Порядок расчета токов короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания ведется в следующей последовательности:

1. Выбирают расчетную схему. Для расчета используют принципиальную электрическую схему первичной коммутации. Принимается та часть системы, где необходимо определить ток короткого замыкания. Схему составляют в однолинейном исполнении. В нее включают генераторы, трансформаторы, линии электропередачи и другие элементы, соединяющие источники питания с точкой короткого замыкания. Каждому элементу схемы присваивается свой порядковый номер, и указываются его номинальные данные.

Определяют расчетный режим системы, обеспечивающий максимальные, или минимальные токи короткого замыкания, выбирается расчетная точка (на шинах подстанции, в конце линии и т.д.) и расчетный вид короткого замыкания (трехфазное, двухфазное, однофазное), а также расчетный момент времени переходного процесса (t = 0; t = 2,5 с и т. д.). Для проверки высоковольтных аппаратов подстанции на термическую и динамическую устойчивость необходимо знать наибольшее значение тока короткого замыкания. В этом случае расчетными условиями считаются: все источники питания включены; короткое замыкание произошло в месте установки аппаратов; вид короткого замыкания такой, при котором ток будет иметь наибольшее значение; время короткого замыкания принимается t = 0. Для оценки чувствительности релейной защиты расчетные условия должны быть такие, при которых токи короткого замыкания имеют минимальные значения.

2. Составляют схему замещения. Для этого все элементы расчетной схемы заменяются электрическими сопротивлениями, а для источников питания указывается значение ЭДС.

В установках напряжением выше 1000 В учитывают сопротивления генераторов и компенсаторов, крупных электродвигателей, трансформаторов и автотрансформаторов, реакторов, воздушных и кабельных линий.

Сопротивления электрических аппаратов (выключателей, разъединителей и др.), а также соединительных кабелей и шин распределительных устройств не учитываются, так как величины их небольшие.

Активное сопротивление элементов цепей напряжением выше 1000 В не учитывается, так как оно невелико по сравнению с их индуктивным сопротивлением. Учитывают активное сопротивление воздушных линий с проводами малых сечений, а также протяженных кабельных линий. Обычно активное сопротивление цепи короткого замыкания целесообразно учитывать, когда оно больше 1/3 индуктивного сопротивления той же цепи.

В установках напряжением выше 1000 В учитываются индуктивные сопротивления всех выше перечисленных элементов, а также кабелей и шин длиной 10 – 15 км и более, первичных обмоток трансформаторов тока (многовитковых), катушек максимальных расцепителей автоматов, контактов рубильников и автоматов. Можно не учитывать те элементы цепи, суммарное влияние которых на величину полного сопротивления цепи не превышает 10 %.

Активное сопротивление элементов напряжением до 1000 В следует учитывать, так как оно относительно велико по сравнению с их индуктивным сопротивлением.

Номинальные напряжения элементов схемы замещения заменяют средненоминальными (базисными), то есть их увеличивают на 5 %. В результате получают следующую шкалу: 0,23; 0,4; 6,3; 10,5; 37; 115 кВ и т. д.

3. Преобразовывают схему замещения к простейшему виду. Используя известные из электротехники правила, преобразовывают сопротивления схемы замещения к одному результирующему, с одной стороны которого находится источник питания, с другой – точка короткого замыкания.

4. Выбирают вид короткого замыкания. Он определяется задачей расчета. Если необходимо знать максимальные значения токов, то в сетях 10 и 35 кВ таковыми являются токи трехфазного короткого замыкания, минимальными – двухфазного. В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше, а также 380/220 В - токи однофазного короткого замыкания, которые могут быть даже больше трехфазного.

5. Определяют непосредственно ток короткого замыкания. В зависимости от задач расчета и расчетной схемы могут применяться различные способы расчета.

Расчет токов короткого замыкания в низковольтных электрических сетях выполняют в именованных единицах. Расчет сводится к определению максимального, трехфазного, тока короткого замыкания на шинах 0,4кВ трансформатора и минимального, однофазного, тока в наиболее электрически удаленной точке линии.

По трехфазному току короткого замыкания проверяют устойчивость аппаратуры подстанции, по однофазному – настраивают работу защиты и проверяют устойчивость аппаратуры подстанции, по однофазному – настраивают работу защиты и проверяют эффективность системы зануления.

При расчете токов короткого замыкания в сетях напряжением 380/220 В учитывают следующее:

- активное и реактивное сопротивление элементов системы;

- сопротивление соединительных шин и кабелей длиной 10-15м и более;

- сопротивление первичных обмоток трансформаторов тока (низковольтных), катушек максимальных расцепителей автоматов, контактов рубильников и т.д.

При этом можно не учитывать те элементы цепи, суммарное влияние которых на величину полного сопротивления цепи не превышает 10%.

При расчете токов короткого замыкания и отсутствии достоверных данных о контактах и их переходных сопротивлениях рекомендуется активное сопротивление переходных контактов принимать следующими: 0,02Ом – при длине ВЛ до 250м, 0,025Ом – при длине ВЛ до 500м, 0,03Ом – при длине ВЛ более 500м.

 

Порядок расчета.

На основании схемы электроснабжения составляется упрощенная расчетная схема и ее схема замещения.

Определяются сопротивления элементов сети. Сопротивление системы принимается (Х_с) = 0. Сопротивлением линии 10 кВ можно пренебречь, так как оно значительно меньше сопротивления линии 0,38 кВ.

Активные и индуктивные сопротивления трансформатора 10/0,4 кВ определяются по формулам:

 

 

 

где – потери короткого замыкания трансформатора, Вт. Приложение В.

 

Полное сопротивление трансформатора

 

 

где U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, Приложение В, процент;

U_б – базисное (средненоминальное напряжение на шинах трансформатора, В;

S_н – номинальная мощность трансформатора, кВ×А

Активные и индуктивные сопротивления проводов ВЛ определяются по выражениям

 

где r₀ – активное сопротивление линии, Ом/км, таблицs 4.15 – 4,17, 4.19

х₀ – реактивное сопротивление линии, Ом/км, таблица 4.18

Находят результирующие (эквивалентные) сопротивления на шинах 0,4 кВ трансформатора z_рез1 и в конце наиболее удаленной точки линии 380 В z_рез2.

 

 

Определяют токи короткого замыкания:

- трехфазный

 

 

 

- однофазный

 

где – сопротивление трансформатора току однофазного короткого замы-кания, определяется по Приложению В;

– сопротивление петли «фазный провод – нулевой провод», определяется по формуле

Или

 

 

где R₀, Х₀ – удельное активное и индуктивное сопротивление проводов фазного и нулевого, Ом/км, таблицаы 4.15 – 4.19;

– длина провода до точки короткого замыкания, км;

 

- двухфазный в месте установки аппарата защиты

 

Пример 5.1

Рассчитать токи трехфазного, двухфазного, однофазного короткого замыкания в заденных точках, изображенных на рисунке 5.1, для заданной электрической сети, рисунок 2 примера 3.1. За исходные данные принять результаты расчетов в примере 3.1 и 4.2.

Решение

Производим расчет токов короткого замыкания для первого фидера.

1. Составляем расчетную схему электрической сети 0,38 кВ

Расчетная точка К1 – на шине ТП, К2 – в точке 2 на рисунке 3.2 примера 3.1, К3 – в точке 12 на рисунке 3.2.

 

 

КТП 100/10

Рисунок 5.1 – Расчетная схема

 

2. Составляем схему замещения

 

 

Рисунок 3.2 – Схема замещения

 

3. Производим расчет трехфазного короткого замыкания в точке К1.

3.1 Базисное напряжение (средненоминальное)

 

 

3.2 Полное сопротивление трансформатора

 

 

3.3 Ток трехфазного короткого замыкания:

 

 

4. Ток двухфазного короткого замыкания на шинах трансформатора

 

 

5. Ток трехфазного короткого замыкания в точке К2.

5.1 Активное сопротивление трансформатора

 

 

5.2 Индуктивное сопротивление трансформатора

 

5.3 Активное и реактивное сопротивление линии до точки К2:

 

 

 

5.4 Эквивалентное сопротивление до точки к.з.К2

 

 

 

5.5 Трехфазный ток короткого замыкания в точке К2

 

6. Полное сопротивление петли фаза-нуль:

 

 

7. Ток однофазного короткого замыкания:

 

8. Ток короткого замыкания в фидере освещения:

 

 

 

Расчет остальных фидеров проводим аналогично и результаты расчетов заносим в таблицу 5.1.

 

 

Таблица 5.1 – Расчет токов к.з.

 

Наименование линии	, А	, А	, А	, А	, А
КТП 100/10
Фидер 1(0-1)	3066,7	2652,7	1533,3	438,1	238,3
Фидер 2(0-13)	3066,7	2652,7		273,8	167,2
Фидер 3(0-20)	3066,7	2652,7	1916,7	340,7	180,3

 

Пример 5.2

Проверить на действие токов короткого замыкания выбранные провода на участке 0-1марки СИП 3×70+1×95 в примере 4.4

Проверяются выбранные сечения жил проводов ВЛИ по условию нагрева током короткого замыкания

 

где S – сечение токопроводящей жилы выбранного провода, мм²;

I_к.з.– значение установившегося тока трёхфазного короткого замыкания в начале проверяемого провода ВЛИ, А;

t_к – время протекания тока короткого замыкания, с;

к – коэффициент, в зависимости от термостойкости изоляции провода принимается 92 - из сшитого полиэтилена, 59 – из термопластичного полиэтилена.

Время протекания тока короткого замыкания по проводнику принимается равным времени отключения вы­ключателя t_в = 0,2с. Односекундный ток короткого замыкания равен 1600А > 1533,3А (таблица 4.17)

 

 

Так как условие (5.11) соблюдается, то выбранное сечение подходит для данного участка. Остальные выбранные провода проверяются аналогично.

 

6 Выбор аппаратов защиты для электрических линий напряже­нием 380/220 В

 

Линии электропередачи, отходящие от подстанции напряжением 10/0,4 кВ, должны иметь защиту от токов короткого замыкания. Эта защита должна обеспечить отключение поврежденного участка при коротком за­мыкании в конце защищаемой линии.

Сети, проложенные открыто внутри помеще­ний и выполненные проводами с горючей изоляцией, осветительные сети, сети во взрывоопасных помещениях и в которых по условиям работы может возникнуть длительная перегрузка должны быть защищены и от перегруз­ки.

Основными аппаратами защиты сетей напряжением 0,38 кВ от ко­ротких замыканий и перегрузок являются предохранители и автоматиче­ские выключатели.

Так как сети напряжением 0,38 кВ выполняются с глухозаземленной нейтралью и у них возможны и однофазные короткие замыкания, то защиту от коротких замыканий необходимо выполнять в трехфазном исполне­нии. Расцепитель автоматов и предохранители устанавливают в каждой фазе. Если автоматический выключатель имеет максимальный расцепитель в нулевом проводе, то он должен действовать на отключение всех трех фаз. В этом случае допускается устанавливать два расцепителя для защиты от междуфазных коротких замыканий.

Наибольшее применение для защиты отходящих линий получили ав­томаты АП50Б (на КТП мощностью от 25 до 40 кВА), А3700, АЕ2000. На КТП старых выпусков встречаются снятые с производства автоматы A3100.

Автоматы АП50Б имеют два электромагнитных и три тепловых рас­цепителя, а также расцепитель в нулевом проводе. У автоматов A3100 и 3700 имеется по три электромагнитных и тепловых расцепителя и незави­симый расцепитель с обмоткой напряжения. При однофазных коротких за­мыканиях на независимый расцепитель действует установленное в нулевом проводе реле РЭ571Т, когда сила тока в нем превышает заданную.

На КТП 10/0,4 кВ, оснащенными автоматическими выключателями A3100, A3700, АЕ2000 и имеющими независимый расцепитель, разработана и выпускается полупроводниковая защита типа ЗТИ-0,4. Она предназначена для защиты трех-фазных четырехпроводных воздушных линий 0,38 кВ от междуфазных и однофазных на нулевой провод коротких замыканий, а также замыканий на землю. Эта защита представляет собой при­ставку к автомату, расположенную под ним в низковольтном шкафу КТП. Для подключения к линии ЗТИ в приставке имеется четыре токовых входа, чяерез которые пропускают три фазных и нулевой провода линии.

 

6.1 Выбор предохранителей для защиты наружных сетей напряже­нием 0,38 кВ.

 

Предохранители выбирают по следующим условиям:

1. Напряжению

 

где U_н.п – номинальное напряжение предохранителя,В;

U_с – напряжение сети, В.

 

2. Номинальному току плавкой вставки

 

 

где – номинальный ток плавкой вставки, А;

– ток нагрузки защищаемой линии, А;

– коэффициент надежности, который зависит от характера нагрузки;

при наличии в сети электродвигателей с тяжелыми условиями пуска К_н = 2-2,5;

при отсутствии электродвигателей К_н =1,1.

 

3. Предельному отключающему току

 

 

где – предельный ток, отключающий предохранитель;

– максимальный ток трехфазного короткого замыкания в месте установ-ки предохранителя.

4. Чувствительности

где – ток однофазного короткого замыкания в конце защищаемой ли­нии, А.

 

Если при проверке предохранителя на чувствительность она не обес­печивается, то устанавливают другой комплект предохранителей или авто­мат в конце зоны действия рассматриваемого. В этом случае линию сек­ционируют, т.е. делят на части. Секционирование производят таким обра­зом, чтобы каждая часть линии была защищена соответствующим аппара­том с требуемой чувствительностью. Место установки секционирующего аппарата (дополнительного предохранителя или автомата) определяется предельным сопротивлением , характеризующим зону, защищаемую вы­бранным предохранителем с требуемой чувствительностью:

 

где = 220 В – фазное напряжение линии;

– сопротивление трансформатора 10/0,4 кВ при однофазном корот­ком замыкании, Ом;

– сопротивление петли фазный провод – нулевой провод участка ли­нии от КТП до места установки предохранителя, Ом.

 

Дополнительный комплект предохранителей должен быть установ­лен так, чтобы сопротивление между ним и основным комплектом не пре­вышало предельного.

 

6.2 Выбор автоматических выключателей для защиты наружных сетей напряжением 0,38 кВ.

Автоматические выключатели выбирают по следующим условиям:

1. Напряжению

 

где U_н.a – номинальное напряжение автомата, В;

U_с – напряжение сети, В.

 

2. Номинальному току теплового расцепителя

 

 

где – номинальный ток теплового расцепителя, А (таблица 4.3);

– ток нагрузки защищаемой линии, А;

– коэффициент надежности, зависящий от условий пуска электро­двигателей, подключенных к линии; при наличии в сети электродвигателей с нормальными условиями пуска (продолжительность пуска от 2 до 10 с) при наличии двигателей с тяжелыми условиями пуска = 1,25 - 1,5.

3. Предельному допустимому току отключения автомата

 

 

где – предельный ток отключения автомата, А;

–максимальный ок трехфазного короткого замыкания, А (формула 5.6).

 

4. Току срабатывания электромагнитного расцепителя (токовой отсечки)

 

 

где – ток срабатывания электромагнитного расцепителя;

– коэффициент надежности, учитывающий разброс по току электромаг-нитного расцепителя. Для автоматических выключателей с номинальным током до 100 А следует принимать не менее 1,4, а для выключателей с номинальным током более 100 А – не менее 1,25;

– максимальный ток, определяется по выражению (5.7).

 

Коэффициент чувствительности электромагнитного расцепителя

 

(6.10)

 

где – коэффициент чувствительности электромагнитного расцепителя;

– ток двухфазного короткого замыкания в месте установки автомата, А (5.10);

– ток уставки электромагнитного расцепителя, А (таблица 4.3).

Принимается

(6.11)

 

Если условие (6.10) не соблюдается, принимается не селективная защита, т.е. условием (6.9) пренебрегается. Тогда ток срабатывания электромагнитного расцепителя определяется по кратности срабатывания теплового расцепителя (табдица 4.3).

6. Коэффициенту чувствительности теплового расцепителя.

 

(6.12)

 

где – коэффициент чувствительности теплового расцепителя;

ток однофазного короткого замыкания в наиболее удаленной точке защищаемого участка линии (формула 5.8).

Если условие (6.12) не соблюдается, следует выбрать электромагнитное реле РЭ-571т. Чувствительность реле к токам однофазного короткого замыкания определяется по формуле

 

где – ток срабатывания реле, А.

 

 

Если же условие (6.13) не выполняется, следует применить секционирование, т.е. по формуле (6.5) рассчитать зону действия защитного аппарата, в конце которой должен быть размещен секционный аппарат, защищающий остальную часть линии.

Пример 6.1

Выбрать автоматический выключатель для защиты отходящей от ТП линии напряжением 0,38кВ. За исходные данные принять результаты расчетов в примерах 4.2 и 5.1.

Решение.

Защиту следует выбрать на самом загруженном учаске линии, в месте установки аппарата защиты, т.е. на вводе ТП, например, на участке 0-1.

 

1. Находим расчетный ток на участке 0-1

 

 

2. Определяем номинальный ток теплового расцепителя

 

 

.

 

3. Выбираем автоматический выключатель серии ВА51-31 с номинальным током; , ,

4. Определяем ток срабатывания отсечки:

 

,

 

 

5. Находим уставку электромагнитного расцепителя:

 

 

.

 

6. Проверяем автомат по условию селективности (6.11)

 

.

 

Так как данное условие не выполняется, выбираем автоматический выключатель ВА51-35 с , , .

 

7. Проверяем автомат по условию (6.11)

 

 

Условие соблюдается.

8. Проверяем выбранный автоматический выключатель по коэффициенту чувствительности электромагнитного расцепителя (6.10)

 

 

9. Проверяем выбранный автоматический выключатель по коэффициенту чувствительности теплового расцепителя (6.12)

 

Условие чувствительности не соблюдается.

 

10. Так как условие чувствительности не соблюдается, следует выбрать реле типа РЭ-571 по току срабатывания.

 

 

11. Коэффициент чувствительности реле по условию (6.13)

 

Условие чувствительности соблюдается.

Для повышения чувствительности к однофазным К.З. выбираем реле типа РЭ-571т. Остальные условия выполняются, значит автоматический выключатель ВА51-35 с номинальным током расцепителя выбран верно.

Выбор защиты для остальных фидеров производится аналогично и результаты расчётов заносятся в таблицу (см. образец КП и ДП).

12. Выбираем автоматический выключатель для линии освещения 1, с учётом расчётов в примере 3.1

Определяем ток:

 

 

 

 

Выбираем автомат ВА51-31-1 с током расцепителя , , .

13. Проверяем автомат по условию (6.12)

 

 

Выбранный автомат удовлетворяет условию чувствительности.

Выбор защиты остальных линий освещения осуществляется аналогично и результаты расчетов заносятся в таблицу, например, таблицу 6.1.

 

Таблица 6.1 – Выбор защиты

 

Наименование линии	Аппаратура защиты	Тип
1КТП 40/10
Фидер 1 (0-1)	Автоматический выключатель	ВА51-33	36,33
Фидер 2(0-5)	ВА51-31	39,67
Линия освещения 1	ВА51-31-1	17,05
то же 2	ВА51-31-1	23,64	31,5	94,5
2КТП 63/10
Фидер 1 (0-10)	Автоматический выключатель	ВА51-33	29,33
Фидер 2 (0-15)	ВА51-33	40,43
Фидер 3 (0-20)	ВА51-33	27,81
Линия освещения 1	ВА51-31-1	17,98
то же 2	ВА51-31-1	15,75