Основною причиною порушення нормального режиму роботи системи електропостачання (СЕС) є виникнення коротких замикань (КЗ) у мережі чи елементах електрообладнання внаслідок пошкодження ізоляції чи неправильних дій обслуговуючого персоналу. Для зниження шкоди, зумовленої виходом з ладу електрообладнання при протіканні струмів КЗ, а також для швидкого відновлення нормального режиму роботи СЕС необхідно правильно визначати струми КЗ і вибирати електрообладнання, захисну апаратуру і засоби обмеження струмів КЗ.
Коротким замиканнямназивається безпосереднє з'єднання між будь-якими точками різних фаз, фази та нульового дроту або фази із землею, не передбачене нормальними умовами роботи установки.
Основні види коротких замикань у електричних системах:
3. Однофазне КЗпри якому відбувається замикання однієї з фаз на нульовий провід або землю. Умовне позначенняточки однофазного КЗ 
Струми, напруги, потужності інші величини, що відносяться до однофазного КЗ, позначаються 
,
,
і т.д.
Зустрічаються й інші види КЗ, пов'язані з урвищами проводів і одночасними замикання проводів різних фаз.
Трифазний КЗ є симетричним, оскільки при ньому всі три фази виявляються в однакових умовах. Всі інші види коротких замикань є несиметричним, тому що при них фази не залишаються в однакових умовах, внаслідок чого системи струмів та напруги виходять спотвореними.
У разі КЗ загальний електричний опір ланцюга системи електропостачання зменшується, унаслідок чого струми у гілках системи різко збільшуються, а напруги окремих ділянках системи знижуються.
Елементи електричних систем мають активні та реактивні (індуктивні або ємнісні) опори, тому при раптовому порушенні нормального режиму роботи (при виникненні КЗ) електрична система являє собою коливальний контур. Струми у гілках системи та напруги в окремих її частинах будуть змінюватися протягом деякого часу після виникнення КЗ відповідно до параметрів цього контуру. Тобто. за час короткого замикання ланцюга пошкодженої ділянки протікає перехідний процес.
При КЗ у кожній з фаз поряд з періодичною складовою струму (що становить струму змінного знака) має місце аперіодична складова струму (складова постійного знака), яка також може змінювати знак, але через великі проміжки часу порівняно з періодичною.
Миттєве значення повного струмуКЗ для довільного моменту часу:
де 
- аперіодична складова струму КЗ у момент часу 
;
- Кутова частота змінного струму; 
- фазовий кут напруги джерела на момент часу ;
- кут зсуву струму в ланцюгу КЗ щодо напруги джерела; - постійна часу ланцюга КЗ; 
- індуктивність, індуктивний та активний опір ланцюга КЗ.
Періодична складова 
струму КЗ (рис. 1) однакова всім трьох фазі визначається для будь-якого моменту часу значенням ординати огинаючої, поділеної на 
. Аперіодична складова 
струму КЗ різна всім трьох фаз (див. рис. 2)і змінюється залежно від моменту виникнення КЗ.
Мал. 3. Зміна в часі періодичної складової струму КЗ:
а) під час живлення від генераторів без АВР; б) при живленні від генераторів із АВР; в) під час живлення від енергосистеми.
Амплітуда періодичної складової змінюється у перехідному процесі відповідно до зміни ЕРС джерелаКЗ (рис. 3). При потужності джерела, порівнянної з потужністю елемента, де розглядається КЗ, а також відсутності АРВ генераторів ЕРС джерела зменшується від початкового значення 
до встановленого 
, внаслідок чого амплітуда періодичної складової змінюється від 
(Надперехідний струм КЗ) до 
(Встановилася КЗ) (рис. 3,а).
За наявності АРВ генераторів періодична складова струму КЗ змінюється, як показано на рис. 3,б. Зниження періодичної складової у початковий період КЗ пояснюється інерційністю дії пристрою АРВ, який починає працювати через 0,08-0,3 с після виникнення КЗ. З підвищенням струму збудження генератора збільшується його ЕРС і відповідно періодична складова струму КЗ аж до встановленого значення.
Якщо потужність джерела істотно більша за потужність елемента, де розглядається КЗ, що відповідає джерелу необмеженої потужності, у якого внутрішній опір дорівнює нулю, то ЕРС джерела є постійною. Тому періодична складова струму КЗ незмінна протягом перехідного процесу (рис. 3, в), тобто.
Аперіодична складова струму КЗ 
різна у всіх фазах і може змінюватись в залежності від моменту виникнення КЗ та попереднього режиму (у межах періоду). Швидкість згасання апериодической складової струму залежить від співвідношення між активним та індуктивним опором ланцюга КЗ, тобто. від постійної 
: чим активніший опір ланцюга, тим інтенсивніше загасання. Аперіодична складова струму КЗ помітно проявляється лише у перші 0,1-0,2 с після виникнення КЗ. Зазвичай визначається за найбільшим можливим миттєвим значенням, яке (у ланцюгах з переважним індуктивним опором 
)має місце в момент проходження напруги джерела через нульове значення ( 
)і відсутності струму навантаження. При цьому 
.У разі повний струм КЗ має найбільше значення. Зазначені умови є розрахунковими щодо струмів КЗ.
Максимальний миттєвий струмКЗ має місце приблизно через півперіоду, тобто. через 0,01 після виникнення КЗ. Найбільший можливий миттєвий струм КЗ називають ударним струмом 
(рис. 3). Його визначають для моменту 
з:
де 
- ударний коефіцієнт, що залежить від постійного часу ланцюга КЗ.
Чинне значення повного струму КЗ для довільного моменту визначають з виразу:
(3.4)
де 
- Чинне значення періодичної складової струму КЗ; 
- Чинне значення аперіодичної складової, що дорівнює
(3.5)
Найбільше значення ударного струму, що діє, за перший період від початку процесу КЗ:
(3.6)
Потужність КЗ для довільного часу:
(3.7)
Джерела харчування КЗ. При розрахунку струмів КЗ приймають, що джерелами живлення місця КЗ є турбо- та гідрогенератори, синхронні компенсатори та двигуни, асинхронні двигуни. Вплив асинхронних двигунів враховується тільки в початковий момент часу та в тих випадках, коли вони підключені безпосередньо до місця КЗ.
Визначаються величини. При розрахунку струмів КЗ визначають такі величини:
-Початкове значення періодичної складової струму КЗ (початкове значення надперехідного струму КЗ);
- ударний струм КЗ, необхідний перевірки електричних апаратів, шин і ізоляторів на электродинамическую стійкість;
- найбільше значення ударного струму КЗ, необхідне для перевірки електричних апаратів на стійкість протягом першого періоду процесу КЗ;
- значення для 
, необхідне для перевірки вимикачів по струму, що ними відключається;
-діюче значення встановленого струму КЗ, яким перевіряють електричні апарати, шини, прохідні ізолятори і кабелі на термічну стійкість;
- Потужність КЗ для часу ;визначається для перевірки вимикачів за гранично допустимою потужністю, що відключається. Для швидкодіючих вимикачів цей час може зменшуватись до 0,08 с.
Допущення та розрахункові умови. Для полегшення обчислень струмів КЗ приймають низку припущень:
1) ЕРС всіх джерел вважаються такими, що збігаються по фазі;
2) ЕРС джерел, значно віддалених від місця КЗ ( 
), вважають незмінними;
3) не враховують поперечні ємнісні ланцюги КЗ (крім повітряних ліній 330 кВі вище та кабельних ліній 110 кВі вище) та струми намагнічування трансформаторів;
4) активний опір ланцюга КЗ враховують лише за співвідношенням 
,
де 
і 
- еквівалентні активні та реактивні опори короткозамкнутого ланцюга;
5) у ряді випадків не враховують вплив навантажень (або враховують приблизно), зокрема вплив дрібних асинхронних та синхронних двигунів.
Відповідно до метою визначення струмів КЗ встановлюють розрахункові умови, які включають складання розрахункової схеми, визначення режиму КЗ, виду КЗ, місць розташування точок КЗ і розрахункового часу КЗ.
При визначенні режиму КЗ залежно від мети розрахунку визначають можливі максимальні та мінімальні рівні струмів КЗ. Так, наприклад, перевірку електротехнічного обладнання на електродинамічний і термічну дію струмів КЗ здійснюють за найбільш важким режимом -максимальному, коли через елемент, що перевіряється, протікає найбільший струм КЗ. Навпаки, за мінімальним режимом, що відповідає найменшому струму КЗ , здійснюють розрахунок та перевірку працездатності пристроїв релейного захисту та автоматики.
Вибір виду КЗвизначається метою розрахунку струмів КЗ. Для визначення електродинамічної стійкості апаратів і жорстких шин як розрахунковий приймають трифазне КЗ; для визначення термічної стійкості апаратів, провідників трифазне або двофазне КЗ залежно від струму. Перевірку відключає і включає здібностей апаратів проводять по трифазному або по однофазного струмуКЗ на землю (в мережах з великими струмами замикання на землю) в залежності від його значення.
Вибір виду КЗ в розрахунках релейного захисту визначається її функціональним призначенням і може бути три-, дво-, однофазним та двофазним КЗ на землю.
Місця розташування точок КЗвибирають таким чином, щоб при КЗ електрообладнання, що перевіряється, провідники знаходилися в найбільш несприятливих умовах. Наприклад, для вибору комутаційної апаратури необхідно вибирати місце КЗ безпосередньо на їх вихідних затискачах, вибір перерізу кабельної лінії виробляють струм КЗ на початку лінії. Місця розташування точок КЗ при розрахунках релейного захисту визначають за її призначенням -на початку або кінці ділянки, що захищається.
Розрахунковий час КЗ. Дійсний час, протягом якого відбувається КЗ, визначається тривалістю дії захисту та відключаючої апаратури,
. (3.8)
У розрахунках використовують наведений (фіктивний) час -проміжок часу, протягом якого струм КЗ, що встановився, виділяє ту ж кількість тепла, яке повинен виділити фактично проходить струм КЗ за дійсний час КЗ.
Наведений час, що відповідає повному струму КЗ,
. (3.9)
де 
- наведений час для періодичної складової струму КЗ;
- наведений час для аперіодичної складової струму КЗ.
За дійсного часу 
з наведений час для періодичної складової струму КЗ визначають за номограм.
За дійсного часу 
з 
, де 
- значення наведеного часу для 
с.
Визначення наведеного часу для аперіодичної складової , а виробляється при 
за формулою:
, (3.10)
де 
- Відношення початкового сверпереходного струму до КЗ, що встановився в місці ( 
).
При 
- за формулою:
. (3.11)
За дійсного часу більше 1 сік. або 
наведеним часом аперіодичної складової струму КЗ ( ) можна знехтувати.
Потрібно виконати розрахунок трифазного струму короткого замикання (ТКЗ)на шинах проектованого ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 кВ "ГПП-3". Ця підстанція живиться за двома ПЛ-110 кВ від ПС 110 кВ «ГПП-2». Живлення ЗРУ-6 кВ «П4СР» отримує від двох силових трансформаторівТДН-16000/110-У1, які працюю окремо. При відключенні одного з введень передбачена можливість подачі живлення на знеструмлену секцію шин за допомогою секційного вимикача в автоматичному режимі (АВР).
На малюнку 1 наведено розрахункова схемамережі
Оскільки ланцюг від І пн.ш. "ГПП-2" до I пн.ш. «ГПП-3» ідентична ланцюгу II пн.ш. від "ГПП-2" до II пн.ш. «ГПП-3» розрахунок ведеться лише першої ланцюга.
Схема заміщення до розрахунку струмів короткого замикання наведено малюнку 2.
Розрахунок проводитиметься в іменованих одиницях.
2. Вихідні дані до розрахунку
- 1. Дані системи: Iкз = 22 кА;
- 2. Дані ПЛ - 2хАС-240/32 (Дані дані для одного ланцюга АС-240/32, РД 153-34.0-20.527-98, додаток 9):
- 2.1 Індуктивний опір прямої послідовності - Х1уд = 0,405 (Ом/км);
- 2.2 Ємнісна провідність - bуд = 2,81 х10-6 (Див/км);
- 2.3 Активний опір при +20 С на 100 км лінії - R=R20C=0,12 (Ом/км).
- 3. Дані трансформатора (взяті з 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. Дані гнучкого струмопроводу: 3хАС-240/32, l=20 м. (Для спрощення розрахунку, опір гнучкого струмопроводу не враховується.)
- 5. Дані струмообмежувального реатора - РБСДГ-10-2х2500-0,2 (взяті з ГОСТ 14794-79):
- 5.1 Номінальний струмреактора – Iном. = 2500 А;
- 5.2 Номінальні втрати потужності на фазу реактора - ∆P = 32,1 кВт;
- 5.3 Індуктивний опір - Х4 = 0,2 Ом.
3. Розрахунок опорів елементів
3.1 Опір системи (на напругу 115 кВ):
3.2 Опір повітряної лінії(На напругу 115 кВ):
Де:
n - кількість проводів в одній повітряній лінії ПЛ-110 кВ;
3.3 Сумарний опір до трансформатора (на напругу 115 кВ):
Х1,2 = Х1 + Х2 = 3,018 +0,02025 = 3,038 (Ом)
R1,2 = R2 = 0,006 (Ом)
3.4 Опір трансформатора:
3.4.1 Активний опір трансформатора (РПН знаходиться в середньому):
3.4.2 Активний опір трансформатора (РПН знаходиться у крайньому «мінусовому» положенні):
3.4.3 Активний опір трансформатора (РПН знаходиться у крайньому «плюсовому» положенні):
Мінімальний індуктивний опір трансформатора (РПН знаходиться у крайньому «мінусовому» положенні)
Максимальний індуктивний опір трансформатора (РПН знаходиться у крайньому «плюсовому» положенні)
Величина, що входить у формулу, наведену вище – напруга, що відповідає крайньому позитивному положенню РПН, і вона дорівнює Uмакс.ВН=115*(1+0,1602)=133,423 кВ, що перевищує найбільшу робочу напругу електроустаткування рівне 176 кВ Системи електропостачання, мережі, джерела, перетворювачі та приймачі електричної енергії. Номінальна напругапонад 1000»). Напрузі UмахВН відповідає Uк%max=10,81 (ГОСТ 12965-85).
Якщо Uмах.ВН виходить більше максимально допустимого для цієї мережі (табл.5.1), то Uмах.ВН слід приймати за цією таблицею. Значення Uк%, що відповідає цьому новому максимальному значенню Uмах.ВН, визначають або досвідченим шляхом, або знаходять із додатків ГОСТ 12965-85.
3.4.5 Опір струмообмежувального реактора (на напрузі 6,3 кВ):
4. Розрахунок струмів трифазного короткого замикання у точці К1
4.1 Сумарний індуктивний опір:
Х∑=Х1,2=Х1+Х2=3,018+0,02025=3,038 (Ом)
4.2 Сумарний активний опір:
R∑=R1,2=0,006 (Ом)
4.3 Сумарний повний опір:
4.4 Струм трифазного короткого замикання:
4.5 Ударний струм короткого замикання:
5. Розрахунок струмів трифазного короткого замикання у точці К2
6.1 Опір на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3, встановленому в середнє положення
6.1.1 Значення сумарного опору в точці К2, наводимо до напруги мережі 6,3 кВ:
6.1.2 Струм у місці короткого замикання, наведений до діючої напруги 6,3 кВ, дорівнює:
6.1.3 Ударний струм короткого замикання:
6.2 Опір на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3, встановленому в мінусове положення
6.2.1 Значення сумарного опору в точці К2 призводить до напруги мережі 6,3 кВ:
6.2.2 Струм у місці короткого замикання, наведений до діючої напруги 6,3 кВ, дорівнює:
6.2.3 Ударний струм короткого замикання:
6.3 Опір на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3, встановленому в плюсове положення
6.3.1 Значення сумарного опору в точці К2, наводимо до напруги мережі 6,3 кВ:
6.3.2 Струм у місці короткого замикання, наведений до діючої напруги 6,3 кВ, дорівнює:
6.3.3 Ударний струм короткого замикання:
Результати розрахунків заносимо до таблиці РР1.3
Таблиця РР1.3 - Дані розрахунку струмів трифазного короткого замикання
| Положення РПН трансформатора | Струми КЗ | Крапка короткого замикання | ||
|---|---|---|---|---|
| К1 | К2 | К3 | ||
| РНН у середньому становищі | Струм КЗ, кА | 21,855 | 13,471 | 7,739 |
| Ударний струм КЗ, кА | 35,549 | 35,549 | 20,849 | |
| Струм КЗ, кА | - | 13,95 | 7,924 | |
| Ударний струм КЗ, кА | - | 36,6 | 21,325 | |
| РПН у плюсовому положенні | Струм КЗ, кА | - | 13,12 | 7,625 |
| Ударний струм КЗ, кА | - | 34,59 | 20,553 | |
7. Розрахунок струму короткого замикання виконаний в Excel
Якщо виконувати цей розрахунок за допомогою аркуша паперу та калькулятора, йде багато часу, до того ж Ви можете помилитися і весь розрахунок піде нанівець, а якщо ще й вихідні дані постійно змінюються – це все призводить до збільшення часу на проектування та непотрібну витрату нервів.
Тому я прийняв рішення виконати даний розрахунок за допомогою електронної таблиці Excel, щоб більше не витрачати порожній свій час на перерахунки ТКЗ і убезпечити себе від зайвих помилок, з її допомогою можна швидко перерахувати струми КЗ, змінюючи тільки вихідні дані.
Сподіваюся, що дана програма Вам допоможе і Ви витратите менше часу на проектування Вашого об'єкта.
8. Список літератури
- 1. Керівні вказівки щодо розрахунку струмів короткого замикання та вибору електрообладнання.
РД 153-34.0-20.527-98. 1998 р. - 2. Як розрахувати струм короткого замикання. Є. Н. Бєляєв. 1983р.
- 3. Розрахунок струмів короткого замикання в електромережах 0,4-35 кВ, Голубєв М.Л. 1980 р.
- 4. Розрахунок струмів короткого замикання для релейного захисту. І.Л.Небрат. 1998 р.
- 5. Правила влаштування електроустановок (ПУЕ). Сьоме видання. 2008р.
Вітаю, дорогі друзі! У цій статті ви дізнаєтеся, що таке струм короткого замикання, його причини та як його розрахувати. Коротке замикання відбувається, коли струмопровідні частини різних потенціалів або фаз з'єднуються між собою. Замикання може утворитися і корпусі устаткування, що має зв'язок із землею. Дане явище характерне також для електричних мережта електричних приймачів.
Причини та дія струму короткого замикання
Причини виникнення короткого замикання можуть бути різними. Цьому сприяє волога або агресивна середа, В якій значно погіршується опір ізоляції. Замикання може стати результатом механічних впливівабо помилок персоналу під час ремонту та обслуговування. Суть явища полягає в його назві і є укорочення шляху, яким проходить струм. В результаті, струм протікає повз навантаження, що має опір. Одночасно відбувається його збільшення до неприпустимих меж, якщо не спрацює захисне відключення.
Струми короткого замикання надають на апаратуру та електроустановки електродинамічний і термічний вплив, що в кінцевому підсумку призводить до їх значної деформації та перегріву. У зв'язку з цим необхідно заздалегідь проводити розрахунки струмів короткого замикання.
Як розрахувати струм короткого замикання в домашніх умовах
Знання величини струму короткого замикання вкрай необхідне забезпечення пожежної безпеки. Очевидно, що якщо вимірюваний струм короткого замикання менший за струм уставки максимального захистуавтомата або 4-х кратного значення номіналу струму запобіжника, той час спрацьовування (перегорання плавкою вставки) буде більше, а це, у свою чергу, може призвести до надмірного нагрівання проводів та їх загоряння.
Як цей струм визначити? Існують спеціальні методикита спеціальні прилади для цього. Тут розглянемо питання як це зробити, маючи лише чи навіть вольтметр. Очевидно, що цей спосіб має не дуже високу точність, але все ж таки достатню для виявлення невідповідності максимально-струмового захисту до величини цього струму.
Як це зробити в домашніх умовах? Необхідно взяти досить потужний приймач, наприклад, електричний чайникабо праска. Ще непогано б мати трійник. До трійника підключаємо наш споживач та вольтметр чи мультиметр у режимі вимірювання напруги. Записуємо встановлену величину напруги (U1). Відключаємо споживач і записуємо величину напруги без навантаження (U2). Далі робимо розрахунок. Потрібно розділити потужність вашого споживача (P) на різницю вимірюваної напруги.
Iк.з.(1) = Р/(U2 – U1)
Порахуємо з прикладу. Чайник 2кВт. Перший замір – 215 В, другий замір – 230 В. За розрахунком виходить 133,3 А. Якщо стоїть, наприклад, автомат ВА 47-29 з характеристикою С, його уставка буде від 80 до 160 Ампер. Отже, можливо, що цей автомат спрацює із затримкою. За характеристикою автомата можна визначити, що спрацьовування може бути при цьому до 5 секунд. Що, в принципі, небезпечно.
Що робити? Потрібно збільшити величину струму короткого замикання. Збільшити цей струм можна замінивши проводу лінії живлення на більший переріз.
Корисне КЗ
Здавалося б, очевидний факт полягає в тому, що коротке замикання – явище вкрай погане, неприємне та небажане. Воно може привести до найкращому випадкудо знеструмлення об'єкта, відключення аварійної захисної апаратури, а в гіршому – до вигоряння проводки та навіть пожежі. Отже, всі сили потрібно зосередити на тому, щоб уникнути цієї напасті. Однак розрахунок струмів короткого замикання має цілком реальний та практичний зміст. Винайдено чимало технічних засобів, що працюють у режимі високих струмових значень. Прикладом може бути звичайний зварювальний апарат, особливо дуговий, що замикає в момент експлуатації практично коротко електрод із заземленням. Інше питання полягає в тому, що ці режими носять короткочасний характер, а потужність трансформатора дозволяє витримувати ці перевантаження. При зварюванні в точці торкання закінчення електрода проходять величезні струми (вони вимірюються в десятках ампер), внаслідок чого виділяється достатньо тепла для місцевого розплавлення металу та створення міцного шва.