Основной причиной нарушения нормального режима работы системы электроснабжения (СЭС) является возникновение коротких замыканий (КЗ) в сети или элементах электрооборудования вследствие повреждения изоляции или неправильных действий обслуживающего персонала. Для снижения ущерба, обусловленного выходом из строя электрооборудования при протекании токов КЗ, а также для быстрого восстановления нормального режима работы СЭС необходимо правильно определять токи КЗ и по ним выбирать электрооборудование, защитную аппаратуру и средства ограничения токов КЗ.
Коротким замыканием называется непосредственное соединение между любыми точками разных фаз, фазы и нулевого провода или фазы с землей, не предусмотренное нормальными условиями работы установки.
Основные виды коротких замыканий в электрических системах:
3. Однофазное КЗ
, при котором происходит
замыкание одной из фаз на нулевой провод
или землю. Условное обозначение точки
однофазного КЗ
Токи, напряжения, мощности другие
величины, относящиеся однофазному КЗ,
обозначаются
,
,
и т.д.
Встречаются и другие виды КЗ, связанные с обрывами проводов и одновременными замыканиями провод различных фаз.
Трёхфазное КЗ является симметричным, поскольку при нём все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды коротких замыканий являются несимметричным, так как при них фазы не остаются в одинаковых условиях, вследствие чего системы токов и напряжений получаются искаженными.
При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.
Элементы электрических систем обладают активными и реактивными (индуктивными или ёмкостными) сопротивлениями, поэтому при внезапном нарушении нормального режима работы (при возникновении КЗ) электрическая система представляет собой колебательный контур. Токи в ветвях системы и напряжения в отдельных её частях будут изменяться в течение некоторого времени после возникновения КЗ в соответствии с параметрами этого контура. Т.е. за время короткого замыкания в цепи поврежденного участка протекает переходный процесс.
При КЗ в каждой из фаз наряду с периодической составляющей тока (слагающей тока переменного знака) имеет место апериодическая составляющая тока (слагающая постоянного знака), которая также может изменять знак, но через большие промежутки времени по сравнению с периодической.
Мгновенное значение полного тока КЗ для произвольного момента времени:
где
- апериодическая составляющая тока КЗ
в момент времени
;
- угловая частота переменного тока;
- фазовый угол напряжения источника в
момент времени;
- угол сдвига тока в цепи КЗ относительно
напряжения источника;- постоянная времени цепи КЗ;
- индуктивность, индуктивное и активное
сопротивление цепи КЗ.
Периодическая составляющая
тока КЗ (рис. 1)одинакова
для всех трёх фаз и определяется для
любого момента времени значением
ординаты огибающей, деленной на
.
Апериодическая составляющая
тока КЗ различна для всех трёх фаз (см.
рис. 2)и изменяется в
зависимости от момента возникновения
КЗ.
Рис. 3. Изменение во времени периодической составляющей тока КЗ:
а) при питании от генераторов без АВР; б) при питании от генераторов с АВР; в) при питании от энергосистемы.
Амплитуда периодической составляющей
изменяется в переходном процессе в
соответствии с изменением ЭДС источника
КЗ (рис. 3).При мощности
источника, соизмеримой с мощностью
элемента, где рассматривается КЗ, а
также отсутствииАРВ генераторов
ЭДС источника уменьшается от начального
значения
до установившегося
,
вследствие чего амплитуда периодической
составляющей изменяется от
(сверхпереходной ток КЗ) до
(установившейся то КЗ) (рис. 3,а).
При наличии АРВ генераторов периодическая составляющая тока КЗ изменяется, как показано на рис. 3,б.Снижение периодической составляющей в начальный период КЗ объясняется инерционностью действия устройства АРВ, которое начинает работать через0,08-0,3 с после возникновения КЗ. С повышением тока возбуждения генератора увеличивается его ЭДС и соответственно периодическая составляющая тока КЗ вплоть до установившегося значения.
Если мощность источника существенно больше мощности элемента, где рассматривается КЗ, что соответствует источнику неограниченной мощности, у которого внутреннее сопротивление равно нулю, то ЭДС источника является постоянной. Поэтому периодическая составляющая тока КЗ неизменна в течение переходного процесса (рис. 3,в), т. е.
Апериодическая составляющая тока КЗ
различна во всех фазах и может
изменяться в зависимости от момента
возникновения КЗ и предшествующего
режима (в пределах периода). Скорость
затухания апериодической составляющей
тока зависит от соотношения между
активным и индуктивным сопротивлением
цепи КЗ, т.е. от постоянной
:
чем больше активное сопротивление цепи,
тем интенсивнее затухание. Апериодическая
составляющая тока КЗ заметно проявляется
лишь в первые 0,1-0,2 с
после возникновения КЗ. Обычноопределяется по наибольшему возможному
мгновенному значению, которое (в цепях
с преобладающим индуктивным сопротивлением
)имеет место в момент прохождения
напряжения источника через нулевое
значение (
)и отсутствия тока нагрузки. При этом
.В данном случае полный ток КЗ имеет
наибольшее значение. Указанные условия
являются расчетными при определении
токов КЗ.
Максимальный мгновенный ток КЗ имеет
место примерно через полпериода, т.е.
через 0,01 спосле
возникновения КЗ. Наибольший возможный
мгновенный ток КЗ называют ударным
током
(рис. 3).Его определяют
для момента
с:
где
- ударный коэффициент, зависящий от
постоянной времени цепи КЗ.
Действующее значение полного тока КЗ для произвольного момента времени определяют из выражения:
(3.4)
где
- действующее значение периодической
составляющей тока КЗ;
- действующее значение апериодической
составляющей, равной
(3.5)
Наибольшее действующее значение ударного тока за первый период от начала процесса КЗ:
(3.6)
Мощность КЗ для произвольного момента времени:
(3.7)
Источники питания КЗ . При расчёте токов КЗ принимают, что источниками питания места КЗ являются турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели, асинхронные двигатели. Влияние асинхронных двигателей учитывается только в начальный момент времени и в тех случаях, когда они подключены непосредственно к месту КЗ.
Определяемые величины . При расчёте токов КЗ определяют следующие величины:
-начальное значение
периодической составляющей тока КЗ
(начальное значение сверхпереходного
тока КЗ);
- ударный ток КЗ, необходимый для проверки
электрических аппаратов, шин и изоляторов
на электродинамическую устойчивость;
- наибольшее действующее значение
ударного тока КЗ, необходимое для
проверки электрических аппаратов на
устойчивость течение первого периода
процесса КЗ;
- значениедля
,
необходимое для проверки выключателей
по отключаемому ими току;
-действующее значение
установившегося тока КЗ, по которому
проверяют электрические аппараты, шины,
проходные изоляторы и кабели на
термическую устойчивость;
- мощность КЗ для времени
;определяется для проверки выключателей
по предельно допустимой отключаемой
мощности. Для быстродействующих
выключателей это время может уменьшаться
до 0,08 с.
Допущения и расчётные условия . Для облегчения вычислений токов КЗ принимают ряд допущений:
1)ЭДС всех источников считаются совпадающими по фазе;
2)ЭДС источников, значительно
удаленных от места КЗ (
),считают неизменными;
3)не учитывают поперечные ёмкостные цепи КЗ (кроме воздушных линий 330 кВи выше и кабельных линий 110 кВи выше) и токи намагничивания трансформаторов;
4)активное сопротивление
цепи КЗ учитывают только при соотношении
,
где
и
- эквивалентные активные и реактивные
сопротивления короткозамкнутой цепи;
5)в ряде случаев не учитывают влияние нагрузок (или учитывают приближенно), в частности влияние мелких асинхронных и синхронных двигателей.
В соответствии с целью определения токов КЗ устанавливают расчётные условия, которые включают в себя составление расчётной схемы, определение режима КЗ, вида КЗ, мест расположения точек КЗ и расчётного времени КЗ.
При определении режима КЗ в зависимости от цели расчёта определяют возможные максимальные и минимальные уровни токов КЗ. Так, например, проверку электротехнического оборудования на электродинамическое и термическое действие токов КЗ осуществляют по наиболее тяжелому режиму -максимальному, когда через проверяемый элемент протекает наибольший ток КЗ. Наоборот, по минимальному режиму, соответствующему наименьшему току КЗ, осуществляют расчёт и проверку работоспособности устройств релейной защиты и автоматики.
Выбор вида КЗ определяется целью расчёта токов КЗ. Для определения электродинамической стойкости аппаратов и жестких шин в качестве расчётного принимают трёхфазное КЗ; для определения термической стойкости аппаратов, проводников -трёхфазное или двухфазное КЗ в зависимости от тока. Проверку отключающей и включающей способностей аппаратов проводят по трёхфазному или по однофазному току КЗ на землю (в сетях с большими токами замыкания на землю) в зависимости от его значения.
Выбор вида КЗ в расчётах релейной защиты определяется её функциональным назначением и может быть трёх-, двух-, однофазным и двухфазным КЗ на землю.
Места расположения точек КЗ выбирают таким образом, чтобы при КЗ проверяемое электрооборудование, проводники находились в наиболее неблагоприятных условиях. Например, для выбора коммутационной аппаратуры необходимо выбирать место КЗ непосредственно на их выходных зажимах, выбор сечения кабельной линии производят по току КЗ в начале линии. Места расположения точек КЗ при расчётах релейной защиты определяют по ее назначению -в начале или конце защищаемого участка.
Расчётное время КЗ. Действительное время, в течение которого происходит КЗ, определяется длительностью действия защиты и отключающей аппаратуры,
. (3.8)
В расчётах используют приведенное (фиктивное) время -промежуток времени, в течение которого установившийся ток КЗ выделяет то же количество тепла, которое должен выделить фактически проходящий ток КЗ за действительное время КЗ.
Приведенное время, соответствующее полному току КЗ,
. (3.9)
где
- приведённое время для периодической
составляющей тока КЗ;
- приведённое время для апериодической
составляющей тока КЗ.
При действительном времени
с
приведённое время для периодической
составляющей тока КЗ определяют по
номограммам.
При действительном времени
с
,
где
- значение приведённого времени для
с.
Определение приведённого времени для
апериодической составляющей
,
а производится при
по формуле:
, (3.10)
где
- отношение начального сверпереходного
тока к установившемуся в месте КЗ (
).
При
- по формуле:
. (3.11)
При действительном времени
более 1 сек
.
или
приведённым временем апериодической
составляющей тока КЗ ()
можно пренебречь.
Требуется выполнить расчет трехфазного тока короткого замыкания (ТКЗ) на шинах проектируемого ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 кВ «ГПП-3». Данная подстанция питается по двум ВЛ-110 кВ от ПС 110 кВ «ГПП-2». Питание ЗРУ-6 кВ «П4СР» получает от двух силовых трансформаторов ТДН-16000/110-У1, которые работаю раздельно. При отключении одного из вводов, предусмотрена возможность подачи питания на обесточенную секцию шин посредством секционного выключателя в автоматическом режиме (АВР).
На рисунке 1 приведена расчетная схема сети
Поскольку цепь от I с.ш. «ГПП-2» до I с.ш. «ГПП-3» идентична цепи II с.ш. от «ГПП-2» до II с.ш. «ГПП-3» расчет ведется только для первой цепи.
Схема замещения для расчета токов короткого замыкания приведена на рисунке 2.
Расчет будет производиться в именованных единицах.
2. Исходные данные для расчета
- 1. Данные системы: Iкз=22 кА;
- 2. Данные ВЛ - 2хАС-240/32 (Данные даны для одной цепи АС-240/32, РД 153-34.0-20.527-98, приложение 9):
- 2.1 Индуктивное сопротивление прямой последовательности - Х1уд=0,405 (Ом/км);
- 2.2 Емкостная проводимость - bуд=2,81х10-6 (См/км);
- 2.3 Активное сопротивление при +20 С на 100 км линии - R=R20C=0,12 (Ом/км).
- 3. Данные трансформатора (взяты с ГОСТ 12965-85):
- 3.1 ТДН-16000/110-У1, Uвн=115 кВ, Uнн=6,3 кВ, РПН ±9*1,78, Uк.вн-нн=10,5 %;
- 4. Данные гибкого токопровода: 3хАС-240/32, l=20 м. (Для упрощения расчета, сопротивление гибкого токопровода не учитывается.)
- 5. Данные токоограничивающего реатора - РБСДГ-10-2х2500-0,2 (взяты из ГОСТ 14794-79):
- 5.1 Номинальный ток реактора - Iном. = 2500 А;
- 5.2 Номинальные потери мощности на фазу реактора - ∆P= 32,1 кВт;
- 5.3 Индуктивное сопротивление – Х4=0,2 Ом.
3. Расчет сопротивлений элементов
3.1 Сопротивление системы (на напряжение 115 кВ):
3.2 Сопротивление воздушной линии (на напряжение 115 кВ):
Где:
n - Количество проводов в одной воздушной линии ВЛ-110 кВ;
3.3 Суммарное сопротивление до трансформатора (на напряжение 115 кВ):
Х1,2=Х1+Х2=3,018+0,02025=3,038 (Ом)
R1,2=R2=0,006 (Ом)
3.4 Сопротивление трансформатора:
3.4.1 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в среднем положении):
3.4.2 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «минусовом» положении):
3.4.3 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «плюсовом» положении):
Минимальное индуктивное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «минусовом» положении)
Максимальное индуктивное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «плюсовом» положении)
Величина входящая в формулу приведенную выше – напряжение, соответствующее крайнему положительному положению РПН, и она равна Uмакс.ВН=115*(1+0,1602)=133,423 кВ, что превышает наибольшее рабочее напряжение электрооборудования равное 126 кВ (ГОСТ 721-77 «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В»). Напряжению UмахВН соответствует Uк%max=10,81 (ГОСТ 12965-85).
Если Uмах.ВН, получается больше максимально допустимого для данной сети (табл.5.1), то Uмах.ВН следует принимать по этой таблице. Значение Uк%, соответствующее этому новому максимальному значению Uмах.ВН, определяют либо опытным путем, либо находят из приложений ГОСТ 12965-85.
3.4.5 Сопротивление токоограничивающего реактора (на напряжении 6,3 кВ):
4. Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К1
4.1 Суммарное индуктивное сопротивление:
Х∑=Х1,2=Х1+Х2=3,018+0,02025=3,038 (Ом)
4.2 Суммарное активное сопротивление:
R∑=R1,2=0,006 (Ом)
4.3 Суммарное полное сопротивление:
4.4 Ток трехфазного короткого замыкания:
4.5 Ударный ток короткого замыкания:
5. Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К2
6.1 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в среднее положение
6.1.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2, приводим к напряжению сети 6,3 кВ:
6.1.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:
6.1.3 Ударный ток короткого замыкания:
6.2 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в минусовое положение
6.2.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2 приводим к напряжению сети 6,3 кВ:
6.2.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:
6.2.3 Ударный ток короткого замыкания:
6.3 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в плюсовое положение
6.3.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2, приводим к напряжению сети 6,3 кВ:
6.3.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:
6.3.3 Ударный ток короткого замыкания:
Результаты расчетов заносим в таблицу РР1.3
Таблица РР1.3 – Данные расчета токов трехфазного короткого замыкания
| Положение РПН трансформатора | Токи КЗ | Точка короткого замыкания | ||
|---|---|---|---|---|
| К1 | К2 | К3 | ||
| РПН в среднем положении | Ток КЗ, кА | 21,855 | 13,471 | 7,739 |
| Ударный ток КЗ, кА | 35,549 | 35,549 | 20,849 | |
| Ток КЗ, кА | - | 13,95 | 7,924 | |
| Ударный ток КЗ, кА | - | 36,6 | 21,325 | |
| РПН в плюсовом положении | Ток КЗ, кА | - | 13,12 | 7,625 |
| Ударный ток КЗ, кА | - | 34,59 | 20,553 | |
7. Расчет тока короткого замыкания выполненный в Excel
Если выполнять данный расчет с помощью листка бумаги и калькулятора, уходит много времени, к тому же Вы можете ошибиться и весь расчет пойдет насмарку, а если еще и исходные данные постоянно меняются – это все приводит к увеличению времени на проектирование и не нужной трате нервов.
Поэтому, я принял решение выполнить данный расчет с помощью электронной таблицы Excel, чтобы больше не тратить в пустую свое время на перерасчеты ТКЗ и обезопасить себя от лишних ошибок, с ее помощью можно быстро пересчитать токи КЗ, изменяя только исходные данные.
Надеюсь, что данная программа Вам поможет, и Вы потратите меньше времени на проектирование Вашего объекта.
8. Список литературы
- 1. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.
РД 153-34.0-20.527-98. 1998 г. - 2. Как рассчитать ток короткого замыкания. Е. Н. Беляев. 1983г.
- 3. Расчет токов короткого замыкания в электросетях 0,4-35 кВ, Голубев М.Л. 1980 г.
- 4. Расчет токов короткого замыкания для релейной защиты. И.Л.Небрат. 1998 г.
- 5. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.
Здравствуйте, дорогие друзья! В данной статье вы узнаете, что такое ток короткого замыкания, его причины и как его рассчитать. Короткое замыкание происходит, когда токоведущие части различных потенциалов или фаз, соединяются между собой. Замыкание может образоваться и на корпусе оборудования, имеющем связь с землей. Данное явление характерно также для электрических сетей и электрических приемников.
Причины и действие тока короткого замыкания
Причины возникновения короткого замыкания могут быть самыми различными. Этому способствует влажная или агрессивная среда, в которой значительно ухудшается сопротивление изоляции. Замыкание может стать результатом механических воздействий или ошибок персонала во время ремонта и обслуживания. Суть явления заключается в его названии и представляет собой укорачивание пути, по которому проходит ток. В результате, ток протекает мимо нагрузки, обладающей сопротивлением. Одновременно, происходит его увеличение до недопустимых пределов, если не сработает защитное отключение.
Токи короткого замыкания оказывают на аппаратуру и электроустановки электродинамическое и термическое воздействие, что в конечном итоге, приводит к их значительной деформации и перегреву. В связи с этим, необходимо заранее производить расчеты токов короткого замыкания.
Как рассчитать ток короткого замыкания в домашних условиях
Знание величины тока короткого замыкания крайне необходимо для обеспечения пожарной безопасности. Очевидно, что если измеренный ток короткого замыкания меньше тока уставки максимальной защиты автомата или 4-х кратного значения номинала тока предохранителя, то время срабатывания (перегорания плавкой вставки) будет больше, а это, в свою очередь, может привести к чрезмерному нагреву проводов и их возгоранию.
Как этот ток определить? Существуют специальные методики и специальные приборы для этого. Здесь рассмотрим вопрос как это сделать, имея лишь или даже вольтметр. Очевидно, что этот способ имеет не очень высокую точность, но всё же достаточную для обнаружения несоответствия максимально-токовой защиты к величине этого тока.
Как это сделать в домашних условиях? Необходимо взять достаточно мощный приёмник, например, электрический чайник или утюг. Ещё неплохо бы иметь тройник. К тройнику подключаем наш потребитель и вольтметр или мультиметр в режиме измерения напряжения. Записываем установившуюся величину напряжения (U1). Отключаем потребитель, и записываем величину напряжения без нагрузки (U2). Дальше производим расчёт. Нужно разделить мощность вашего потребителя (P) на разность замеренных напряжений.
Iк.з.(1) = Р/(U2 – U1)
Посчитаем на примере. Чайник 2 кВт. Первый замер – 215 В, второй замер – 230 В. По расчёту получается 133,3 А. Если стоит, например, автомат ВА 47-29 с характеристикой С, то его уставка будет от 80 до 160 Ампер. Следовательно, возможно, что этот автомат сработает с задержкой. По характеристике автомата можно определить, что время срабатывания может быть при этом до 5 секунд. Что в принципе опасно.
Что делать? Нужно увеличить величину тока короткого замыкания. Увеличить этот ток можно заменив провода питающей линии на большее сечение.
Полезное КЗ
Казалось бы, очевидный факт состоит в том, что короткое замыкание – явление крайне скверное, неприятное и нежелательное. Оно может привести в лучшем случае к обесточиванию объекта, отключению аварийной защитной аппаратуры, а в худшем – к выгоранию проводки и даже пожару. Следовательно, все силы нужно сосредоточить на том, чтобы избежать этой напасти. Однако расчет токов короткого замыкания имеет вполне реальный и практический смысл. Изобретено немало технических средств, работающих в режиме высоких токовых значений. Примером может служить обычный сварочный аппарат, особенно дуговой, замыкающий в момент эксплуатации практически накоротко электрод с заземлением. Другой вопрос состоит в том, что режимы эти носят кратковременный характер, а мощность трансформатора позволяет выдерживать эти перегрузки. При сварке в точке касания окончания электрода проходят огромные токи (они измеряются в десятках ампер), в результате чего выделяется достаточно тепла для местного расплавления металла и создания прочного шва.