Пример расчета токов короткого замыкания в сети 6 кВ

Содержание

• 1. Общая часть
• 2. Исходные данные для расчета
• 3. Расчет сопротивлений элементов
• 4. Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К1
• 5. Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К2
• 5.1 Для среднего положения регулятора РПН трансформатора Т3
• 5.2 Для минимального положения регулятора РПН трансформатора Т3
• 5.3 Для максимального положения регулятора РПН трансформатора Т3
• 6. Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К3
• 6.1 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в среднее положение
• 6.2 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в минусовое положение
• 6.3 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в плюсовое положение
• 7. Расчет тока короткого замыкания выполненного в Excel
• 8. Список литературы

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием. Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

• однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
• двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
• трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Следует отметить, что КЗ возникнет лишь в том случае, если соединение будет иметь наименьшее сопротивление на замкнутом участке цепи, чем предусмотренное нормальным режимом работы. Определяется же он согласно ГОСТ и правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Общая часть

Требуется выполнить расчет трехфазного тока короткого замыкания (ТКЗ) на шинах проектируемого ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 кВ «ГПП-3». Данная подстанция питается по двум ВЛ-110 кВ от ПС 110 кВ «ГПП-2». Питание ЗРУ-6 кВ «П4СР» получает от двух силовых трансформаторов ТДН-16000/110-У1, которые работаю раздельно. При отключении одного из вводов, предусмотрена возможность подачи питания на обесточенную секцию шин посредством секционного выключателя в автоматическом режиме (АВР).

На рисунке 1 приведена расчетная схема сети

Рисунок 1 – Расчетная схема сети

Поскольку цепь от I с.ш. «ГПП-2» до I с.ш. «ГПП-3» идентична цепи II с.ш. от «ГПП-2» до II с.ш. «ГПП-3» расчет ведется только для первой цепи.

Схема замещения для расчета токов короткого замыкания приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема замещения сети

Расчет будет производиться в именованных единицах.

Зачем нужно знать значения тока КЗ и сопротивления петли “Фаза-ноль”?

Я уже много чего рассказал в статье. Но какой нам толк от знания этих параметров электросети?

Знание тока КЗ (или сопротивления петли “Фаза-ноль”) и мощности нагрузки позволяет нам правильно и оптимально (по соотношениям безопасность/функциональность/надежность/цена) выбрать основные элементы энергосистемы – аппараты защиты и сечение кабелей. Далее немного подробнее.

Безопасность

Об этом я уже говорил, но повторю. Электрические сети должны быть безопасными на всех участках и во всех режимах. Для этого, кроме изоляции, применяют автоматические выключатели и устройства, управляемые дифференциальным током (УЗО). Вкупе с защитным заземлением, эти устройства защищают оборудование от КЗ и перегрузок, а человека – от опасности прямого или косвенного прикосновения.

Функциональность

Зная ток КЗ, можно выдать заключение о необходимости установки стабилизатора, или замены кабельной линии на новую. Кроме того, можно сделать вывод о селективности – можно ли её обеспечить хотя бы частично?

Надежность

В случае высокого тока КЗ необходимо применить выключатели с высокой отключающей способностью для надежного функционирования в момент КЗ. Кроме того, должны быть предъявлены высокие требования к качеству монтажа и комплектующих.

Цена

Тут понятно – выполнение предыдущих пунктов значительно влияет на цену всей электросети.

Исходные данные для расчета

• 1. Данные системы: Iкз=22 кА;
• 2. Данные ВЛ — 2хАС-240/32 (Данные даны для одной цепи АС-240/32, РД 153-34.0-20.527-98, приложение 9):
• 2.1 Индуктивное сопротивление прямой последовательности — Х1уд=0,405 (Ом/км);
• 2.2 Емкостная проводимость — bуд=2,81х10-6 (См/км);
• 2.3 Активное сопротивление при +20 С на 100 км линии — R=R20C=0,12 (Ом/км).
• 3. Данные трансформатора (взяты с ГОСТ 12965-85):
• 3.1 ТДН-16000/110-У1, Uвн=115 кВ, Uнн=6,3 кВ, РПН ±9*1,78, Uк.вн-нн=10,5 %;
• 4. Данные гибкого токопровода: 3хАС-240/32, l=20 м. (Для упрощения расчета, сопротивление гибкого токопровода не учитывается.)
• 5. Данные токоограничивающего реатора — РБСДГ-10-2х2500-0,2 (взяты из ГОСТ 14794-79):
• 5.1 Номинальный ток реактора — Iном. = 2500 А;
• 5.2 Номинальные потери мощности на фазу реактора — ∆P= 32,1 кВт;
• 5.3 Индуктивное сопротивление – Х4=0,2 Ом.

Определение сопротивлений автоматических выключателей

Определяем активное сопротивление контактов по приложению 4 таблица 19 ГОСТ 28249-93:

• для рубильника на ток 1000 А – rав1 = 0,12 мОм;
• для автоматического выключателя на ток 200 А — rав2 = 0,60 мОм.

Расчет сопротивлений элементов

3.1 Сопротивление системы (на напряжение 115 кВ):

3.2 Сопротивление воздушной линии (на напряжение 115 кВ):

где: n — Количество проводов в одной воздушной линии ВЛ-110 кВ;

3.3 Суммарное сопротивление до трансформатора (на напряжение 115 кВ):

Х1,2=Х1+Х2=3,018+0,02025=3,038 (Ом)

R1,2=R2=0,006 (Ом)

3.4 Сопротивление трансформатора:

3.4.1 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в среднем положении):

3.4.2 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «минусовом» положении):

3.4.3 Активное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «плюсовом» положении):

3.4.4 Индуктивное сопротивление трансформатора в среднем положении РПН:

Минимальное индуктивное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «минусовом» положении)

где:

— половина полного (суммарного) диапазона регулирования напряжения на стороне высокого напряжения трансформатора.

Максимальное индуктивное сопротивление трансформатора (РПН находится в крайнем «плюсовом» положении)

Величина входящая в формулу приведенную выше – напряжение, соответствующее крайнему положительному положению РПН, и она равна Uмакс.ВН=115*(1+0,1602)=133,423 кВ, что превышает наибольшее рабочее напряжение электрооборудования равное 126 кВ (ГОСТ 721-77 «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В»). Напряжению UмахВН соответствует Uк%max=10,81 (ГОСТ 12965-85).

Если Uмах.ВН, получается больше максимально допустимого для данной сети (табл.5.1), то Uмах.ВН следует принимать по этой таблице. Значение Uк%, соответствующее этому новому максимальному значению Uмах.ВН, определяют либо опытным путем, либо находят из приложений ГОСТ 12965-85.

3.4.5 Сопротивление токоограничивающего реактора (на напряжении 6,3 кВ):

Х4=0,2 (Ом)

Расчетное значение тока КЗ

Как же узнать ток КЗ? Казалось бы – что трудного? Подставляем значения в формулу и считаем!

Однако, полный расчет тока КЗ весьма сложен, и ему можно посвятить курсовой, а то и дипломный проект. При этом нужно знать много исходных данных (например, мощность трансформатора на ТП и индуктивное сопротивление всех участков кабельных линий), и всё равно результат будет теоретическим, не учитывающим реальность – например, переходные сопротивления контактов. Важно учитывать и то, что при КЗ действуют две составляющие тока: апериодическая (ударная часть, наиболее мощная и непредсказуемая), действующая только в начальный момент во время переходного процесса, и периодическая, которая практически не меняет своего значения от начала до конца инцидента.

Поэтому расчеты обычно оставляют дипломникам и проектировщикам, а на практике измеряют фактический ток КЗ при помощи специальных приборов. Для более точного расчета можно воспользоваться книгами, выложенными в конце статьи, либо программами для расчета.

Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К2

5.1 Для среднего положения регулятора РПН трансформатора Т3

5.1.1 Суммарное сопротивление до точки К2:

Х∑==Х1+Х2+Х3ср=3,018+0,02025+86,789=89,827 (Ом) R∑=R2+К3=0,006+4,391=4,397 (Ом)

5.1.2 Ток трехфазного короткого замыкания:

5.1.3 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

5.1.4 Ударный ток короткого замыкания:

5.2 Для минимального положения регулятора РПН трансформатора Т3

5.2.1 Значение суммарного сопротивления в точке К1, приводим к напряжению сети 96,577 кВ:

5.2.2 Ток трехфазного короткого замыкания:

5.2.3 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

5.2.4 Ударный ток короткого замыкания:

5.3 Для максимального положения регулятора РПН трансформатора Т3

5.3.1 Значение суммарного сопротивления в точке К1, приводим к напряжению сети 126 кВ:

5.3.2 Ток трехфазного короткого замыкания:

5.3.3 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

5.3.4 Ударный ток короткого замыкания:

Измерение сопротивления и тока короткого замыкания цепи фаза нуль

Зачем измерять сопротивление фаза-нуль

Сопротивления цепи фаза нуль это полное сопротивление проводников тока от места измерения до трансформаторной подстанции. Для измерения сопротивления петли использовали прибор с заводской поверкой. Чем меньше сопротивление тем лучше, тем больший ток может протекать от подстанции до потребителя. На сопротивление фаза нуль влияет качество затяжки проводов в клемниках, сечение проводов, сопротивление на автоматах, длина проводов, сопротивление обмотки трансформатора на подстанции. Сравнивая сопротивление в розетках, можем определить, где проводка и соединение качественное, а где нужно проверить проводку.

Второе главное назначение измерения сопротивления цепи фаза нуль это вычисление предполагаемого тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания вычисляется по формуле: напряжение делить на полное сопротивления цепи, в современных приборах вычисляется автоматически. Знать ток нужно, чтобы понять правильно ли выбран автоматический выключатель. Например в частном доме далеко от подстанции сопротивление линии большое, ток короткого замыкания будет около 100 А. Если установлен автомат на 25 А типа С, то мгновенный (электромагнитный) расцепитель сработает только при пяти кратном превышении тока равным 125 А. А максимальный ток при коротком замыкании только 100 А, тогда при замыкании проводка будет греться, может загореться пока в автомате не сработает биметаллический размыкатель. Автомат в данном случае должен стоять на 16 А типа B и C.

Буквы в названии модульных автоматов которые крепятся на din рейку время-токовая характеристика автоматического выключателя означает, что мгновенный электромагнитный расцепитель сработает:

• B при 3…5 кратном превышении номинального тока;
• С при 5…10 кратном превышении номинального тока;
• D при 10…20 кратном превышении номинального тока.

В электрических сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью ток короткого замыкания должен быть больше тока отключения мгновенного расцепителя автоматического выключателя в 3 раза согласно ПТЭЭП пункт 3.6. Время отключения автоматического выключателя в сетях 220 В должно быть не более 0,4 с.

Измерив предполагаемый ток короткого замыкания в удлинителе получили, что ток короткого замыкания через удлинитель меньше, чем в розетке на 100 А. Это говорит о низкой мощности удлинителя из-за малого сечении проводов и некачественных контактов.

Расчет токов трехфазного короткого замыкания в точке К3

6.1 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в среднее положение

6.1.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2, приводим к напряжению сети 6,3 кВ:

6.1.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

6.1.3 Ударный ток короткого замыкания:

6.2 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в минусовое положение

6.2.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2 приводим к напряжению сети 6,3 кВ:

6.2.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

6.2.3 Ударный ток короткого замыкания:

6.3 Сопротивление на шинах ЗРУ 6 кВ при РПН трансформатора Т3 установленном в плюсовое положение

6.3.1 Значение суммарного сопротивления в точке К2, приводим к напряжению сети 6,3 кВ:

6.3.2 Ток в месте короткого замыкания, приведенный к действующему напряжению 6,3 кВ, равен:

6.3.3 Ударный ток короткого замыкания:

Результаты расчетов заносим в таблицу РР1.3

Таблица РР1.3 – Данные расчета токов трехфазного короткого замыкания

Как избежать КЗ?

Понятно, что полностью избежать этого неприятного явления невозможно – тут велик элемент случайности. Однако, в наших силах существенно снизить риск возникновения КЗ. И тут колоссальное значение приобретает регулярный осмотр и техническое обслуживание электросетей.

Примеры превентивных мер:

• чистка токоведущих частей, контактов и изоляторов от пыли и грязи,
• проверка защиты от влажности,
• проверка целостности укладки и монтажа,
• ограждение и дополнительная защита опасных участков,
• вывешивание и наклеивание предупреждающих табличек и надписей,
• проверка и протяжка контактов,
• обрезка деревьев и устранение других опасных факторов.

Как думаете, какие нужны превентивные меры защиты от КЗ на фото ниже?

Водосточная труба, электрощиты и гофра, уходящая под плитку. Инсталляция в старой части Батуми

В серьезных организациях регулярно проводят проверку кабелей и контактов тепловизором, а также измерение сопротивления изоляции и испытания изоляции высоковольтным напряжением.

Расчет тока короткого замыкания выполненный в Excel

Если выполнять данный расчет с помощью листка бумаги и калькулятора, уходит много времени, к тому же Вы можете ошибиться и весь расчет пойдет насмарку, а если еще и исходные данные постоянно меняются – это все приводит к увеличению времени на проектирование и не нужной трате нервов.

Поэтому, я принял решение выполнить данный расчет с помощью электронной таблицы Excel, чтобы больше не тратить в пустую свое время на перерасчеты ТКЗ и обезопасить себя от лишних ошибок, с ее помощью можно быстро пересчитать токи КЗ, изменяя только исходные данные.

Надеюсь, что данная программа Вам поможет, и Вы потратите меньше времени на проектирование Вашего объекта.

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

• существование свободных носителей заряда;
• создание электромагнитного поля;
• замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

Причины возникновения КЗ

Теперь кратко пробежимся по возможным причинам возникновения КЗ.

Распространенные причины появления КЗ следующие:

• устаревшая проводка;
• механические повреждения внутри цепи;
• неправильная организация электрических проводов;
• нарушение правил эксплуатации электроприбора;
• бесконтрольное увеличение показателя мощности приборов;
• несоблюдение норм строительства.

Отрицательное воздействие КЗ для человека и его имущества

КЗ, в зависимости от места возникновения, приводит к пагубным последствиям для имущества и безопасности жизни человека. К таковым относят:

• обгорание и выход из строя электрических приборов;
• воспламенение электрической проводки;
• снижение напряжения электросети (в промышленных условиях приводит к остановке работы предприятий);
• падение эффективности работы систем электроснабжения;
• возникновение электромагнитного воздействия приводит к нарушению функционирования коммуникаций, расположенных под землей.