазного замыкания и ударный (кА);
однофазного КЗ (кА).
По величинам последних вычисленных токов и подбирают автоматические выключатели и другие защитные устройства для потребителей.
Расчет токов короткого замыкания проектировщики могут выполнять вручную по формулам, справочным таблицам и графикам или с помощью специальных компьютерных программ.
На реальном энергетическом оборудовании, введенном в эксплуатацию, все токи, включая номинальные и коротких замыканий, записываются автоматическими осциллографами.
Такие осциллограммы позволяют анализировать ход протекания аварийных режимов, правильность работы силового оборудования и защитных устройств. По ним принимают действенные меры для повышения надежности работы потребителей электрической схемы.
Как рассчитать ток короткого замыкания
Аварии в электрических сетях способны причинить серьезный вред не только оборудованию, но и обслуживающему персоналу. Наибольшие неприятности доставляют короткие замыкания, периодически возникающие в домашних сетях, в сложных схемах трансформаторных подстанций и электроустановок, питающих цепях, подключенных к мощному производственному оборудованию. В связи с этим, на стадии проектирования выполняется расчет токов короткого замыкания, позволяющий предотвратить возникновение аварийного режима, и не допустить серьезных негативных последствий.
Для чего рассчитываются токи КЗ
Проектируя энергетическую систему, инженеры пользуются различными компьютерными программами, справочниками, графиками и таблицами. С помощью этих средств анализируется работа схемы в режиме холостого хода, рассчитываются токи при номинальной нагрузке и в аварийных ситуациях.
Особенно опасными считаются возможные аварии, при которых возникают неисправности, наносящие оборудованию непоправимый вред. Наиболее часто возникают ситуации, когда проводники с разными потенциалами начинают контактировать между собой, вызывая режим короткого замыкания трансформатора. При этом, токопроводящие детали и предметы, послужившие причиной замыкания, обладают минимальным электрическим сопротивлением.
Основным параметром такого режима является ток короткого замыкания. Его появление связано с несколькими причинами:
- Нарушения работы защитных автоматических устройств.
- Техническое старение оборудования, вызывающее повреждения изоляции и короткое замыкание.
- Удары молний, вызывающие высокое напряжение и другие воздействия природной стихии.
- Ошибки, допущенные обслуживающим персоналом, неспособным определить ток.
Каждая электрическая схема создается под определенную номинальную нагрузку. Ток КЗ многократно превышает ее, создает высокую температуру, выжигающую наиболее слабые места в сети и оборудовании. Все заканчивается возгоранием и полным разрушением. Одновременно элементы схемы подвергаются механическим воздействиям.
Во избежание подобных ситуаций в процессе эксплуатации, еще во время проектирования принимаются меры специального характера. В первую очередь выполняются теоретический расчет токов короткого замыкания, определяющие вероятность их появления и величину. Полученные данные применяются в дальнейшем проектировании, а также при подборе силового оборудования и элементов защиты. Степень точности расчетов может быть разной, в зависимости от уровня надежности создаваемой защиты.
Исходные данные и критерии для расчетов
Напряжение, используемое в сети, бывает постоянным, переменным, с импульсной, синусоидальной и другой конфигурацией. Аварийные токи, случайно созданные любым из этих напряжений, полностью повторяют начальную форму, которая может изменяться под действием сопротивления или других факторов.
В первую очередь учитывается закон Ома, определяемый формулой I = U/R. Его принципы совершенно одинаковы как для номинальных нагрузок, так и для аварийных ситуаций, с небольшими отличиями. В первом случае показатели напряжения и сопротивления находятся в стабильном состоянии, а их изменения не выходят за пределы нормативных данных. В аварийном режиме эти процессы проходят стихийно, под влиянием случайных факторов. Поэтому и требуется расчет тока по специальным методикам.
Не менее важны показатели мощности источника напряжения. Данный критерий позволяет сделать оценку и вычислить энергетические возможности для разрушений, причиняемых токами коротких замыканий. Одновременно определяется величина этих токов и продолжительность действия. Кроме того, учитывается протяженность электрической цепи, количество линий и подключенных потребителей, существенно повышающих сопротивление. Однако, при слишком большой мощности, даже самая надежная схема не выдержит нагрузки и сгорит.
Методы расчетов зависит от конфигурации конкретной электрической схемы. В первую очередь, это подводка питания, выполняемая разными способами. В бытовых сетях на 220 В обычно используется фаза и ноль, постоянное напряжение подается от плюсовой и минусовой клеммы источника, а трехфазный ток подается по отдельной схеме. Изоляция проводников и токоведущих частей может быть нарушена в любом из этих вариантов, и в поврежденных местах начнут протекать токи короткого замыкания.
Замыкание случается одновременно между тремя или двумя фазами, между фазой и нулем или землей, между двумя или тремя фазами и землей. Каждый из этих режимов учитывается при составлении проекта.
Большое значение имеет электрическое сопротивление цепи. Оно зависит от протяженности линии от источника питания, особенно постоянного, до точки КЗ, отсюда и его возможности по ограничению тока. К основному добавляются индуктивные и емкостные сопротивления, присутствующие в обмотках катушек, трансформаторов и в обкладках конденсаторов. Они участвуют в формировании апериодических составляющих, вносят изменения в основные параметры.
Проведение расчетов
Для выполнения расчетов трёхфазного и однофазного тока привлекаются квалифицированные специалисты. Они отвечают не только за математическую часть, но и за дальнейшее поведение рассчитанной схемы в условиях эксплуатации. Вычисления, сделанные в домашних условиях, требуют дополнительной проверки, чтобы исключить вероятность ошибок. До начала расчетов начинающие электрики должны изучить основные понятия электричества, свойства проводников и диэлектриков, роль и значение надежной изоляции.
Все вычисления, в том числе затрагивающие трехфазное оборудование, выполняются по специальным методикам, включающим в себя различные формулы.
Следует обязательно учесть ряд особенностей:
- Все трехфазные системы условно относятся к симметричным.
- Питание, подведенное к трансформатору, считается неизменной величиной, приравненной к его номиналу.
- Сила тока принимает максимальное значение в момент возникновения аварийного режима. Потребуется расчет ударного тока короткого замыкания.
- Влияние ЭДС источника питания, расположенного на большом расстоянии от места появления короткого замыкания.
Параметры ТКЗ при необходимости дополняются результирующим сопротивлением проводников. С этой целью показатели мощности приводятся к единому значению. Для таких расчетов нежелательно использовать обычные формулы, изучаемые на курсе физики. Здесь вполне возможны ошибки из-за разных номиналов напряжения на различных участках цепи в момент начала аварийного режима. Единая базовая мощность делает расчеты более простыми, существенно повышая точность результатов.
Номинальное напряжение, используемое при вычислениях, берется с увеличением на 5%. В сетях 380 вольт этот показатель составит 400В, а при 220В итоговое значение будет 231В.
Как вычислить ток при трехфазном замыкании
Расчет тока трехфазного короткого замыкания необходимо рассмотреть более подробно, учитывая все особенности и сопутствующие факторы этого процесса.
В проводнике, попавшем под действие короткого замыкания, не будет мгновенного изменения силы тока. Его значение нарастает постепенно, в соответствии с установленными физическими законами. Существуют специальные методики на расчет трехфазного тока, для которых требуются данные всех основных величин, определяемые математическим путем. Полученные результаты затем использует специальная формула.
Одна из формул выглядит следующим образом: Iкз = Uc/√3*xрез = Uc/√3*(хсист + хвн). В ней Uc – величина напряжения на шинах, xрез – результативное или общее сопротивление. Оно состоит из хсист – соотношения сопротивления всей системы и шин источника питания, и хвн – сопротивления на участке между шинами и точкой КЗ.
Если какой-либо показатель отсутствует, его можно рассчитывать по дополнительным формулам или с помощью специальных компьютерных программ. При выполнении расчетов в сложных разветвленных сетях, они преобразуются в схемы замещения. Каждая отдельно взятая схема представлена в виде источника электроэнергии и одного сопротивления. Процесс упрощения происходит в следующем порядке:
- Складываются все показатели сопротивлений, подключенных параллельно.
- То же самое выполняется в отношении последовательно подключенных сопротивлений.
- Величина результирующего сопротивления в относительных единицах определяется сложением всех сопротивлений с параллельным и последовательным подключением.
Современная вычислительная техника предоставляет возможность выполнения сложнейших операций буквально за несколько секунд. Это дает возможность получения точных результатов, используемых в проектировании.
Расчеты токов КЗ в однофазных сетях
В однофазных электрических сетях расчет токов короткого замыкания выполняется по упрощенной методике. Это связано с незначительным энергопотреблением электроприборов на 220В. То есть, надежно защитить частный дом или квартиру вполне возможно с помощью автоматических выключателей на 25А.
Примерно рассчитать ток однофазного короткого замыкания можно по формуле № 1, в которой Ik будет однофазным током КЗ, а Uf – фазное напряжение. Параметры Zt и Zc представляют собой сопротивление трансформатора в момент КЗ и сопротивление между фазой и нулем. Погрешность вычислений с использованием этой формулы составляет примерно 10%. Этих данных вполне достаточно, чтобы спланировать надежную защиту сети.
Основные сложности могут возникнуть при решении задачи, как определить параметр Zc. Однако, при наличии данных о переходных сопротивлениях и характеристиках проводника, величина сопротивления между фазным и нулевым проводом достаточно легко находится по формуле № 2. В ней параметры rf и rn являются, соответственно, активными сопротивлениями фазы и нуля (Ом). Внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводников обозначаются как xf и xn (Ом). Еще две величины – ra и x’ являются суммарным активным сопротивлением контактов цепочки фаза-нуль и внешним индуктивным сопротивлением этой же цепи.
При вычислении токов однофазного КЗ, расчетная схема должна выполняться в определенной последовательности:
- Вначале нужно установить параметры источника питания.
- Определить характеристики проводников, используемых в цепи.
- Слишком разветвленную схему нужно упростить путем замещения сложных компонентов простыми. С этой целью составляется схема замещения для расчета токов короткого замыкания.
- Найти величину полного сопротивления на участке фаза-ноль.
- При отсутствии технической документации определяется полное сопротивление источника питания, измеряемое в относительных единицах.
Все полученные значения подставляются в формулу, после чего вычисленным результатом можно пользоваться при составлении проектов.
Ток короткого замыкания, от чего зависит величина тока КЗ
В данной статье речь пойдет о коротком замыкании в электрических сетях. Мы рассмотрим типичные примеры коротких замыканий, способы расчетов токов короткого замыкания, обратим внимание на связь индуктивного сопротивления и номинальной мощности трансформаторов при расчете токов короткого замыкания, а также приведем конкретные несложные формулы для этих вычислений.
При проектировании электроустановок необходимо знать значения симметричных токов короткого замыкания для различных точек трехфазной цепи. Величины этих критических симметричных токов позволяют проводить расчеты параметров кабелей, распределительных устройств, устройств селективной защиты и т. п.
Далее рассмотрим ток трехфазного короткого замыкания при нулевом сопротивлении, который подается через типичный распределительный понижающий трансформатор. В обычных условиях данный тип повреждений (короткое замыкание болтового соединения) оказывается наиболее опасным, при этом расчет очень прост. Простые расчеты позволяют, придерживаясь определенных правил, получить достаточно точные результаты, приемлемые для проектирования электроустановок.
Ток короткого замыкания во вторичной обмотке одного понижающего распределительного трансформатора. В первом приближении сопротивление высоковольтной цепи принимается очень малым, и им можно пренебречь, поэтому:
Здесь P – номинальная мощность в вольт-амперах, U2 – напряжение между фазами вторичной обмотки на холостом ходу, Iн — номинальный ток в амперах, Iкз — ток короткого замыкания в амперах, Uкз — напряжение при коротком замыкании в процентах.
В таблице ниже приведены типичные значения напряжений короткого замыкания для трехфазных трансформаторов на напряжение высоковольтной обмотки в 20 кВ.
Если для примера рассмотреть случай, когда несколько трансформаторов питают параллельно шину, то величину тока короткого замыкания в начале линии, присоединенной к шине, можно принять равной сумме токов короткого замыкания, которые предварительно вычисляются по отдельности для каждого из трансформаторов.
Когда все трансформаторы получают питание от одной и той же сети высокого напряжения, значения токов короткого замыкания при суммировании дадут несколько большее значение, чем окажется в реальности. Сопротивлением шин и выключателей принебрегают.
Пусть трансформатор обладает номинальной мощностью 400 кВА, напряжение вторичной обмотки 420 В, тогда если принять Uкз = 4%, то:
На рисунке ниже приведено пояснение для данного примера.
Точности полученного значения будет достаточно для расчета электроустановки.
Ток короткого трехфазного замыкания в произвольной точке установки на стороне низкого напряжения:
Здесь: U2 — напряжение на холостом ходу между фазами на вторичных обмотках трансформатора. Zт — полное сопротивление цепи, расположенной выше точки повреждения. Далее рассмотрим, как найти Zт.
Каждая часть установки, будь то сеть, силовой кабель, непосредственно трансформатор, автоматический выключатель или шина, — имеют свое полное сопротивление Z, состоящее их активного R и реактивного X.
Емкостное сопротивление здесь роли не играет. Z, R и X выражаются в омах, и при расчетах представляются как стороны прямоугольного треугольника, что показано на рисунке ниже. По правилу прямоугольного треугольника вычисляется полное сопротивление.
Сеть разделяют на отдельные участки для нахождения X и R для каждого из них, чтобы вычисление было удобным. Для последовательной цепи значения сопротивлений просто складываются, и получаются в итоге Xт и Rт. Полное сопротивление Zт определяется из теоремы Пифагора для прямоугольного треугольника по формуле:
При параллельном соединении участков расчет ведется как для параллельно соединенных резисторов, если объединенные параллельные участки обладают реактивным или активным сопротивлениями, получится эквивалентное общее сопротивление:
Xт не учитывает влияние индуктивностей, и если расположенные рядом индуктивности влияют друг на друга, то реальное индуктивное сопротивление окажется выше. Необходимо отметить, что вычисление Xз связано только к отдельной независимой цепью, то есть так же без влияния взаимной индуктивности. Если же параллельные цепи расположены близко к друг другу, то сопротивление Хз окажется заметно выше.
Рассмотрим теперь сеть, присоединенную к входу понижающего трансформатора. Трехфазный ток короткого замыкания Iкз или мощность короткого замыкания Pкз определяет поставщик электроэнергии, однако можно исходя из этих данных найти полное эквивалентное сопротивление. Полное эквивалентное сопротивление, одновременно приводящее к эквиваленту для низковольтной стороны:
Pкз — мощность трехфазного короткого замыкания, U2 – напряжение на холостом ходу низковольтной цепи.
Как правило, активная составляющая сопротивления высоковольтной сети — Rа — очень мала, и сравнительно с индуктивным сопротивлением — ничтожно мало. Традиционно принимают Xa равным 99,5% от Zа, и Ra равным 10% от Xа. В таблице ниже приведены приблизительные данные относительно этих величин для трансформаторов на 500 МВА и 250 МВА.
Полное Zтр — сопротивление трансформатора на стороне низкого напряжения:
Pн — номинальная мощность трансформатора в киловольт-ампреах.
Активное сопротивление обмоток находится исходя из мощности потерь.
Когда ведут приблизительные расчеты, то пренебрегают Rтр, и принимают Zтр = Xтр.
Если требуется принять в расчет выключатель низковольтной цепи, то берется полное сопротивление выключателя, расположенного выше точки короткого замыкания. Индуктивное сопротивление принимают равным 0,00015 Ом на выключатель, а активной составляющей пренебрегают.
Что касается сборных шин, то их активное сопротивление ничтожно мало, реактивная же составляющая распределяется примерно по 0,00015 Ом на метр их длины, причем при увеличении расстояния между шинами вдвое, их реактивное сопротивление возрастает лишь на 10%. Параметры кабелей указывают их производители.
Что касается трехфазного двигателя, то в момент короткого замыкания он переходит в режим генератора, и ток короткого замыкания в обмотках оценивается как Iкз = 3,5*Iн. Для однофазных двигателей увеличением тока в момент короткого замыкания можно пренебречь.
Дуга, сопровождающая обычно короткое замыкание, обладает сопротивлением, которое отнюдь не постоянно, но среднее его значение крайне низко, однако и падение напряжения на дуге невелико, поэтому практически ток снижается примерно на 20%, что облегчает режим срабатывания автоматического выключателя, не нарушая его работу, не влияя особо на ток отключения.
Ток короткого замыкания на приемном конце линии связан с током короткого замыкания на подающем ее конце, но учитывается еще сечение и материал передающих проводов, а также их длина. Имея представление об удельном сопротивлении, каждый сможет произвести этот несложный расчет. Надеемся, что наша статья была для вас полезной.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!