7. Аналитический метод расчетов токов КЗ
7. Аналитический метод расчетов токов КЗ
- Категория: И.Л. Небрат “Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ”
7.1 Расчет металлических коротких замыканий, основанный на методе симетричных составляющих
Для проверки аппаратуры, кабельных линий, шинопроводов и выбора уставок устройств релейной защиты рассчитываются следующие токи КЗ :
– начальное значение периодической составляющей тока КЗ, т.е. действующее значение сверхпереходного тока КЗ;
– ударный ток, т.е. максимальное амплитудное значение полного тока КЗ с учетом апериодической составляющей.
В дальнейшем для упрощения оба эти тока будем именовать как ток КЗ и ударный ток КЗ
Трехфазное короткое замыкание.
Ток трехфазного металлического КЗ от питающей сети определяется в килоамперах по формуле:
(14)
где UН НН – среднее номинальное междуфазное напряжение, принятое за базисное; для сетей 0,4 кВ за базисное напряжение принимают напряжение 400 В;
– полное суммарное сопротивление цепи до точки трехфазного КЗ, которое является сопротивлением прямой последовательности и определяется по формуле в миллиомах:
(15)
где R1å – суммарное активное сопротивление цепи до точки КЗ, мОм;
X1å – суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ, мОм.
Суммарное активное сопротивление включает сопротивления следующих элементов:
Суммарное индуктивное сопротивление содержит сопротивления следующих элементов:
где XС
– эквивалентное индуктивное сопротивление питающей системы до шин ВН понижающего трансформатора, приведенное к UН НН, т.е. к базисному напряжению, мОм;R1Т , X1Т – активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности (понижающего) трансформатора, мОм;
R1р , X1р – активное и индуктивное сопротивления реактора, мОм;
R1ТТ , X1ТТ – активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформатора тока, мОм;
R1КВ , X1КВ – активное и индуктивное сопротивления токовых катушек а втоматических выключателей, мОм;
R1Ш , X1Ш – активное и индуктивное сопротивления шинопровода,мОм;
R1каб , X1каб – активное и индуктивное сопротивления кабеля, мОм;
R1ВЛ , X1ВЛ – активное и индуктивное сопротивления воздушных линий, мОм;
RК – суммарное активное сопротивление различных крнтактов и контактных соединений, мОм.
Ударный ток КЗ iу представляет собой сумму амплитудного значения периодической составляющей сверхпереходного (начального) тока КЗ и апериодической составляющей этого тока в тот же момент времени, т.е. является мгновенным значением полного тока КЗ. Максимальное мгновенное значение полного тока КЗ (ударный ток) наступает примерно через полпериода (0,01 сек.) с момента начала КЗ.
Ударный ток трехфазного металлического КЗ от питающей сети определяется в килоамперах по формуле :
(16)
Рис. 5 Кривая зависимости Ку=ƒ(X/R) для определения ударного тока К3
Учет подпитки от асинхронного двигателя. Ток трехфазного К3 от электродвигателей, подключенных непосредственно к сборным шинам 0,4 кВ, определяется в килоамперах по формуле:
, (17)
где RАД и X²АД – активное и индуктивное сопротивления асинхронного двигателя, мОм;
Е²АД – ЭДС электродвигателя, В;
Rкаб, Xкаб – активное и индуктивное сопротивления кабеля, которым двигатель подключен к шинам, мОм.
Значение ударного тока от асинхронных двигателей определяется по формуле:
,
где – амплитудное значение тока подпитки места К3 от электродвигателя, кА;
– ударный коэффициент, значение которого для практических расчетов может быть принято примерно равным 1 из-за быстрого затухания апериодической составляющей тока К3 от асинхронных электродвигателей [5].
Двухфазное короткое замыкание
Из метода симметричных составляющих следует, что при двухфазном К3 необходимо составить две схемы замещения расчетной сети прямой и обратной последовательностей. В практических расчетах сопротивления элементов схем обеих последовательностей принимается одинаковыми. ЭДС обратной последовательности для синхронных и асинхронных машин равна нулю.
Ток двухфазного К3 определяется в километрах по следующей формуле:
, (19)
где – среднее номинальное междуфазное напряжение, принятое за базисное, В;
и – полные суммарные сопротивления прямой и обратной последовательностей, причем и равно ,мОм.
Выражение (19) можно записать следующим образом
= , (20)
где – полное сопротивление цепи до места К3 при двухфазном коротком замыкании, мОм.
, (21)
Однофазное короткое замыкание
При расчете однофазного К3 составляются три схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Ток однофазного короткого замыкания определяется по формуле:
(22)
где , (23)
, – суммарные активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности до места К3 соответственно, мОм.
Суммарные сопротивления нулевой последовательности включают сопротивления следующих элементов расчетной схемы:
,
,
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательностей трансформатора, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления реактора, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления трансформаторов тока нулевой последовательности, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности шинопровода, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности воздушной линии, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности токовых катушек автоматических выключателей, мОм;
– суммарное активное сопротивление различных контактов и контактных сопротивлений, мОм.
При расчетах однофазных К3 вспомогательные проводники зануления (алюминиевые оболочки кабелей, стальные полосы), если таковые имеются, в расчетную схему не вводятся. Также в схему не включаются свинцовые оболочки кабелей, т.к. их не разрешается использовать в качестве заземляющих проводников.
В таблице 1 приводятся формулы для определения суммарных сопротивлений Zå и токов трехфазных, двухфазных, однофазных металлических КЗ, составленные на основании метода симметричных составляющих.
Таблица 1
Расчетные формулы для определения суммарных сопротивлений и токов в сети 0,4 кВ для металлических КЗ
Вид КЗ |
Суммарное сопротивление Zå, мОм |
Суммарный ток IКå, кА |
|
Трехфазное, К(3) |
|
|
|
Двухфазное, К(2) |
|
|
|
Однофазное, К(1) |
|
|
Ток короткого замыкания – это резко возрастающий электрический импульс, в результате которого выделяется значительное количество тепла. Обычно ток КЗ возникает в аварийной электроустановке или системе, наиболее частая причина его появления – это повреждение изоляции проводников.
Начало процесса
После пикового возрастания электроимпульса возможны нарушения в подаче энергии, кроме того выход из строя части потребителей электроэнергии. Для того чтобы избежать этого, необходимо проектировать передающие сети с резервом на возникновение такой ситуации, кроме того периодически проводить контроль на предполагаемые пиковые нагрузки.
Причины возникновения
Основной причиной возникновения аварийной ситуации, связанной с пиковым возрастанием импульса, служит повреждение изоляции проводов. Повреждение может быть вызвано как механическим путём, так и в результате воздействия следующих факторов:
- электрический пробой вследствие излишне мощной нагрузки;
- перехлест неизолированных проводников или их соединение;
- попадание в провода животных или птиц;
- человеческий фактор;
- износ оборудования или изоляции вследствие выработки ресурса или естественный.
Для того чтобы свести к минимуму возможности возникновения КЗ в электросети, достаточно своевременно производить проверку изоляции, контролировать ресурс и естественный износ оборудования. Кроме того, снижению риска возникновения КЗ способствует наличие автоматической защиты устройств, включённых в систему электропитания, а также точное соблюдение правил монтажа и эксплуатации электросетей.
Электродуга
Принцип действия
До момента возникновения короткого замыкания ток имеет равное нормальному значение. Но в условиях соединения проводников его величина резко возрастает из-за значительного уменьшения общего сопротивления сети. После чего параметры вновь снижаются до стабильного значения. При этом распределение импульса можно кратко описать так.
Итак, короткое замыкание формула:
I к.з.=Uph / (Zn + Zt), где:
- I к.з. – величина тока короткого замыкания,
- Uph – фазное напряжение,
- Zn – суммарное сопротивление замкнутой сети,
- Zt – суммарное сопротивление источника.
Фактически процесс возникновения и процесс протекания можно описать так:
- Величина тока стабильна, сеть обладает активным и индуктивным сопротивлением, которое ограничивает возможность резкого роста величины;
- При перехлёсте проводов и возникновении явления КЗ параметры сети остаются прежними, величина ТКЗ по-прежнему стабильна и равно нормальной;
- Переходный момент – с момента возникновения явления до восстановления установившегося режима. Расчет тока КЗ можно провести на любом отрезке этого процесса. Сила тока короткого замыкания в этот момент нестабильна, как и его напряжение.
Возникает закономерный вопрос, как рассчитать ток короткого замыкания. В переходном процессе ТКЗ рассчитывается, исходя из его элементов, в их наибольших значениях. Апериодический ток после возникновения снижается по экспоненциальной зависимости, до нулевой величины. Периодический – постоянен.
Ударный ток короткого замыкания – это максимально возможное значение тока КЗ, в момент до затухания апериодической составляющей он определяется по формуле:
I у – i пm + i аt=0, где:
- I у – ударный ток КЗ,
- i пm– амплитуда периодического тока,
- i аt – величина апериодического.
Важно! Расчет ТКЗ – достаточно сложное и ответственное занятие, проектирование энергосистемы стоит доверить профессионалам.
Опасность
Виды короткого замыкания
Фактически короткое замыкание – это непредусмотренное условиями эксплуатации соединение токоведущей линии с другой фазой или нейтралью, в результате чего возникает электрическая дуга, и выделяется значительное количество тепла. Это и является основной опасностью КЗ в быту.
В зависимости от типа сети подразделяют следующие виды:
- трехфазное – перемыкание или соединение трех фаз;
- двухфазное – перехлест двух фаз токоведущей системы;
- однофазное на землю;
- однофазное на нейтраль – перехлест фазы на землю, в качестве которой выступает изолированная нейтраль;
- двух,- и трехфазное на землю – соединение двух или более токоведущих линий с проводом заземления.
В зависимости от вероятности возникновения, расчёт тока КЗ, его силы и напряжения производится индивидуально. Возникновение аварийной ситуации предполагается при проектировании, и в энергосистему закладываются устройства автоматической защиты и прерывания.
Сопротивление сети и закон Ома
Сопротивление сети играет важную роль, протяжённость провода может достигать значительных значений, а чем выше протяжённость, тем больше сопротивление. Оно также оказывает влияние на величину тока короткого замыкания. На эту величину влияет общее суммарное сопротивление всего участка сети до источника тока.
Расчёт основан на принципе определения силы тока по его напряжению. Этот же принцип работает при определении наиболее оптимальных нагрузок на сеть. Нагрузки в нормально работающей сети стабильны и постоянны, но в аварийной ситуации процесс протекает в неконтролируемом режиме. Несмотря на это, его основные пиковые параметры вполне поддаются расчётам.
Дуга
Использование явления короткого замыкания
Помимо негативного эффекта, к которому приводит короткое замыкание в аварийных и неконтролируемых ситуациях, это явление может использоваться и в полезных целях. Нужно отметить, что в результате КЗ выделяется значительное количество тепла, и возникает электрическая дуга, контролируемое использование которой может принести немалую пользу.
Так, например, электродуговой сварочный аппарат. Принципом его работы является создание электрической дуги между электродом и поверхностью детали, в результате чего в зоне её работы повышается температура, и металл сваривается между собой. Действие в этом случае основано на явлении КЗ электрода и земли.
Стоит отметить! Величина тока и температура, создаваемая на месте сварки, достаточно велики, поэтому при работе с подобного рода оборудованием требуется соблюдать все необходимые меры предосторожности.
Аварийная защита от КЗ
Существует достаточно много устройств, обеспечивающих безопасность потребителя при коротком замыкании, в основе своей эти устройства отключают аварийный участок сети:
- плавкие предохранители различных типов;
- электрические автоматы;
- дифференциальные автоматические устройства защиты;
- токоограничители.
Наиболее простым, но в тоже время эффективным способом защиты от возникновения короткого замыкания служит включение в электросеть плавких предохранителей. При повышенной нагрузке нить таких предохранителей плавится и перегорает, тем самым обрывая от источника повреждённый участок сети.
Но, помимо высокой эффективности, эти устройства обладают рядом недостатков. В первую очередь, это необходимость их постоянной замены и работа только при определенных нагрузках. При дефиците таких предохранителей их зачастую заменяли «жучками», которые могли служить проводником тока, но не выполняли функции предохранителей, что, в свою очередь, могло привести к печальным последствиям.
Также достаточно эффективным и надёжным средством обеспечения безопасности служат автоматические выключатели, также известные как электрические автоматы. Принцип их действия основан на использовании тепловых реле. При нагреве пластины сверх нормы они расширяются и отключают автомат, для включения сети достаточно просто включить его обратно. Эти устройства более удобны, чем плавкие предохранители, более эффективны в работе.
Дифференциальные автоматы отключают ток даже при небольших изменениях параметров тока на подключённом к ним участке, эти устройства наиболее эффективны и безопасны, но в тоже время достаточно дорого стоят.
Токоограничивающий реактор применяется в сетях высокого напряжения, использование этих устройств, рассчитанных на промышленные нагрузки, в быту нерационально. Практически это катушка, последовательно включённая в токоведущую сеть. При коротком замыкании реактор принимает энергию на себя. В настоящее время применяются токоограничители различных конструкций.
Важно! Использование «жучков» вместо плавких предохранителей может грозить выходом из строя электрооборудования, а также пожаром!
Предохранитель
Мощность источника питания
Исходя из этого параметра сети, можно оценить разрушительную работу при аварийной ситуации. Рассчитываются время протекания КЗ, пиковые величины и размер.
Для примера достаточно рассмотреть медный провод, подключённый к бортовой сети автомашины, и такой же отрезок провода, смонтированный в бытовой электросети напряжением 220V. Если в автомобиле из строя выйдут предохранители, или сгорит аккумулятор, при их отсутствии, то в бытовой сети просто отключится электроэнергия из-за перегрева автомата, но если, как и предохранители в автомашине, он вышел из строя, провод просто сгорит. Ситуация, что ток КЗ воздействует на источник питания маловероятна, так как протяжённость проводов, а, значит, и сопротивление сети достаточно большие, и ТКЗ просто не дойдёт до трансформатора.
Расчёт тока короткого замыкания производится несколькими различными методиками, они позволят определить все необходимые параметры с нужной точностью. Кроме того, можно измерить сопротивление схемы по способу «фаза-ноль», расчёт с использованием этого параметра делает расчет токов короткого замыкания более точным и позволяет откорректировать безопасные значения и необходимые устройства при проектировании электросети. В настоящее время существуют онлайн-калькуляторы для расчета параметров и величин КЗ. Рассчитывать параметры ТКЗ и систему безопасности через них довольно удобно и быстро.
Сварочная дуга
Видео
Оцените статью:Ударный коэффициент Ку – Токи короткого замыкания
10 марта 2015Отношение ударного тока короткого замыкания iy к амплитуде периодической составляющей iпm называется ударным коэффициентом Ку:
Ку = iу/ iпm
Заменяя в формуле выше амплитуду iпm действующим током, получим
Ку =iV√2Iпm
откуда iy =- Ку√2Iпm.
В расчетах ударный коэффициент Ку принимается равным: 1,8 — при к. з. в установках выше 1 кВ; 1,3 — при к. з. за протяженным участком кабельных сетей, на вторичной стороне понижающих трансформаторов общей мощностью не более 1000 кВ*А, а также в сетях напряжением до 1000 В.
Если бы цепь не имела активного сопротивления (R = 0 и Тк = ∞), то периодическая составляющая вообще не затухала бы и сохраняла свою первоначальную величину в течение всего периода короткого замыкания до отключения поврежденного участка аппаратом защиты, а величина Ку была бы максимальной, равной двум (К
При к. з. в местах, находящихся на значительном удалении от источников питания, например в распределительных сетях 6—10 кВ или на стороне низкого напряжения ТП, токи, возникающие в месте повреждения, невелики по сравнению с номинальными токами источников питания. При этом токи источников питания изменяются в процессе к. з. незначительно, а напряжения на зажимах этих источников принимаются постоянными.
Следовательно, величина периодической составляющей токов iпt считается неизменной по амплитуде в течение всего режима к. з., а ток короткого замыкания iкt изменяется только вследствие затухания апериодической составляющей.
При указанных условиях периодический т. к. з. рассчитывается по результирующему сопротивлению Zpeз цепи к. з.:
где Uср среднее напряжение участка цепи, для которого рассчитывается т. к. з.
Zрез, Xрез, Rрез — результирующие сопротивления цепи к. з.
Величина амплитуды т. к. з. iу
iy = Ку√2Iк (смотрите рисунок ниже).
Зависимость ударного коэффициента Ку от постоянной времени Tк (для отношения X/R)
В случае приближенного определения величины т. к. з. на стороне низкого напряжения ТП можно пренебречь результирующим сопротивлением от станции до рассматриваемой подстанции, поскольку это сопротивление значительно меньше полного сопротивления обмоток трансформатора понизительной подстанции.
При этом условии
Напряжение к. з. трансформатора UK %, определяется как
Поэтому, решая 2 формулы выше совместно относительно Iк получим
где Uк — 5,5% для двухобмоточных трансформаторов при напряжении до 10 кВ. Если работает параллельно несколько трансформаторов, то в качестве IN принимается суммарный номинальный ток.
Подставляя в формуле выше UK % = 5,5%, определяем, что ток к. з. на шинах низкого напряжения превышает номинальный ток трансформаторов примерно в 18 раз.
«Электроснабжение строительно-монтажных работ», Г.Н. Глушков
Токи к. з. вызывают дополнительный нагрев токоведущих частей электрических аппаратов, шин и жил электрических кабелей. Длительность т. к. з. определяется временем, необходимым для отключения цепи защитными устройствами. Для того чтобы повреждения от термического действия т. к. з. были наименьшими, стремятся отключить к. з. возможно быстрее (время срабатывания защиты не должно превышать 0,1 — 1 с)….
iy = √2Ку Iк, где Ку — ударный коэффициент определяется из графика Ку = f (X/R) Расчетная схема для X/R = 24/50 = 0,48. Из графика имеем Ку =1 iу = 1,41*1*4,15 = 5,9 кА. Наибольший действующий ток к. з., по которому проверяется аппаратура на динамическую стойкость за время первого периода к. з., составляет: Iу=…
Сопротивление системы Хс определяем по формуле Хc=Uc//√3I(30) Сопротивление воздушной линии: индуктивное Хл =x0l; активное Rл = r0l где х0, r0 — удельные индуктивное и активное сопротивления линии, Ом/км (см. справочник). l — длина линии, км. Индуктивное сопротивление обмоток силового трансформатора: Хт = Uk%U1N/√3I1N100%. Результирующее индуктивное сопротивление Хрез — хс+хл+хт Если Хрез >1/3rл, то активным сопротивлением…
Однако для более точного расчета полное сопротивление цепи к. з. следует определять не путем арифметического сложения модулей полных сопротивлений участков этой цепи (II-5), а как в выражении на рисунке: Пример расчета. По расчетной схеме, приведенной на рис. II-4; определение сопротивлений элементов схемы — на рис. II-6. Сопротивления силового трансформатора ТМ 630/10, приведенные к напряжению 0,4…
При расчете т. к. з. в установках напряжением до 1000 В учитывается, что электрические сети имеют большую протяженность и большое количество аппаратуры: трансформаторы тока, контакторы, автоматы и т. д., которые оказывают значительное влияние на т. к. з. На величину т. к. з. могут влиять также электродвигатели, если они непосредственно присоединены к месту к. з. короткими…
1. Способ расчета ударного тока КЗ зависит от требуемой точности расчета и конфигурации исходной расчетной схемы.
2. Если исходная расчетная схема является многоконтурной, то для получения высокой точности расчета ударного тока КЗ следует решить систему дифференциальных уравнений, составленных для мгновенных значений токов в узлах и падений напряжения в контурах расчетной схемы, и определить максимальное мгновенное значение тока в ветви, в которой находится расчетная точка КЗ.
3. При расчете ударного тока КЗ с целью проверки проводников и электрических аппаратов по условиям КЗ допустимо считать, что амплитуда периодической составляющей тока КЗ в момент наступления ударного тока равна амплитуде этой составляющей в начальный момент КЗ. Исключение составляют случаи, когда вблизи расчетной точки КЗ включены асинхронные электродвигатели.
4. Если исходная расчетная схема содержит только последовательно включенные элементы, то ударный ток следует определять по формуле
где Kуд — ударный коэффициент. Последний рекомендуется определять по одной из следующих формул:
или
,
где
.
В тех случаях, когда Хэк/Rэк ³ 5, ударный коэффициент допустимо определять по формуле
,
где Та – постоянная времени.
5. Если исходная расчетная схема является многоконтурной, причем все источники энергии связаны с расчетной точкой КЗ общим сопротивлением, то при приближенных расчетах ударного тока КЗ, исходя из ранее принятого допущения о экспоненциальном характере изменения апериодической составляющей тока КЗ, ударный коэффициент определять по формулам:
и
,
где Та.эк – эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.
При Xэк/Rэк ³ 5 допустимо также использовать формулу, аналогичную (5.20):
.
6. В тех случаях, когда исходная расчетная схема является многоконтурной, но расчетная точка КЗ делит ее на несколько независимых частей, то ударный ток допустимо принимать равным сумме ударных токов от соответствующих частей схемы, т.е.
,
где Iп0i – начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ от i-й части схемы;
Kудi – ударный коэффициент тока КЗ от i-й части схемы, определяемый по формулам (5.17, а), (5.18, а) или (5.20, а).
7. Аналитический метод расчетов токов КЗ
7. Аналитический метод расчетов токов КЗ
- Категория: И.Л. Небрат “Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ”
7.1 Расчет металлических коротких замыканий, основанный на методе симетричных составляющих
Для проверки аппаратуры, кабельных линий, шинопроводов и выбора уставок устройств релейной защиты рассчитываются следующие токи КЗ :
– начальное значение периодической составляющей тока КЗ, т.е. действующее значение сверхпереходного тока КЗ;
– ударный ток, т.е. максимальное амплитудное значение полного тока КЗ с учетом апериодической составляющей.
В дальнейшем для упрощения оба эти тока будем именовать как ток КЗ и ударный ток КЗ
Трехфазное короткое замыкание.
Ток трехфазного металлического КЗ от питающей сети определяется в килоамперах по формуле:
(14)
где UН НН – среднее номинальное междуфазное напряжение, принятое за базисное; для сетей 0,4 кВ за базисное напряжение принимают напряжение 400 В;
– полное суммарное сопротивление цепи до точки трехфазного КЗ, которое является сопротивлением прямой последовательности и определяется по формуле в миллиомах:
(15)
где R1å – суммарное активное сопротивление цепи до точки КЗ, мОм;
X1å – суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ, мОм.
Суммарное активное сопротивление включает сопротивления следующих элементов:
Суммарное индуктивное сопротивление содержит сопротивления следующих элементов:
где XС – эквивалентное индуктивное сопротивление питающей системы до шин ВН понижающего трансформатора, приведенное к UН НН, т.е. к базисному напряжению, мОм;
R1Т , X1Т – активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности (понижающего) трансформатора, мОм;
R1р , X1р – активное и индуктивное сопротивления реактора, мОм;
R1ТТ , X1ТТ – активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформатора тока, мОм;
R1КВ , X1КВ – активное и индуктивное сопротивления токовых катушек а втоматических выключателей, мОм;
R1Ш , X1Ш – активное и индуктивное сопротивления шинопровода,мОм;
R1каб , X1каб – активное и индуктивное сопротивления кабеля, мОм;
R1ВЛ , X1ВЛ – активное и индуктивное сопротивления воздушных линий, мОм;
RК – суммарное активное сопротивление различных крнтактов и контактных соединений, мОм.
Ударный ток КЗ iу представляет собой сумму амплитудного значения периодической составляющей сверхпереходного (начального) тока КЗ и апериодической составляющей этого тока в тот же момент времени, т.е. является мгновенным значением полного тока КЗ. Максимальное мгновенное значение полного тока КЗ (ударный ток) наступает примерно через полпериода (0,01 сек.) с момента начала КЗ.
Ударный ток трехфазного металлического КЗ от питающей сети определяется в килоамперах по формуле :
(16)
Рис. 5 Кривая зависимости Ку=ƒ(X/R) для определения ударного тока К3
Учет подпитки от асинхронного двигателя. Ток трехфазного К3 от электродвигателей, подключенных непосредственно к сборным шинам 0,4 кВ, определяется в килоамперах по формуле:
, (17)
где RАД и X²АД – активное и индуктивное сопротивления асинхронного двигателя, мОм;
Е²АД – ЭДС электродвигателя, В;
Rкаб, Xкаб – активное и индуктивное сопротивления кабеля, которым двигатель подключен к шинам, мОм.
Значение ударного тока от асинхронных двигателей определяется по формуле:
,
где – амплитудное значение тока подпитки места К3 от электродвигателя, кА;
– ударный коэффициент, значение которого для практических расчетов может быть принято примерно равным 1 из-за быстрого затухания апериодической составляющей тока К3 от асинхронных электродвигателей [5].
Двухфазное короткое замыкание
Из метода симметричных составляющих следует, что при двухфазном К3 необходимо составить две схемы замещения расчетной сети прямой и обратной последовательностей. В практических расчетах сопротивления элементов схем обеих последовательностей принимается одинаковыми. ЭДС обратной последовательности для синхронных и асинхронных машин равна нулю.
Ток двухфазного К3 определяется в километрах по следующей формуле:
, (19)
где – среднее номинальное междуфазное напряжение, принятое за базисное, В;
и – полные суммарные сопротивления прямой и обратной последовательностей, причем и равно ,мОм.
Выражение (19) можно записать следующим образом
= , (20)
где – полное сопротивление цепи до места К3 при двухфазном коротком замыкании, мОм.
, (21)
Однофазное короткое замыкание
При расчете однофазного К3 составляются три схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Ток однофазного короткого замыкания определяется по формуле:
(22)
где , (23)
, – суммарные активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности до места К3 соответственно, мОм.
Суммарные сопротивления нулевой последовательности включают сопротивления следующих элементов расчетной схемы:
,
,
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательностей трансформатора, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления реактора, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления трансформаторов тока нулевой последовательности, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности шинопровода, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности кабеля, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности воздушной линии, мОм;
, – активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности токовых катушек автоматических выключателей, мОм;
– суммарное активное сопротивление различных контактов и контактных сопротивлений, мОм.
При расчетах однофазных К3 вспомогательные проводники зануления (алюминиевые оболочки кабелей, стальные полосы), если таковые имеются, в расчетную схему не вводятся. Также в схему не включаются свинцовые оболочки кабелей, т.к. их не разрешается использовать в качестве заземляющих проводников.
В таблице 1 приводятся формулы для определения суммарных сопротивлений Zå и токов трехфазных, двухфазных, однофазных металлических КЗ, составленные на основании метода симметричных составляющих.
Таблица 1
Расчетные формулы для определения суммарных сопротивлений и токов в сети 0,4 кВ для металлических КЗ
Вид КЗ |
Суммарное сопротивление Zå, мОм |
Суммарный ток IКå, кА |
|
Трехфазное, К(3) |
|
|
|
Двухфазное, К(2) |
|
|
|
Однофазное, К(1) |
|
|
Однажды одной даме, не очень сведущей в электротехнике, монтер сообщил причину пропадания света в ее квартире. Это оказалось короткое замыкание, и женщина потребовала немедленно его удлинить. Над этой историей можно посмеяться, но лучше все же рассмотреть эту неприятность подробнее. Специалистам-электрикам и без этой статьи известно, что это за явление, чем оно грозит и как рассчитать ток короткого замыкания. Изложенная ниже информация адресована людям, не имеющим технического образования, но, как и все прочие, не застрахованным от неприятностей, связанных с эксплуатацией техники, машин, производственного оборудования и самых обычных бытовых приборов. Каждому человеку важно знать, что такое короткое замыкание, каковы его причины, возможные последствия и методы его предотвращения. Не обойтись в этом описании и без знакомства с азами электротехнической науки. Не знающий их читатель может заскучать и не дочитать статью до конца.
Популярное изложение закона Ома
Независимо от того, каков характер тока электрической цепи, он возникает только в том случае, если существует разница потенциалов (или напряжение, это то же самое). Природа этого явления может быть объяснена на примере водопада: если есть разность уровней, вода течет в каком-то направлении, а когда нет – она стоит на месте. Даже школьникам известен закон Ома, согласно которому, ток тем больше, чем выше напряжение, и тем меньше, чем выше сопротивление, включенное в нагрузку:
I = U / R,
где:
I – величина тока, которую иногда называют «силой тока», хотя это не совсем грамотный перевод с немецкого языка. Измеряется в Амперах (А).
На самом деле силой (то есть причиной ускорения) ток сам по себе не обладает, что как раз и проявляется во время короткого замыкания. Этот термин уже стал привычным и употребляется часто, хотя преподаватели некоторых вузов, услышав из уст студента слова «сила тока» тут же ставят «неуд». «А как же огонь и дым, идущие от проводки во время короткого замыкания? – спросит настырный оппонент, – Это ли не сила?» Ответ на это замечание есть. Дело в том, что идеальных проводников не существует, и нагрев их обусловлен именно этим фактом. Если предположить, что R=0, то и тепло бы не выделялось, как ясно из закона Джоуля-Ленца, приведенного ниже.
U – та самая разница потенциалов, называемая также напряжением. Измеряется в Вольтах (у нас В, за границей V). Его также называют электродвижущей силой (ЭДС).
R – электрическое сопротивление, то есть способность материала препятствовать прохождению тока. У диэлектриков (изоляторов) оно большое, хотя и не бесконечное, у проводников – малое. Измеряется в Омах, но оценивается в качестве удельной величины. Само собой, что чем толще провод, тем он лучше проводит ток, а чем он длиннее, тем хуже. Поэтому удельное сопротивление измеряется в Омах, умноженных на квадратный миллиметр и деленных на метр. Кроме этого, на его величину влияет температура, чем она выше, тем больше сопротивление. Например, золотой проводник длиной в 1 метр и сечением в 1 кв. мм при 20 градусах Цельсия обладает общим сопротивлением 0,024 Ома.
Есть еще формула закона Ома для полной цепи, в нее введено внутреннее (собственное) сопротивление источника напряжения (ЭДС).
Две простых, но важных формулы
Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.
P = U x I,
где:
P – мощность, Ватт или Вольт-Ампер;
U – напряжение, Вольт;
I – ток, Ампер.
Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.
И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.
Что происходит в цепи при коротком замыкании
Итак, читатель может считать, что освоил все главные физические закономерности для того, чтобы разобраться в том, какой может быть величина (ладно, пусть будет сила) тока короткого замыкания. Но сначала следует определиться с вопросом о том, что, собственно, это такое. КЗ (короткое замыкание) – это ситуация, при которой сопротивление нагрузки близко к нулю. Смотрим на формулу закона Ома. Если рассматривать его вариант для участка цепи, несложно понять, что ток будет стремиться к бесконечности. В полном варианте он будет ограничен сопротивлением источника ЭДС. В любом случае ток короткого замыкания очень велик, а по закону Джоуля-Ленца, чем он больше, тем сильнее греется проводник, по которому он идет. Причем зависимость не прямая, а квадратичная, то есть, если I увеличится стократно, то тепла выделится в десять тысяч раз больше. В этом и состоит опасность явления, приводящего порой к пожарам.
Провода накаляются докрасна (или добела), они передают эту энергию стенам, потолкам и другим предметам, которых касаются, и поджигают их. Если фаза в каком-то приборе касается нулевого проводника, возникает ток короткого замыкания источника, замкнутого на самого себя. Горючее основание электропроводки – страшный сон инспекторов пожарной охраны и причина многих штрафов, налагаемых на безответственных собственников зданий и помещений. И всему виной, конечно же, не законы Джоуля-Ленца и Ома, а пересохшая от старости изоляция, неаккуратно или безграмотно произведенный монтаж, повреждения механического характера или перегрузка проводки.
Однако и ток короткого замыкания, каким бы он ни был большим, также не бесконечен. На размеры бед, которые он может натворить, влияет продолжительность нагрева и параметры схемы электроснабжения.
Цепи переменного тока
Рассмотренные выше ситуации имели общий характер или касались цепей постоянного тока. В большинстве случаев электроснабжение и жилых, и промышленных объектов производится от сети переменного напряжения 220 или 380 Вольт. Неприятности с проводкой, рассчитанной на постоянный ток, чаще всего случаются в автомобилях.
Между этими двумя основными типами электропитания есть разница, и существенная. Дело в том, что прохождению переменного тока препятствуют дополнительные составляющие сопротивления, называемые реактивными и обусловленные волновой природой возникающих в них явлений. На переменный ток реагируют индуктивности и емкости. Ток короткого замыкания трансформатора ограничивается не только активным (или омическим, то есть таким, которое можно измерить карманным приборчиком-тестером) сопротивлением, но и его индуктивной составляющей. Второй тип нагрузки – емкостный. Относительно вектора активного тока векторы реактивных составляющих отклонены. Индуктивный ток отстает, а емкостный опережает его на 90 градусов.
Примером разницы поведения нагрузки, обладающей реактивной составляющей, может служить обычный динамик. Его некоторые любители громкой музыки перегружают до тех пор, пока диффузор магнитное поле не выбивает вперед. Катушка слетает с сердечника и тут же сгорает, потому что индуктивная составляющая ее напряжения уменьшается.
Виды КЗ
Ток короткого замыкания может возникать в разных цепях, подключенных к различным источникам постоянного или переменного тока. Проще всего дело обстоит с обычным плюсом, который вдруг соединился с минусом, минуя полезную нагрузку.
А вот с переменным током вариантов больше. Однофазный ток короткого замыкания возникает при соединении фазы с нейтралью или ее заземлении. В трехфазной сети может возникнуть нежелательный контакт между двумя фазами. Напряжение в 380 или более (при передаче энергии на большие расстояния по ЛЭП) вольт также может вызвать неприятные последствия, в том числе и дуговую вспышку в момент коммутации. Замкнуть может и все три (или четыре, вместе с нейтралью) провода одновременно, и ток трехфазного короткого замыкания будет течь по ним до тех пор, пока не сработает защитная автоматика.
Но и это еще не все. В роторах и статорах электрических машин (двигателей и генераторов) и трансформаторах порой случается такое неприятное явление, как межвитковое замыкание, при котором соседние петли провода образуют своеобразное кольцо. Этот замкнутый контур обладает крайне низким сопротивлением в сети переменного тока. Сила тока короткого замыкания в витках растет, это становится причиной нагрева всей машины. Собственно, если такая беда произошла, не следует ждать, пока оплавится вся изоляция и электромотор задымится. Обмотки машины нужно перематывать, для этого необходимо специальное оборудование. Это же касается и тех случаев, когда из-за «межвиткового» возник ток короткого замыкания трансформатора. Чем меньше обгорит изоляция, тем проще и дешевле будет перемотка.
Расчет величины тока при коротком замыкании
Каким бы ни было катастрофичным то или иное явление, для инженерной и прикладной науки важна его количественная оценка. Формула тока короткого замыкания очень похожа на закон Ома, просто к ней требуются некоторые пояснения. Итак:
I к.з.=Uph / (Zn + Zt),
где:
I к.з. – величина тока короткого замыкания, А;
Uph – фазное напряжение, В;
Zn – полное (включая реактивную составляющую) сопротивление короткозамкнутой петли;
Zt – полное (включая реактивную составляющую) сопротивление трансформатора питания (силового), Ом.
Полные сопротивления определяются как гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого представляют собой величины активного и реактивного (индуктивного) сопротивления. Это очень просто, нужно пользоваться теоремой Пифагора.
Несколько чаще, чем формула тока короткого замыкания, на практике используются экспериментально выведенные кривые. Они представляют собой зависимости величины I к.з. от длины проводника, сечения провода и мощности силового трансформатора. Графики представляют собой совокупность нисходящих по экспоненте линий, из которых остается лишь выбрать подходящую. Метод дает приблизительные результаты, но его точность вполне отвечает практическим потребностям инженеров по энергоснабжению.
Как проходит процесс
Кажется, что все происходит мгновенно. Что-то загудело, свет померк и тут же погас. На самом деле, как любое физическое явление, процесс можно мысленно растянуть, замедлить, проанализировать и разбить на фазы. До наступления аварийного момента цепь характеризуется установившимся значением тока, находящимся в пределах номинального режима. Внезапно полное сопротивление резко уменьшается до величины, близкой к нулю. Индуктивные составляющие (электродвигатели, дроссели и трансформаторы) нагрузки при этом как бы замедляют процесс роста тока. Таким образом, в первые микросекунды (до 0,01 сек) сила тока короткого замыкания источника напряжения остается практически неизменной и даже несколько снижается за счет начала переходного процесса. ЭДС его при этом постепенно достигает нулевого значения, затем проходит через него и устанавливается в каком-то стабилизированном значении, обеспечивающем протекание большого I к.з. Сам ток в момент переходного процесса представляет собой сумму из периодической и апериодической составляющих. Форма графика процесса анализируется, в результате чего можно определить постоянную величину времени, зависящую от угла наклона касательной к кривой разгона в точке ее перегиба (первой производной) и времени запаздывания, определяемого величиной реактивной (индуктивной) составляющей суммарного сопротивления.
Ударный ток КЗ
В технической литературе часто встречается термин «ударный ток короткого замыкания». Не следует пугаться этого понятия, оно вовсе не такое страшное и к поражению электричеством прямого отношения не имеет. Понятие это означает максимальное значение I к.з. в цепи переменного тока, достигающее своей величины обычно через полпериода после того, как возникла аварийная ситуация. При частоте 50 Гц период составляет 0,2 секунды, а его половина – соответственно 0,1 сек. В этот момент взаимодействие проводников, расположенных вблизи друг относительно друга, достигает наибольшей интенсивности. Ударный ток короткого замыкания определяется по формуле, которую в этой статье, предназначенной не для специалистов и даже не для студентов, приводить не имеет смысла. Она доступна в специальной литературе и учебниках. Само по себе это математическое выражение не представляет особой сложности, но требует довольно объемных комментариев, углубляющих читателя в теорию электроцепей.
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.
Методы защиты
В первые же годы бурного развития электротехники, когда человечество еще отважно экспериментировало, внедряя гальванические приборы, изобретало различные виды генераторов, двигателей и освещения, возникла проблема защиты этих устройств от перегрузок и токов короткого замыкания. Самое простое ее решение состояло в последовательной с нагрузкой установке плавких элементов, которые разрушались под воздействием резистивного тепла, в случае если ток превышал установленное значение. Такие предохранители служат людям и сегодня, их главные достоинства состоят в простоте, надежности и дешевизне. Но есть у них и недостатки. Сама простота «пробки» (так назвали держатели плавких ставок за их специфическую форму) провоцирует пользователей после ее перегорания не мудрствовать лукаво, а заменять вышедшие из строя элементы первыми попавшимися под руку проволочками, скрепками, а то и гвоздями. Стоит ли упоминать о том, что такая защита от токов короткого замыкания не выполняет своей благородной функции?
На промышленных предприятиях для обесточивания перегруженных цепей автоматические выключатели начали использовать раньше, чем в квартирных щитках, но в последние десятилетия «пробки» были в основном заменены ими. «Автоматы» намного удобнее, их можно не менять, а включить, устранив причину КЗ и дождавшись, когда тепловые элементы остынут. Контакты у них иногда подгорают, в этом случае их лучше заменить и не пытаться почистить или починить. Более сложные дифференциальные автоматы при высокой стоимости не служат дольше обычных, но функционально их нагрузка шире, они отключают напряжение в случае минимальной утечки тока «на сторону», например при поражении человека током.
В обыденной же жизни экспериментировать с коротким замыканием не рекомендуется.
Определение ударного тока КЗ — Студопедия
Ударный ток короткого замыкания — наибольшее возможное мгновенное значение тока короткого замыкания.
Возможны два подхода в нахождении условий возникновения максимального значения ударного тока КЗ: умозрительный и строгий.
В практических расчетах максимальное мгновенное значение полного тока КЗ или ударного тока КЗ находят при наибольшей апериодической составляющей. Это умозрительный подход.
Условиями его определения является отсутствие предшествующего тока и максимальное значение апериодической составляющей в момент включения.
С учетом этих условий выражение для ударного тока КЗ выглядит так
,
где 
– ударный коэффициент;
– действующее значение периодической составляющей тока в первый период КЗ. 
– Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания — электромагнитная постоянная времени, характеризующая скорость затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания.
Ударный коэффициент тока короткого замыкания — отношение ударного тока короткого замыкания к амплитуде периодической составляющей тока короткого замыкания рабочей частоты в начальный момент времени.
Это определение ударного тока не является строгим, так как полный ток зависит от времени и угла включения. Строгое условие максимального мгновенного значения тока говорит о том, что напряжение в момент включения должно проходить через ноль.
При 
оба подхода совпадают.
В практике расчетов применяется первый подход. Ударный коэффициент чаще всего 1,8. в этом случае принимается 
, Примерные значения постоянных времени и ударных коэффициентов на шинах оборудования
| Наименование оборудования | Постоянная времени Та, с | Ударный коэффициент Ку |
| Турбогенератор | 0.1 – 0.3 | 1.95 |
| Блок генератор-трансформатор | 0.04 | 1.8 |
| ВЛЭП | 0.01 | 1.3 |
| КЛЭП | 0.001 |
Пределы изменения ударного коэффициента в индуктивно-активных цепях: 
.
При КЗ на выводах батарей статических конденсаторов ударный коэффициент может быть больше 2.
В сетях низкого напряжения 0.4 – 0.66 кВ 
Короткое замыкание – причины и следствия
Что такое короткое замыкание?
Всякий раз, когда происходит сбой в сети, такой как большой ток протекает в одной или нескольких фазах, говорят, что произошла короткая цепь .
Короткое замыкание – это просто соединение с низким сопротивлением между двумя проводниками, подающее электроэнергию в любую цепь. Это приводит к чрезмерному току в источнике питания через «короткое замыкание» и может даже привести к разрушению источника питания.
Если предохранитель находится в цепи питания, он выполнит свою работу и перегорит, размыкая цепь и останавливая протекание тока. MCB также используется для защиты от короткого замыкания.
Короткое замыкание может быть в цепи постоянного тока или переменного тока (постоянного или переменного тока). Если это закороченная батарея, она будет очень быстро разряжаться и нагреваться из-за высокого тока.
Посмотрите видео о коротком замыкании линии электропередачи на 110 кВ ниже.
Что такое ток короткого замыкания?
При возникновении короткого замыкания через цепь протекает сильный ток, называемый , ток короткого замыкания .
Это объясняется рисунком, прикрепленным здесь. На рисунке показан однофазный генератор напряжения V и внутреннего импеданса Z i подает нагрузку Z.
Однофазный генератор напряжения V и внутреннего импеданса Zi подает нагрузку ZПри нормальных условиях ток в цепи ограничен импедансом нагрузки Z.
Однако, если по какой-либо причине клеммы нагрузки закорачиваются, сопротивление цепи уменьшается до очень низкого значения; будучи Z я в этом случае. Так как Z i очень мал, следовательно, большой ток протекает через цепь. Это называется ток короткого замыкания .
Короткое замыкание и перегрузка
Люди обычно путаются с перегрузкой и коротким замыканием, так как они оба вызывают проблемы в системе аналогичным образом. Стоит провести различие между коротким замыканием и перегрузкой.
При возникновении короткого замыкания напряжение в точке повреждения снижается до нуля, и ток аномально высокой величины протекает через сеть к точке повреждения.
С другой стороны, перегрузка означает, что нагрузки, превышающие проектные значения, были наложены на систему. При таких условиях напряжение в точке перегрузки может быть низким, но не нулевым. Условия пониженного напряжения могут распространяться на некоторое расстояние от точки перегрузки до остальной части системы.
Токи в перегруженном оборудовании высоки, но значительно ниже, чем в случае короткого замыкания.
Что вызывает короткое замыкание?
Короткое замыкание в энергосистеме является результатом какого-то ненормального состояния в системе. Это может быть вызвано внутренними и / или внешними воздействиями.- Внутренние эффекты вызваны повреждением оборудования или линий электропередачи из-за повреждения изоляции в генераторе, трансформаторе и т. Д.Такие проблемы могут быть связаны со старением изоляции. неадекватный дизайн или неправильная установка.
- Внешние эффекты , вызывающие короткое замыкание, включают в себя повреждение изоляции из-за скачков молнии. перегрузка оборудования, вызывающая чрезмерный нагрев: механическое повреждение в общественных местах и т. д.
Эффект короткого замыкания
При возникновении короткого замыкания ток в системе возрастает до ненормально высокого значения, а напряжение системы уменьшается до низкого значения ,
Сильный ток из-за короткого замыкания вызывает чрезмерный нагрев, который может привести к пожару или взрыву . Иногда короткое замыкание принимает форму дуги и наносит значительный ущерб системе.
Например, дуга на линии электропередачи, которая не очищается быстро, может сильно обжечь проводник, что приведет к его разрыву, что приведет к длительному прерыванию линии.
Низкое напряжение , созданное по причине неисправности, оказывает очень пагубное влияние на обслуживание, оказываемое энергосистемой.Если напряжение остается низким в течение даже нескольких секунд, двигатели потребителя могут быть отключены , а генераторов в энергосистеме могут стать нестабильными .
Из-за вышеупомянутых вредных эффектов короткого замыкания желательно и необходимо отсоединить неисправную секцию и как можно быстрее восстановить нормальные условия напряжения и тока.
Короткие замыкания могут привести к очень высокой температуре с из-за большого рассеивания мощности в цепи.Эта высокая температура может быть использована в приложении. Дуговая сварка является типичным примером практического применения нагревания из-за короткого замыкания.
Блок питания для дуговой сварки может подавать очень большие токи, которые протекают через сварочный стержень и свариваемые металлические детали. Точка контакта между стержнем и металлическими поверхностями нагревается до точки плавления, соединяя часть стержня и обе поверхности в один кусок.
Обзор тока короткого замыкания (часть 2)
Обзор тока короткого замыкания – часть 2 (на фото Главный распределительный щит от jayreynoldsisreal @Flickr)Продолжение предыдущей технической статьи: Обзор тока короткого замыкания (часть 1)
Reactance
Реактивное сопротивление при переходных процессах Xd ” – это кажущееся реактивное сопротивление обмотки статора при мгновенном возникновении короткого замыкания, которое определяет ток в течение первых нескольких циклов короткого замыкания.
Переходное реактивное сопротивление Xd ’ – это кажущееся начальное реактивное сопротивление обмотки статора, если влияние всех обмоток амортизатора игнорируется и учитывается только обмотка возбуждения. Это реактивное сопротивление определяет ток, следующий за периодом, когда субпереходное реактивное сопротивление является управляющим значением
Переходное реактивное сопротивление действует до 1/2 сек. , то есть 30 или более циклов, в зависимости от конструкции машины .
Синхронное реактивное сопротивление Xd – это кажущееся реактивное сопротивление, которое определяет поток тока при достижении устойчивого состояния.
Он не действует в течение нескольких секунд после возникновения короткого замыкания, следовательно, он не имеет значения в расчетах короткого замыкания для применения в выборе автоматических выключателей, предохранителей и контакторов, но полезен для исследований настройки реле.
На рисунке ниже приведено упрощенное представление асимметричных и симметричных токов неисправности , а также различного реактивного сопротивления:
Асимметричный и симметричный ток поврежденияВ течение первых нескольких циклов реактивное сопротивление системы / синхронной машины наименьшее, а ток короткого замыкания максимальный.Эта ступень называется с нестационарным реактивным сопротивлением . Это реактивное сопротивление обозначается X » . После первых нескольких циклов уменьшение среднеквадратичного значения тока короткого замыкания меньше. Это состояние называется , переходное реактивное сопротивление и обозначается X ’ .
Наконец переходный процесс исчезает, и ток достигает устойчивого синусоидального состояния. Реактивное сопротивление в этом состоянии называется реактивным сопротивлением и обозначается Xd .
Здесь мы можем представить концепцию создания короткого замыкания и тока отключения. В течение первых нескольких циклов тока повреждения реактивное сопротивление минимально, а величина тока короткого замыкания максимальна. Ток увеличивается до максимального значения на пике первого токового контура.
Все переключающие устройства подвергаются воздействию высоких электромагнитных сил . Чтобы убедиться, что переключающее устройство, такое как автоматические выключатели, безопасно выдерживает такую высокую величину тока короткого замыкания, оно проверяется на ток замыкания.Следовательно, мы также можем определить ток короткого замыкания как пиковое значение первой токовой петли тока короткого замыкания.
Ток короткого замыкания
= Пиковое значение постоянного тока SC + эффект удвоения, вызванный первым пиком, содержащим компонент постоянного тока
= 1,8-кратное значение постоянного тока короткого замыкания ( с учетом эффекта удвоения )
= 1,8 x √2 x Среднеквадратичное значение тока короткого замыкания в установившемся режиме
= 2.5-кратное среднеквадратичное значение установившегося тока короткого замыкания
Поскольку среднеквадратичное значение тока короткого замыкания в установившемся режиме называется током отключения, поэтому ток замыкания может быть записан как:
Ток короткого замыкания = 2,5 x ток отключения короткого замыкания
Вышеупомянутое выражение для расчета рабочего тока также дано индийским стандартом 10118, часть 2 для выбора, установки и технического обслуживания распределительного устройства и устройства управления.
Однако согласно индийскому стандарту 8623-часть-1 для распределительного устройства низкого напряжения и блока управления:Отношение между пиком и среднеквадратичным значением. значения тока короткого замыкания Значение пикового тока короткого замыкания (пиковое значение первого контура тока короткого замыкания, включая постоянный ток. компонент ) для определения электродинамических напряжений должно быть получено путем умножения среднеквадратичного значения. , значение тока короткого замыкания с коэффициентом n .
Стандартные значения для коэффициента n и соответствующий коэффициент мощности приведены в таблице ниже:
Таблица выбора асимметричного пикового значения
| RMS Значение тока короткого замыкания | cosΦ | n |
| I ≤ 5 кА | 0,7 | 1,5 |
| 5 кА | 0,5 | 1.7 |
| 10 кА | 0,3 | 2 |
| 20 кА | 0,25 | 2,1 |
50 кА | 0,2 | 2,2 | |
Можно наблюдать разницу в выборе коэффициента умножения n в случае двух разных IS. Согласно IS 10118 part-2 коэффициент умножения должен быть 2.5 и согласно 8623 part-1 коэффициент умножения должен составлять n раз , и n следует выбирать в соответствии с таблицей выше.
Поскольку последнее издание IS 8623 было в 1998 году, а опубликовано IS 8618 до 8623 года, следовательно, обобщенное значение n в IS 10118 должно быть разработано в IS 8623. Также обратите внимание на тот факт, что в стандарте IS 10118 эффект удвоения рассматривается как 1,8 раз, который может варьироваться в зависимости от от количества компонента постоянного тока, который, в свою очередь, зависит от отношения X / R.
Точные и точные знания о соотношении X / R системы получить сложно, только специалисты по системам питания, которые занимаются исключительно системными исследованиями, могут пролить свет на это. Следовательно, различные значения коэффициента умножения при различном коэффициенте мощности (, другими словами, X / R ) в IS 8623 более надежны и используются всеми изготовителями распределительных устройств.
Все распределительные устройства прошли типовые испытания в соответствии с IS 8623 part-1 Читателям рекомендуется обращаться к эквивалентному IEC 439 part-1 для технического сравнения и анализа коэффициента умножения n .
Источники и ограничители тока короткого замыкания
При определении величины токов коротких замыканий чрезвычайно важно учитывать всех источников тока короткого замыкания и что характеристики реактивности этих источников известны.
Электрические нагрузки являются либо статическими (, например, освещение ), либо динамическими нагрузками ( как двигатели ).Динамические нагрузки имеют остаточное напряжение, а напряжение точки повреждения равно нулю (, если это замыкание на землю ) или очень меньше, чем линейное напряжение, поэтому ток начинает течь от динамических нагрузок к точкам повреждения.
Во время состояния короткого замыкания системное напряжение уменьшится . Стабильное напряжение больше не существует. Вращающееся магнитное поле в роторе будет пытаться поддерживать пониженное напряжение, становясь источником питания. Двигатель теперь подает дополнительный ток в неисправную электрическую систему.
Это явление называется «моторный вклад».
Величина тока зависит от сопротивления двигателя. Сначала имеется асимметричный ток , содержащий компонентов переменного и постоянного тока .
Отсутствие стабильного источника питания приводит к затуханию компонента переменного тока, когда поток ротора начинает падать. Без стабильного источника напряжения переходная составляющая постоянного тока также затухает. Вклад асинхронного двигателя обычно длится от одного до четырех циклов от времени, равного нулю, в состоянии короткого замыкания.
Тем не менее, вклад короткого замыкания синхронных двигателей может длиться от шести до восьми циклов . Основное отличие заключается в том, что асинхронный двигатель не имеет возможности возбуждения синхронного двигателя; следовательно, он не может поддерживать напряжение в течение того же периода времени.
В любом случае вклад двигателя присутствует во время первого цикла.
Существует три основных источника тока короткого замыкания:- Генераторы
- Синхронные двигатели и синхронные конденсаторы
- Асинхронный двигатель
Из-за остаточного потока в роторе асинхронного двигателя он вносит ток короткого замыкания в течение 1-4 цикла .Обычно для расчета неисправности учитывается вклад тока асинхронного двигателя.
Стандарт ANSI C37.010 [1] предлагает руководство при расчете вклада двигателя для группы двигателей низкого напряжения, если подробные данные двигателя отсутствуют. Предполагается, что допустимый вклад двигателя в четыре раза превышает номинальный ток полной нагрузки. Стандарт пришел к этому значению, предполагая, что вклад двигателя в 3,6 раза превышает номинальный ток от 75% асинхронных двигателей и в 4,8 раза от номинального тока от 25% синхронных двигателей.
Элемент схемы, где напряжение индуцируется изменением тока в нем, является индуктором, а свойство называется индуктивным свойством. Согласно закону Lenz скорость изменения тока положительна, а индуцированное напряжение отрицательно.
Таким образом, индуктивность действует в отрицательном направлении вокруг цепи, противодействуя изменению тока и, следовательно, может также ограничивать ток короткого замыкания.
Существует три основных ограничителя тока короткого замыкания:
- Сопротивление трансформатора
- Кабельное сопротивление Импеданс реактора серии
- (, если есть )
Будет продолжено очень скоро…
,Почему короткое замыкание так важно?
Короткое замыкание в электрической цепи является частью цепи, которая по некоторым причинам стала «короче», чем должна быть. Ток в электрической цепи протекает самым простым способом, и если две точки в цепи с разными потенциалами связаны с низким электрическим сопротивлением, ток становится коротким замыканием между двумя точками.
Феномен короткого замыкания, который вы должны понятьПоследствия короткого замыкания могут быть любыми: от незначительной неисправности до аварии.Последствия зависят от способности системы выдерживать ток в ситуации короткого замыкания и от того, как долго ток короткого замыкания может протекать. Почти в каждой электрической цепи должна быть какая-то защита от токов короткого замыкания.
Когда схемы анализируются математически, короткое замыкание обычно описывается нулевым импедансом между двумя узлами в схеме .
В действительности невозможно, чтобы импеданс был нулевым, и поэтому расчеты не дадут «реального» значения, но в большинстве случаев максимально возможное значение.Для получения правильных результатов расчета также важно знать все параметры схемы.
Особенно в ситуациях короткого замыкания поведение цепей «странное» и нет линейности между напряжением системы и протекающим током.
Содержание:
- Необходимость расчета тока короткого замыкания трансформатора
- Симметричные компоненты
- Два вида короткого замыкания
- Цепи постоянного тока
- цепи переменного тока
- Однофазные цепи
- Трехфазные цепи
- Развитие тока короткого замыкания
1.Необходимость расчета тока короткого замыкания трансформатора
Сегодня, как никогда ранее, электрическая сеть развивается так быстро – мощность электростанции, мощность подстанции и нагрузка на электроэнергию, а также плотность нагрузки устойчиво растут.
Возьмите Китай в качестве примера. Количество подстанций 500 кВ в энергосистеме Северного Китая почти в 2 раза больше, чем за последнее десятилетие. Число выросло с 48 до 97; Мощность подстанции увеличилась с 52 069 000 кВА до 157 960 000 кВА .
В результате токов короткого замыкания в электрической сети увеличиваются с каждым годом на . Основываясь на статистическом анализе Государственной сетевой корпорации Китая (SGCC), аварии с током короткого тока в силовых трансформаторах (размер ≥ 110 кВ) произошли 125 раз. Общая мощность, на которую влияют аварии с коротким замыканием, составляет 7 996 МВА в 1995–1999 годах. Это число составляет 37,5% всех аварий на электроэнергию и 44% аварий на трансформаторах.
Ток короткого замыкания является важной спецификацией и стандартом для оборудования и проводников в электроэнергетике, и способность выдерживать ток короткого замыкания основных устройств определяет, может ли сеть работать более безопасно или нет.Поэтому важно рассчитать ток короткого замыкания и предложить несколько возможных решений.
Правильный расчет может помочь нам:
- Укажите номинальные значения неисправностей для электрического оборудования (например, выдерживаемые при коротком замыкании)
- Помогите определить потенциальные проблемы и слабые места в системе и помочь в планировании системы
- Сформировать основу для координации защитных исследований
Вернуться к содержанию ↑
2.Симметричные компоненты
В практической работе инженеры часто используют « симметричных компонентов » для анализа трехфазной системы питания. Он был изобретен канадским инженером-электриком Чарльзом Л. Фортескью в 1913 году. Первоначальной целью г-на Фортескью был анализ работы электродвигателей.
Теория не использовалась для энергосистемы до 1937 года. Аналитическая методика была принята и усовершенствована инженерами в General Electric и Westinghouse, а после Второй мировой войны она была принята для асимметричного анализа неисправностей .
Теперь это обычный инструмент, используемый для анализа неисправностей трехфазной системы питания.
Основная настройка для теории состоит в том, что любые несбалансированные системные значения (ток или напряжение) можно разложить на 3 симметричных набора сбалансированных векторов:
- Компоненты прямой последовательности,
- компоненты обратной последовательности и
- Компоненты нулевой последовательности.
Рисунок 1. Компоненты последовательности для представления трехфазной электрической системыКомпонент прямой последовательности тока, показанного на рисунке 1 выше, сбалансирован по величине с разделением фаз на 120 градусов и вращением против часовой стрелки, как и в оригинальной сбалансированной системе.
Компонент обратной последовательности тока сбалансирован по величине с разделением фаз на 120 градусов, но имеет противоположное вращение, в этом случае, по часовой стрелке.
Компоненты нулевой последовательности имеют равных величин, но разделение нулевой фазы .
Здесь мы обозначаем положительную последовательность индексом «1». Аналогично, отрицательная последовательность обозначается индексом «2», а нулевая последовательность – индексом «0».
При условии отсутствия неисправности система питания считается, по существу, симметричной системой , и поэтому существуют только токи и напряжения прямой последовательности .Во время неисправности существуют токи и напряжения положительной, отрицательной и, возможно, нулевой последовательности.
Используя реальные фазовые напряжения и токи вместе с формулами Fortescue, можно рассчитать все токи положительной, отрицательной и нулевой последовательности. Защитные реле используют эти компоненты последовательности вместе с данными фазного тока и / или напряжения в качестве входных данных для защитных элементов.
Принципы симметричных компонентов (ВИДЕО)
Вернуться к содержанию ↑
3.Два вида короткого замыкания
3.1 Цепи постоянного тока
Какая информация о цепи необходима для расчета короткого замыкания цепи постоянного тока? В электрической цепи ток зависит от электродвижущей силы (эдс), электромагнитного поля и полного сопротивления цепи .
В батарее значение эдс зависит от заряда батареи. Внутренний импеданс батареи также является изменяющимся параметром и зависит от заряда, температуры и срока службы батареи и так далее.
В цепи постоянного тока сопротивление является фактором ограничения тока вместе с ЭДС в стационарном состоянии, что означает «через некоторое время».
В начале переходного процесса, как в случае короткого замыкания, индуктивность цепи также ограничена. Любая индуктивность в цепи сгладит рост тока. Ток увеличивается экспоненциально из-за связи между индуктивностью и сопротивлением цепи.
Рисунок 2 – Ток в индуктивностиПостоянный ток вызывает различные проблемы по сравнению с переменным током при попытке прервать токи высокой величины, поскольку затухание дуги является более трудным.Переменный ток проходит через ноль каждые полпериода, тем самым помогая отключению тока
Автоматический выключатель для определенного переменного тока обычно не способен отключить ту же величину постоянного тока. Сложность разрыва цепи постоянного тока возрастает с увеличением отношения индуктивности к сопротивлению в цепи. Индуктивности всегда противостоят изменениям тока.
Вернуться к содержанию ↑
3,2 цепи переменного тока
Цепи переменного тока (AC) сложнее решить, чем цепи постоянного тока (DC).Есть больше параметров, влияющих на результаты, и в быстро меняющихся ситуациях первые значения тока сильно зависят от фазы источника активного напряжения.
3.2.1 Однофазные цепи
Большинство крупных электрических сетей являются трехфазными, но особенно в системах низкого напряжения большинство подключенных цепей являются однофазными. При расчете токов короткого замыкания ситуация зависит от , как близко к генератору или трансформатору происходит сбой .
Не только из-за растущего полного сопротивления в конце сети, но и из-за того, что генераторы и трансформаторы действуют «странно», когда они не нагружены симметрично во всех фазах.
В некоторых случаях цепь может питаться от однофазного трансформатора с несущей способностью по току, которой недостаточно, чтобы заставить трехфазную систему вести себя «странно».
Тот факт, что ток короткого замыкания легче рассчитать вдали от трансформатора или генератора, объясняется тем, что импедансы линии играют важную роль в процессе, и импедансы часто легче узнать, чем напряжение в начале цепи
При более длинных линиях токи уменьшаются, и напряжение от источника сильно не меняется.
В однофазных цепях низкого напряжения, которые обычно используются в домашних хозяйствах, токи короткого замыкания должны быть отключены по разным причинам. Одна из причин – напряжение прикосновения, которое может возникнуть во время контакта между фазой и защитным заземлением.
Защитное заземление в цепи используется для предотвращения попадания на открытые проводящие части опасного потенциала относительно земли.Когда прямой контакт между фазой и открытыми проводящими частями устанавливается в результате сбоя, потенциал может повыситься до опасного уровня, к которому люди могут прикоснуться, и поэтому цепь должна быть отключена защитными устройствами , такими как предохранители и автоматические выключатели .
Рисунок 3 – Ток короткого замыкания между фазами и землей (однофазный)В домашних условиях максимальное время отключения составляет , обычно 0,4 секунды, . Чтобы получить доступ к времени очистки в условиях неисправности, предполагаемый ток повреждения должен быть определен путем измерения или расчета.Именно предполагаемый ток, который будет протекать, когда конец защищаемого кабеля подключен к защитному заземляющему проводнику, вызывает беспокойство.
При длинных кабелях этот предполагаемый ток может оказаться сравнительно низким.
Следует помнить, однако, что первая проблема с длинными кабельными трассами – это возможность чрезмерного падения напряжения, и сначала следует выбрать кабели для номинального тока, а затем проверить на падение напряжения, прежде чем определить предполагаемый отказ .
Вернуться к содержанию ↑
3.2.2 Трехфазные цепи
Трехфазная электроэнергия является распространенным методом генерации, передачи и распределения электроэнергии переменного тока . Это тип многофазной системы и наиболее распространенный метод, используемый электрическими сетями во всем мире для передачи энергии.
Он также используется для питания больших двигателей и тяжелых нагрузок. Трехфазная система обычно более экономична, чем эквивалентная однофазная или двухфазная система при одном и том же напряжении, поскольку для передачи электроэнергии используется меньше проводящего материала.
Трехфазная система была независимо изобретена Галилео Феррари, Михаилом Доливо-Добровольским и Николой Теслой в конце 1880-х годов.Большинство однофазных цепей являются лишь частью трехфазной сети. В трехфазной системе могут возникать различные типы короткого замыкания.
Например, ток короткого замыкания может быть между фазой и землей (80% отказов), между фазами (15% отказов – этот тип повреждения часто вырождается в трехфазное повреждение) и t трехфазная (только 5% от начальных неисправностей).Эти различные токи короткого замыкания показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 – Типы неисправностейВ Китае существует другая грубая классификация, основанная на количестве фаз повреждения: трехфазное повреждение, двухфазное повреждение и однофазное повреждение из-за повреждения фазы между землей, которое может произойти для двух фаз.
Основные характеристики токов короткого замыкания:
- Продолжительность – ток может быть самозатухающим, переходным или установившимся
- Источник – это может быть вызвано механическими причинами (обрыв проводника, случайный электрический контакт между двумя проводниками через инородное проводящее тело, такое как инструмент или животное), внутренним или атмосферным перенапряжением и пробоем изоляции из-за нагрева, влажность или агрессивные среды
- Расположение (внутри или снаружи машины или электрического щита)
Последствия короткого замыкания зависят от типа и продолжительности неисправности и доступной мощности короткого замыкания.Локально в точке повреждения могут возникать электрические дуги, вызывающие повреждение изоляции, сварку проводов и возгорание.
Падения напряжения происходят в других сетях во время короткого замыкания, и отключение части сети может также включать в себя «здоровые» части сети в зависимости от конструкции всей сети.
Вернуться к содержанию ↑
3.3 Развитие тока короткого замыкания
Упрощенная сеть переменного тока может быть представлена источником питания переменного тока, своего рода устройством переключения, полным сопротивлением Z N , которое представляет все сопротивления перед точкой переключения и нагрузкой, представленной ее сопротивлением (см. Рисунок 5).
В реальной сети полное сопротивление Z N составлено из сопротивлений всех компонентов на входе . Компонентами являются, например, генераторы, трансформаторы, провода, автоматические выключатели и измерительные системы.
Когда происходит сбой с пренебрежимо малым сопротивлением между A, и B, , в цепи протекает ток короткого замыкания, ограниченный только Z N . Ток короткого замыкания I sc развивается в переходных режимах в зависимости от соотношения между индуктивностями и сопротивлениями во всей цепи.
Рисунок 5 – Простое короткое замыканиеЕсли схема является в основном резистивной, то форма волны тока соответствует форме волны напряжения, но если в цепи есть индуктивности, форма волны тока будет отличаться от формы волны напряжения в течение переходного времени процесса.
В индуктивной цепи ток не может начинаться с любого значения, кроме нуля. Влияние индуктивностей описывается реактивным сопротивлением X в цепях переменного тока с фиксированной частотой напряжения.
В системах низкого напряжения, где кабели и проводники представляют большую часть полного сопротивления , его можно рассматривать как в основном резистивный . В электрических распределительных сетях реактивное сопротивление обычно намного больше, чем сопротивления.
Обычно полное сопротивление Z в установившемся режиме в цепи переменного тока состоит из полного сопротивления R и полного реактивного сопротивления X, как показано в следующем соотношении.
В упрощенной цепи выше напряжение постоянное и, следовательно, общий импеданс.При неисправностях вдали от генераторов и трансформаторов, где большая часть полного сопротивления состоит из полного сопротивления проводов, расчеты могут быть выполнены с хорошим результатом, и переходный ток почти такой же, как если бы ток протекал в течение более длительного времени.
Значение далеко не обязательно является физическим, но означает, что полное сопротивление генератора или трансформатора меньше, чем полное сопротивление элементов от проводов .
Элементы сопротивления от проводов постоянны при постоянной температуре , но сопротивления генераторов меняются во время короткого замыкания, и сопротивления трансформаторов изменяются, если трансформаторы асимметрично нагружены высокими токами.
Рисунок 6 – Токи продолжаются симметричноНа рисунке 6 показан ток в начале короткого замыкания вдали от генератора . Короткое замыкание начинается в момент, когда ток обычно равен нулю, и продолжается симметрично.
Рисунок 7 – Токи продолжаются асимметричноНа рисунке 7 показан ток, когда короткое замыкание начинается в момент, когда напряжение равно нулю, а ток также начинается с нуля, но асимметрично в течение переходного времени.
IEC 61439 – Испытания на стойкость к короткому замыканию (ВИДЕО)
Испытание на стойкость к короткому замыканию, примеры испытаний на условное короткое замыкание (Icc) на функциональных узлах низковольтной сборки (блоки расцепления защитных устройств включены)
Вернуться к содержанию ↑
Reference // Расчет тока короткого замыкания трансформатора и решения от Ling Song
,Когда два или более проводника разных фаз вступают в контакт друг с другом в линии электропередачи, силовом трансформаторе или любом другом элементе питания, то часть полного сопротивления отключается от цепи, из-за которой в сети протекает большой ток. В поврежденных фазах такой ток называется током короткого замыкания. Ток короткого замыкания уменьшает влияние полного сопротивления в цепи, в то время как ток в цепи увеличивается.
Ток короткого замыкания вреден по двум причинам.
- Поток большого тока будет перегревать оборудование.
- Поток тока короткого замыкания в токоведущих частях создает силу электродинамического взаимодействия, которая может разрушить или повредить оборудование.
Каждый раз, когда происходит короткое замыкание в сети электропитания, оно вызывает сильный ток в цепи. Величина тока короткого замыкания показана на графике ниже.В первый момент тока короткого замыкания ток достигает своего максимального значения, а затем уменьшается до своего установившегося значения.
Во время повреждения ток непрерывно изменяется, и наблюдаемое явление называется переходным явлением. Слово «переходный процесс» относится к временному событию, которое длится в течение короткого промежутка времени. Зона, в которой ток очень велик, но падает очень быстро, называется субпереходным током.
Поддерживаемый ток – это ток повреждения, который будет протекать в цепи, если он будет сохраняться после завершения переходного процесса.I fp – первый пиковый ток короткого замыкания. Это максимальное мгновенное значение тока, которое будет достигаться в первый момент тока короткого замыкания. I pc – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания. В установившемся режиме действующее значение тока короткого замыкания остается практически постоянным.
,Больше новостей
