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;
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 (U ср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ). Сопротивления элементов системы электроснабжения приводят к базисным условиям в соответствии с табл. 3.1.
Таблица 3.1
Средние удельные значения индуктивных сопротивлений воздушных и кабельных линий электропередачи
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) | S к, МВ?А | ||
| I откл.ном, кА |  |
 |
|
| ; , МВ?А |  |
 |
|
| Трансформатор (Т) | u к, % S ном. т, МВ?А |  |
 |
| Автотрансформатор и трехобмоточный трансформатор (Т) (схема замещения - звезда) | u к,В−С , %; u к,В−Н , %; u к,С−Н , %; , МВ?А |  ;  ;  |
 ;  ;  |
Окончание табл. 3.2
| 2 | |||
| Трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения (Т) | U к,В−Н , %; S ном. т, МВ?А |  ;  |
 ;  |
| Синхронные и асинхронные электродвигатели, компенсаторы (М) | ; S ном. М , МВ?А |  |
 |
| Реактор (LR ) | x ном. LR , Ом |  |
 |
| Линия электропередачи (W ) | x уд, Ом/км; l , км |  |
 |
| Примечание: S ном - номинальные мощности элементов (генератора, трансформатора, энергосистемы), МВ?А; S б - базисная мощность, МВ?А; S к - мощность КЗ энергосистемы, МВ?А; I откл. ном - номинальный ток отключения выключателя, кА; х *ном. С − относительное номинальное сопротивление энергосистемы; u к % − напряжение КЗ трансформатора; I б - базисный ток, кА; U ср - среднее напряжение в месте установки данного элемента, кВ; x уд - 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 .Z рез - полное приведенное сопротивление от источника питания до точки КЗ; S б - базисная мощность.
При расчете токов КЗ в большинстве случаев требуется знать следующие значения:
- начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (сверхпереходной ток);
i у - ударный ток КЗ;
I у - действующее значение полного тока КЗ за первый период;
I ∞ − ток установившегося режима;
I п t - периодическая составляющая тока КЗ в момент времени t = τ.
Расчет проводится для выбора и проверки уставок релейной защиты и автоматики или проверки параметров оборудования.
Введем ряд допущений, упрощающих расчет и не вносящих существенных погрешностей:
- 1. Линейность всех элементов схемы;
- 2. Приближенный учёт нагрузок;
- 3. Симметричность всех элементов за исключением мест короткого замыкания;
- 4. Пренебрежение активными сопротивлениями, если X/R>3;
- 5. Токи намагничивания трансформаторов не учитываются;
Погрешность расчетов при данных допущениях не превышает 2ч5 %.
Расчет токов короткого замыкания упрощается при использовании схемы замещения. Расчет токов КЗ проводим в именованных единицах.
Расчетные точки короткого замыкания: К1 - на шинах НН; К2…К5 - в конце ВЛ.
Рисунок. 9.1. Схема замещения 10 кВ
Мощность трехфазного короткого замыкания:
где IкзВН - ток короткого замыкания на шинах высокого напряжения.
Параметры системы:
Где Ucp- среднее напряжение, кВ;
Мощность трёхфазного КЗ на шинах ВН подстанции, МВ·А
ЭДС системы:
Ес = Uср. (9.3)
Ес = 10,5 кВ.
Параметры силовых трансформаторов:
Активное сопротивление трансформатора, приведённое к стороне 10,5 кВ.
Реактивное сопротивление трансформатора, приведённое к стороне 10,5 кВ.
Параметры воздушной линии:
RВЛ = r0 l (9.6)
XВЛ = x0 l (9.7)
RВЛ = 0,72 11,21 = 8,07 Ом
XВЛ = 0,4 11,21 = 4,48 Ом
Параметры отходящих линий приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1. Параметры отходящих линий
|
Марка провода |
||||||
|
ВЛ Некрасово |
||||||
|
ВЛ Борисово |
||||||
|
ВЛ Лукино |
||||||
|
ВЛ Пожара |
||||||
|
ВЛ Старина |
||||||
|
ВЛ Прошино |
||||||
Расчёт токов КЗ выполняется для напряжения той стороны, к которой приводятся сопротивления схемы.
где - полное суммарное эквивалентное сопротивление от источника питания до расчётной точки КЗ, Ом.
Установившееся значение тока при двухфазном КЗ определяется по значению тока трёхфазного КЗ:
Ударный ток:
где куд - ударный коэффициент.
Приведем пример расчета для ВЛ Лукино
Расчет токов КЗ сведен в таблицу 9.2.
Таблица 9.2. Расчет токов КЗ
|
I(3)кзmax, кА |
I(3)кзmin, кА |
|||||
|
ВЛ Некрасово |
||||||
|
ВЛ Борисово |
||||||
|
ВЛ Лукино |
||||||
|
ВЛ Пожара |
||||||
|
ВЛ Старина |
||||||
|
ВЛ Прошино |
||||||
|
Шины 10 кВ |
Ток однофазного замыкания на землю определяется по формуле:
Iз(1) = 3 Uф щ? Суд L (9.13)
где Uф - напряжение фазы сети;
щ - угловая частота напряжения сети;
Суд - емкость 1 км фазы сети относительно земли, мкФ/км;
L - общая протяженность сети, км.
Но с точностью для практических расчетов, в том числе, для решения вопроса о необходимости компенсации емкостного тока замыкания на землю, расчет производим по формуле:
Где Uном - номинальное напряжение сети, кВ;
Lв - общая протяженность воздушных линий сети, км;
Lк - общая протяженность кабельных линий, км.
Определим ток однофазного замыкания на землю для отходящих линий 10 кВ. В ПУЭ оговорено: величина емкостного тока замыкания на землю для нормального режима сети. А в данном случае, нормальным режимом работы является раздельная работа силовых трансформаторов (секционные выключатели отключены).
Для отходящих линий 10 кВ:
Согласно ПУЭ п. 1.2.16 Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах: в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ - более 10 А. В нашем случае компенсация не требуется.
В данной статье, я буду рассматривать пример расчета тока однофазного КЗ (ОКЗ) используя в первом варианте справочные таблицы представленные в [Л1], а во втором варианте справочные таблицы из [Л2].
С методами определения величины тока однофазного КЗ и с приведенными справочными таблицами для всех элементов короткозамкнутой цепи, можно ознакомиться в статье:
Исходные данные:
- масляный трансформатор напряжением 6/0,4 кВ, мощностью 1000 кВА со схемой соединения обмоток – Y/Yо.
- от трансформатора до ВРУ используется кабель марки ААШвУ 3х95 длиной 120 м.
- от ВРУ до двигателя используется кабель марки ААШвУ 3х95+1х35 длиной 150 м.
Рис.1 — Расчетная схема сети эл. двигателя
Вариант I
1. Расчет тока однофазного КЗ будет выполнятся по формуле приближенного метода при большой мощности питающей энергосистемы (Хс < 0,1Хт) [Л1, с 4 и Л2, с 39]:
- Uф – фазное напряжение сети, В;
- Zт – полное сопротивление трансформатора току однофазного замыкания на корпус, Ом;
- Zпт – полное сопротивление петли фаза-нуль от трансформатора до точки КЗ, Ом.
2. По таблице 2 [Л1, с 6] определяем сопротивление трансформатора при вторичном напряжении 400/230 В, Zт/3 = 0,027 Ом.
3. Определяем полное сопротивление цепи фаза-нуль для участка от тр-ра до точки КЗ по формуле 2-27 [Л2, с 40]:
- Zпт.уд.1 = 0,729 Ом/км – полное удельное сопротивление петли фаза-нуль для кабеля марки ААШвУ 3х95, определяется по таблице 12 [Л1, с 16];
- l1 = 0,120 км – длина участка №1.
- Zпт.уд.2 = 0,661 Ом/км – полное удельное сопротивление петли фаза-нуль для кабеля марки ААШвУ 3х95+1х35, определяется по таблице 13 [Л1, с 16];
- l2 = 0,150 км – длина участка №2.
4. Определяем ток однофазного КЗ:
Обращаю ваше вниманию, что при определении величины тока однофазного КЗ приближенным методом, сопротивления контактов шин, аппаратов, трансформаторов тока в данном методе не учитываются, поскольку арифметическая сумма Zт/3 и Zпт создает не который запас [Л2, с 40].
Вариант II
Определим ток однофазного КЗ по справочным таблицам из [Л2].
1. По таблице 2.4 [Л2, с 29] определяем сопротивление трансформатора Zт/3 = 33,6 мОм.
2. Определяем полное сопротивление цепи фаза-нуль для участка от тр-ра до точки КЗ по формуле 2-27 [Л2, с 40]:
- Zпт.уд.1 = 0,83 мОм/м – полное удельное сопротивление петли фаза-нуль для кабеля марки ААШвУ 3х95, определяется по таблице 2.11 [Л2, с 41];
- l1 = 120 м – длина участка №1.
- Zпт.уд.2 = 1,45 мОм/м – полное удельное сопротивление петли фаза-нуль для кабеля марки ААШвУ 3х95+1х35, определяется по таблице 2.10 [Л2, с 41].
Обращаю ваше внимание, что в данной таблице значение Zпт.уд. приводится для кабелей независимо от материала оболочки кабеля.
Если же посмотреть [Л1, с 16], то в таблице 13 для 4-жильных кабелей с алюминиевой оболочкой 3х95+1х35, Zпт.уд. = 0,661 мОм/м. Принимаю Zпт.уд.2 = 1,45 мОм/м, для того чтобы было наглядно видно, на сколько будет отличатся значение тока однофазного КЗ от расчета по «Варианту I». На практике же, лучше совмещать справочные таблицы из [Л1 и Л2].
3. Определяем ток однофазного КЗ:
Как видно из результатов расчета (вариант I: Iк = 1028 А; вариант II: Iк = 627 А), полученные значения тока однофазного КЗ почти в 2 раза отличаются. По каким справочным таблицам выполнять расчет тока однофазного КЗ, уже решайте сами, в любом случае это приближенный метод, поэтому, если нужны точные значения тока однофазного КЗ, следует рассчитывать по формуле представленной в ГОСТ 28249-93.
В этой статье мы ниже рассмотривает пример расчет из курсового проекта тока КЗ. Скажем сразу, расчетов токов КЗ целое исскуство, и если Вам необходимо рассчитать токи КЗ для реальных электроустановок, то лучше скачать следующие методические пособия разработанные Петербурским энергетическим университетом повышения квалификации и всё сделать по ним.
1. И.Л. Небрат. Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кв — скачать ;
2.И.Л.Небрат, Полесицкая Т.П. Расчет ТКЗ для РЗ, часть 1 — скачать ;
3.И.Л.Небрат, Полесицкая Т.П. Расчет ТКЗ для РЗ, часть 2 — скачать .
Так же полезно будет иметь под рукой программы, которые помогут Вам точно расчитать токи КЗ. Данных программ в настоящее время много и Вы можете найти большое количество различного софта в интернете, на который Вы можете потратить от часа до нескольких дней, чтобы разобраться как в нём работать. Ниже я выложу перечень программ в файле ворд, в котором указаны производители программ и как и где их можно получить (ссылок на скачивание в файле нет). А также выложу одну программу для расчета токов КЗ в сетях 0.4кВ. Данная программа очень древняя, но и такая же надежная как весь совеский аэрофлот. Работает из под DOSa. Эмулятор в файле скачивания. И так:
Если Вам необходим расчет для курсового проекта или учебного задания, то ниже приведен не большой расчет, который в этом Вам поможет.
В задании к курсовому проекту приводятся данные об эквивалентных параметрах сети со стороны высшего рабочих трансформаторов СН (ТСН) и со стороны высшего резервных трансформаторов СН (РТСН). В соответствии с рис.2.1, приводятся: на ответвлении к ТСН (3) по I , кА при номинальном напряжении генератора Uгн, кВ или эквивалентное сопротивление сети со стороны ВН ТСН ТСН э X , Ом. Имеет место следующая зависимость:
Рис.2.1. Расчетная схема для определения токов при расположении точек на секциях СН 6(10) кВ и 0,4(0,69) кВ.
Для резервных трансформаторов СН задается к.з. на шинах ОРУ в точке включения РТСН (3) по I , кА при среднеэксплуатационном напряжении ОРУ ср U , кВ или эквивалентное сопротивление системы в точке включения РТСН РТСН э Х, Ом:
Учитывается возможность секционирования с помощью токоограничивающих реакторов секций РУСН-6 кВ. Это дает возможность применить на секциях за реактором более дешевые ячейки КРУ с меньшими токами термической и электродинамической стойкости и меньшим номинальным током отключения, чем на секциях до реактора, и кабели с меньшим сечением токопроводящих жил.
Расчет ведется по среднеэксплуатационным напряжениям, равным в зависимости от номинального 1150; 750; 515; 340; 230; 154; 115; 37; 24; 20; 18; 15,75; 13,8; 10,5; 6,3; 3,15; 0,66; 0,525; 0,4; 0,23, и среднеэксплуатационным коэффициентам трансформации. В учебном пособии расчеты по определению токов в относительных (базисных) единицах применительно к схеме Ленинградской АЭС с тремя системами (750, 330, 110 кВ) и напряжением 6,3 кВ проводились с учетом как действительных, так и среднеэксплуатационных коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов.
Показано, что расчет по среднеэксплуатационным напряжениям не вносит существенных корректировок в уровни токов КЗ. В то же время требуется серьезная вычислительная работа методом последовательных приближений, чтобы связать уровни генераторов, значения их реактивных мощностей с учетом коэффициента трансформации АТ связи, рабочих и резервных ТСН и напряжений на приёмных концах линий. При сокращении числа переключений трансформаторов и АТ связи с РПН из соображений надежности работы блоков задача выбора отпаек РПН становится менее актуальной.
Схемы замещения для точек на напряжениях 6,3 и 0,4 кВ приведены на рис.2.2.
Все сопротивления приводятся к базисным условиям и выражаются либо в относительных единицах (о.е.) либо в именованных (Ом). В начале расчета необходимо определиться, в каких единицах будут производиться вычисления, и сохранять данную систему единиц до конца расчетов. Методики определения токов с использованием относительных и именованных единиц равноправны.
В работе приводятся методики расчетов в относительных и в именованных единицах, как с учетом действительных коэффициентов трансформации, так и по среднеэксплуатационным напряжениям.
В работе приводятся расчеты как в относительных, так и в именованных единицах для простейших схем 0,4 кВ, где нужно учесть не только индуктивное, но и активное сопротивления.
Рис.2.2. Схема замещения в случае наличия реактора при питании секций 6(10) кВ СН: а - от рабочего ТСН; б - от резервного ТСН Для расчета в относительных единицах задают базисную мощность Sбаз, базисное Uбаз и вычисляют базисные токи Iбаз. В качестве базисной целесообразно принять номинальную мощность трансформатора СН: Sбаз = SТСН, МВА. Базисное принимают, как правило, равным для точек К1, К2 Uбаз1,2 = 6,3 кВ; для точек К3, К4 Uбаз3,4 = 0,4 кВ. Заметим, что при расчете в относительных единицах можно выбрать любые другие значения Sбаз, Uбаз.
Базисные токи в точках короткого замыкания К1 - К4, кА:
При расчетах в именованных единицах задают только базисное Uбаз - той точки, для которой рассчитываются токи КЗ: для точек К1, К2 Uбаз1,2 = 6,3 кВ; для точек К3, К4 Uбаз3,4 = 0,4 кВ.
Сопротивления сети в точках включения рабочего хсист1 и резервного хсист2 трансформаторов СН приводятся к базисным условиям по формулам:
в относительных единицах:
где uкв-н - короткого замыкания ТСН между обмоткой ВН и обмотками НН, включенными параллельно, о.е.;
uкн-н - короткого замыкания ТСН между обмотками НН, приведенное к половинной мощности ТСН, о.е.;
SТСН - номинальная мощность ТСН, МВА.
При использовании справочников для определения короткого замыкания uкн-н следует обращать внимание на указанный в примечаниях смысл каталожных обозначений. Если короткого замыкания uк НН1-НН2 отнесено в каталоге к номинальной мощности трансформатора, то данное uк НН1-НН2 необходимо пересчитать для половинной мощности, разделив на 2. В случае неверной подстановки в формулы (2.5), (2.5′) зачастую сопротивление хв получается отрицательным. Например, для ТСН марки ТРДНС-63000/35 в табл.3.5 справочника uкв-н = 12,7% и uкн-н = 40% отнесены к полной мощности трансформатора - см. примечание к таблице.
В этом случае в скобках формул (2.5), (2.5′) должно стоять выражение (0,127 - 20,2). Например, для РТСН марки ТРДН-32000/150 в табл.3.7 справочника uкв-н = 10,5% и uкн-н = 16,5% отнесены к половинной мощности трансформатора. При этом в скобках формул (2.5), (2.5′) должно быть (0,105 - 20,165). На блоках мощностью до 120 МВт используются двухобмоточные трансформаторы собственных нужд без расщепления. В этом случае сопротивление ТСН или РТСН вычисляется по формулам:
в относительных единицах:
где uкв-н - короткого замыкания трансформатора между обмотками высшего и низшего напряжений, о.е.;
Sбаз, SТСН, SРТСН имеют тот же смысл, что и в формулах (2.5), (2.5′), (2.6),(2.6′).
Сопротивление участка магистрали резервного питания:
в относительных единицах:
где Худ - удельное сопротивление МРП, Ом/км;
МРП - длина МРП, км;
Uср - среднеэксплуатационное на первой ступени трансформации, кВ.
Сопротивление трансформатора собственных нужд 6/0,4 кВ:
в относительных единицах:
где SТ 6/0,4 - номинальная мощность трансформатора, МВА.
Аналогично рассчитывается сопротивление трансформатора 10,5/0,69 кВ.
Сопротивление одинарных токоограничивающих реакторов Хр задается в Омах и для приведения к базисным условиям используют формулы:
в относительных единицах:
В некоторых каталогах сопротивление токоограничивающих реакторов Хр приводится в процентах и для приведения к базисным условиям используют формулы:
в относительных единицах:
где Iрн - номинальный реактора, кА, определяемый по мощности тех электродвигателей, которые предполагается включить за реактором.
Индуктивное сопротивление реактора Хр определяют по допустимому току за реактором Iп0доп. Значение Iп0доп связано с номинальным током отключения предполагаемых к установке за реактором выключателей (Iп0доп — Iоткл.н).
Одновременно происходит и снижение теплового импульса тока за реактором Вдоп, что благоприятно для выбора сечения кабелей по условиям термической стойкости и невозгорания. При определении Iп0доп и Вдоп следует учитывать, что реактор не в состоянии ограничить подпитку точки от двигателей за реактором Iпд0 и ухудшает условия их пуска и самозапуска, т.е.
где Iпс - периодическая составляющая тока подпитки точки от ветви, в которую предполагается включить реактор;
Iпд0 - подпитки от двигателей за реактором.
Потеря U в одинарном реакторе при протекании токов рабочего режима I:
Сопротивление эквивалентного двигателя на каждой секции определяется через его мощность или через коэффициент загрузки Кзгр и номинальную мощность трансформатора СН. При отсутствии токоограничивающего секционного реактора и использовании на первой ступени трансформатора с расщепленными обмотками имеем:
В случае различия расчетных мощностей двигательной нагрузки Sд1, Sд2, в дальнейшем расчете сопротивления эквивалентного двигателя будет участвовать максимальная из них, вне зависимости от способа питания секций 6,3 кВ (от рабочего и резервного ТСН).
При использовании секционного токоограничивающего реактора определяется его проходная мощность Sр по формуле (2.12) и далее - мощности двигателей:
при использовании РТСН для замены рабочего ТСН энергоблока, работающего на мощности. Наличие предварительной нагрузки РТСН характерно для блоков генератор-трансформатор без генераторных выключателей. При наличии выключателя в цепи генераторного токопровода, что предусмотрено действующими нормами технологического проектирования, пуск и останов энергоблока обычно осуществляется от рабочего ТСН и надобности в использовании РТСН в этих режимах не возникает. Поэтому для схем с генераторными выключателями можно принимать ТСН згр к = РТСН згр к = 0,7. При отсутствии выключателей в цепи генераторного токопровода РТСН згр к возрастает.
Наличие секционного токоограничивающего реактора приводит к изменению распределения двигателей по сравнению с вариантом без реактора и к изменению доли подпитки ими точек до и после реактора. При в точке К2 не следует учитывать подпитку от двигателей, включенных до реактора, а при в точке К1 не следует учитывать подпитку от двигателей, включенных за реактором.
По вычисленным мощностям двигателей Sд определяют приведенные сопротивления двигательной нагрузки в вариантах при отсутствии реактора и при его наличии:
в относительных единицах:
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:
1. холостой ход;
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:
закон Ома;
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 . 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.
Книга предоставляет:
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.
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
Необходимо выяснить:
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).
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.
