Короткое замыкание в сетях напряжением до 1 кВ

Расчет токов КЗ в цеховых электрических сетях переменного тока отличается от расчета в сетях 1 кВ и выше. В сетях до 1 кВ наряду с индуктивным учитывают и активные сопротивления элементов цепи КЗ: силовых трансформаторов, кабельных линий, шинопроводов, первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока, токовых катушек автоматических выключателей, различных контактных соединений (разъемных и втычных контактов аппаратов и т. д.), дуги в месте КЗ. Общее активное сопротивление цепи КЗ r_Σ может быть больше 30 % r_Σ, что влияет на полное сопротивление z_Σ и ток КЗ.

Из-за удаленности места КЗ в сети до 1 кВ от источника питания периодическая составляющая сверхпереходного тока оказывается равной установившемуся значению тока I_∞, т. е. периодическая составляющая тока КЗ неизменна во времени. Физически это объясняется тем, что КЗ в сети до 1 кВ из-за большого индуктивного сопротивления цехового трансформатора воспринимается в сети 6–10 кВ как небольшое приращение нагрузки, нечувствительное в сети 110 кВ.

Сопротивление системы, отнесенное к ее мощности, состоит из последовательно соединенных элементов: генераторов (х_г > 0,125), повышающих трансформаторов (х_{пов т} > 0,105), линий электропередачи (х_л > 0,05), понижающих трансформаторов районных подстанций и (или) ГПП предприятия (х_{пон т} > 0,105).

Таким образом, результирующее сопротивление энергосистемы в относительных единицах без цехового трансформатора в общем случае будет не менее 0,4.

При индуктивном сопротивлении цехового трансформатора, отнесенном к мощности системы,

x_т = u_k ∙ S_c / 100 ∙ S_ном.т

и суммарном сопротивлении цепи КЗ более 3 (х_р*> 3) имеем

x_c + x_г = 0,4 + 0,01u_kS_c / S_ном.т ≥ 3.

Если S_{ном. т} = 1000 кВА, u_к (%) ≥ 5,5, получим S_c ≥ 47 MBA, что всегда выполнимо для современных систем электроснабжения.

Из анализа соотношения (9.16) очевидно, что суммарное сопротивление цепи тока КЗ зависит от сопротивления цехового трансформатора. Это определяет следующие особенности режимов работы цеховых трансформаторных подстанций 3УР: 1) параллельная работа двух цеховых трансформаторов практически удваивает мощности КЗ, что повышает требования к устойчивости электрических сетей и коммутационной аппаратуры на стороне до 1 кВ; 2) рост единичной мощности цеховых трансформаторов (применение трансформаторов 1600 и 2500 кВА) ведет к увеличению токов КЗ в сети до 1 кВ и предъявляет более жесткие требования к цеховым сетям по их устойчивости к действию тока КЗ.

Расчет для отдельных элементов цепи КЗ осуществляют по паспортным или справочным данным и ведут его в именованных единицах, выражая сопротивление элементов в миллиомах. Сопротивление шинопроводов и кабельных линий определяют через активные r₀ и индуктивные х₀ сопротивления фазы (мОм/м), принимаемые по справочным данным.

Полное, активное и индуктивное сопротивления цехового трансформатора, приведенные к ступени низшего напряжения, определяют по формулам, мОм:

z_тр = u_k ∙ U_ном.н ² / S_ном.т ∙10⁴ ; (9.17)

r_тр = ∆P_k ∙ U_ном.н ² / S_ном.т² ∙10⁶ ; (9.18)

x_тр = √ z_тр² - r_тр² . (9.19)

где u_к – напряжение короткого замыкания, %; S_{ном. т} – номинальная мощность трансформатора, кВА; ΔРк – потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт; U_{ном. н} – номинальное напряжение на стороне низкого напряжения трансформатора, кВ.

Переходное сопротивление в сети до 1 кВ можно представить в виде двух составляющих:

R_п.с. = R_п.с1 + R_п.с2, (9.20)

где R_п.cl – суммарное сопротивление всех переходных контактов, токовых обмоток выключателей, реле и обмоток трансформаторов тока; R_п.с2 – сопротивление дуги в месте КЗ.

Суммарное сопротивление

R_п.с1 = R_к + R_а + R_т.тр, (9.21)

где R_к – переходное сопротивление контактного соединения токоведущих шин; R_a – сопротивление автоматических выключателей, состоящее из сопротивления катушек расцепителей и переходного сопротивления контактов; R_т.тр – сопротивление обмоток трансформаторов тока.

Суммарное сопротивление определяется номинальными токами выключателя, трансформатора тока и не зависит от их типа.

Сопротивление дуги в месте КЗ R_пc2 можно определить по выражению

R_п.с2 = Е_д l_д / I_k , (9.22)

где Е_д – напряженность электрического поля в месте горения дуги, которую можно принять равной 1,5 В/мм; l_д – длина дуги, мм (равна удвоенному расстоянию а между фазами сети в месте КЗ); I_к – ток трехфазного КЗ.

В практических расчетах для характерной схемы сети до 1 кВ (рис. 9.2) можно пользоваться значениями R_пс, приведенными ниже для точек К1–К4:

Рисунок 9.2 - Характерная схема цеховой электрической сети для расчета токов КЗ

При аппроксимировании приведенных результатов получена формула для определения суммарного переходного сопротивления при КЗ в точках К2–К4:

R_п.с = 2,5√S_{ном т} К² + 320а / S_{ном. т} , (9.23)

где S_ном.т – номинальная мощность трансформатора цеховой ТП, кВА; K – коэффициент ступени КЗ; а – расстояние между фазами сети в месте КЗ, мм. Для первичных цеховых распределительных щитов и пунктов, а также на зажимах аппаратов, питаемых по радиальным линиям от щитов подстанций или главных магистралей, K = 2; для вторичных цеховых распределительных пунктов и шкафов на зажимах аппаратов, питаемых от первичных распределительных пунктов, K = 3; для аппаратуры, устанавливаемой непосредственно у электроприемников, питающихся от вторичных распределительных пунктов, K= 4. При магистральной схеме цеховой сети переходные сопротивления определяют по формуле (9.23), а при радиальной R_{п.c p} ≈ 1,5 R_п.с

При расчете токов КЗ в цепь короткого замыкания вводят также индуктивные сопротивления трансформаторов тока и катушек максимального тока автоматических выключателей, значения которых принимают по справочным или заводским данным.

Токи короткого замыкания вычисляют для выбора и проверки токоведущих устройств и аппаратов цеховой сети на устойчивость действию КЗ. Независимо от режима нейтрали в цеховых сетях наиболее тяжелым режимом является трехфазное КЗ.

Преобразование схемы замещения чаще всего сводится к определению суммарного сопротивления цепи КЗ путем сложения последовательно соединенных активных и индуктивных сопротивлений n элементов, так как сети до 1 кВ имеют одностороннее питание:

n n

x_∑ = ∑ x_i , r_∑ = ∑ r_i . (9.24)

i=1 i=1

Ток трехфазного КЗ вычисляют по формуле

I_k = U_ном.н / √3√ r_∑² + x_∑² ∙10³ . (9.25)

Влияние асинхронных двигателей, подключенных непосредственно к месту КЗ, можно ориентировочно учесть увеличением значения I_к на 4I_д (I_д – суммарный номинальный ток двигателей). При этом Iк увеличивается не более чем на 10 %.

Ударный ток трехфазного КЗ определяют по формулам (9.7), (9.16). Значение K_уд в сетях до 1 кВ меньше, чем в сетях выше 1 кВ, из-за большого активного сопротивления цепи КЗ, которое вызывает быстрое затухание апериодической составляющей тока КЗ. Значение ударного коэффициента можно определить по специальным кривым, а также расчетом в зависимости от отношения x_Σ/r_Σ или по постоянной времени затухания апериодической составляющей T_a = x_∑ /ω r_Σ .

В приближенных расчетах при определении I_уд на шинах цеховых ТП мощностью 400–1000 кВА можно принимать K_yд = 1,3, а для более удаленных точек сети K_уд ≈ 1. Влияние асинхронных двигателей, подключенных непосредственно к месту КЗ, на I_уд можно ориентировочно учесть увеличением значения найденного I_уд на (4−7) I_д.

Особую сложность представляет расчет однофазных токов КЗ в сетях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, когда ток однофазного КЗ может оказаться меньше значений, достаточных для надежного срабатывания защиты цеховых сетей (автоматических выключателей или предохранителей). В таких сетях ток однофазного замыкания, равный утроенному току нулевой последовательности, определяют по формуле

I_k⁽³⁾ = 3I_k0 = √3U / √(2 _r1Σ + _r0Σ)² + (2 _x1Σ + _x0Σ)² (9.26)

где r_1Σ, х_1Σ — суммарные активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ; r_0Σ, х_0Σ — суммарные активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности.

Ток однофазного замыкания на землю для надежного срабатывания защиты в установках, не опасных по взрыву, должен не менее чем в 3 раза превышать номинальный ток соответствующей плавкой вставки.

При определении токов КЗ в сетях напряжением до 1 кВ следует учитывать, что цеховые ТП выпускаются комплектными и их оборудование (шкафы высокого и низкого напряжения с установленными в них выключателями, трансформаторами тока, шинами и другими элементами) рассчитано на длительный нормальный режим работы и отвечает требованиям устойчивости к токам КЗ в сети низкого напряжения трансформатора данной мощности. Если в цеховой электрической сети применяются комплектные магистральные и распределительные шинопроводы, то подбор их по номинальному току позволяет, как правило, удовлетворить и требованиям устойчивости к действию тока КЗ.

Расчет токов КЗ следует выполнять в случаях совместного питания силовых и осветительных нагрузок, если в осветительной сети использованы осветительные шинопроводы, питающиеся от распределительных шинопроводов. Динамическая стойкость шинопроводов типа ШОС составляет 5 кА, что значительно ниже стойкости шинопроводов типа ШРА (15—35 кА). Если цеховая электрическая сеть состоит из кабелей или проводов в трубах, то для выбора и проверки аппаратов напряжением до 1 кВ расчет токов КЗ в таких сетях обязателен.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите особенности упрощения расчетов токов КЗ в промышленных электрических сетях.

2. Составьте на основании рис. 9.1 схему замещения для расчета токов КЗ.

3. Приведите расчетные формулы для определения сопротивления элементов электрической цепи.

4. Укажите преимущественную область использования именованной системы расчетов токов КЗ.

5. Укажите преимущества расчета токов КЗ в относительных единицах для разветвленных электрических сетей и/или повторяющихся цепочек.

6. Укажите особенности расчетов токов КЗ в сети до 1 кВ.

7. Поясните физический смысл мощности короткого замыкания на разных уровнях системы электроснабжения, действующего и ударного значений токов КЗ.

Литература: [11, 16, 26].