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 учитываются и активные сопротивления элементов цепи КЗ: силовых трансформаторов*, кабельных линий, шинопроводов, пер­вичных обмоток многовитковых трансформаторов тока, токовых ка-

тушек автоматических выключателей, различных контактных соеди­нений (разъемных и втычных контактов аппаратов и т. д.), дуги в месте КЗ. Общее активное сопротивление цепи КЗ r_å может быть больше 30% х_å что влияет на полное сопротивление z_å и ток КЗ.

Из-за удаленности места КЗ в сети до 1 кВ от источника питания (х_*p > 3) 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 (x_Г ³ 0,125), по­вышающих трансформаторов (x _{пов тр} ³ 0,105), линий электропередачи (х_л ³ 0,05), понижающих трансформаторов районных подстан­ций и (или) ГПП предприятия (x _{пон тр} ³ 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,

Если S_ном.тр = 1000 кВ • А, и_к % ³ 5,5, получим S_с ³ 47 MB • А, что всегда выполнимо для современных систем электроснабжения.

Из анализа соотношения (7.26) очевидно, что суммарное сопротив­ление цепи тока КЗ определяется сопротивлением цехового транс­форматора. Это определяет следующие особенности режимов работы цеховых трансформаторных подстанций ЗУР: 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 кВ • А) ведет к увеличению токов КЗ в сети до 1 кВ и предъявляет более жесткие требования к цеховым сетям с точки зре­ния их устойчивости к действию тока КЗ.

Расчет для отдельных элементов цепи КЗ осущёсгМяётсй по п портным или справочным данным, и ведут его в именованных единицах, выражая сопротивление элементов в миллиомах. Сопротивление шино-проводов и кабельных линий определяют через активные г₀ и индук­тивные х₀ сопротивления фазы (мОм/м), принимаемые по справоч­ным данным.

Полное, активное и индуктивное сопротивления цехового трансфор­матора, приведенные к ступени низшего напряжения, выражаются фор­мулами, мОм,

где и_к % — напряжение короткого замыкания, %; S_ном.тр — номинальная мощность трансформатора, кВ • А; DР_к — 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:

где R _пер1 — суммарное сопротивление всех переходных контактов, токовых обмоток выключателей, реле и обмоток трансформаторов тока; R _пер2 — сопротивление дуги в месте КЗ.

Суммарное сопротивление

где R_к — переходное сопротивление контактного соединения токоведущих шин; R_а — 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_{nер 2} можно определить по выра­жению

где Е_Д — напряженность электрического поля в месте горения дуги, которую можно принять равной 1,5 В/мм; I _д — длина дуги, мм (рав­на удвоенному расстоянию а между фазами сети в месте КЗ); I _к — ток трехфазного КЗ.

В практических расчетах можно пользоваться значениями R_neр, приведенными в табл. 7.1 для характерной схемы сети до 1 кВ (рис.7.4).

При аппроксимировании результатов, приведенных в табл. 7.1, по­лучена формула для определения суммарного переходного сопротив­ления при КЗ в точках К₂ -К₄:

где s_hом.ТР — номинальная мощность трансформатора цеховой ТП, кВ • А; а — расстояние между фазами сети в месте КЗ, мм; К — ко­эффициент ступени КЗ.

Для первичных цеховых распределительных щитов и пунктов, а также на зажимах аппаратов, питаемых по радиальным линиям от щи­тов подстанций или главных магистралей, К = 2; для вторичных цеховых распределительных пунктов и шкафов на зажимах аппаратов, питае­мых от первичных распределительных пунктов, К = 3; для аппаратуры, устанавливаемой непосредственно у электроприемников, питающихся от вторичных распределительных пунктов, К = 4. При магистральной схеме цеховой сети переходные сопротивления определяют по формуле (7.30), а при радиальной R_пер.р» 1, 5 R_пер.

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

Вычисление токов короткого замыка­ния осуществляется 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 и эле­ментов, так как сети до 1 кВ имеют одностороннее питание:

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

Ударный ток трехфазного КЗ определяется по формулам (7.19), (7.25). Значение k_у 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 или расчетом в зависимости от отношения х_å/r_å или постоянной вре­мени затухания апериодической составляющей Т_а = x_å / (w r_å).

В приближенных расчетах при определении i_y на шинах цеховых ТП мощностью 400 - 1000 кВ • А можно принимать k_y = 1,3, а для более удаленных точек сети k_y» 1. Влияние асинхронных двигателей, подклю­ченных непосредственно к месту КЗ, на i_y можно ориентировочно учесть увеличением значения найденного i_y на (4—7) I_ДВ.

Особую сложность составляет расчет однофазных токов КЗ в сетях до 1 кВ с глухо заземленной 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, определяется по формуле

где r _1å, x _1å — суммарные активное и индуктивное сопротивления пря­мой последовательности цепи КЗ; r_Qå, x_oå - 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 примене­ны 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 является обяза­тельным.

Вопросы для самопроверки

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

2. Рассмотрите рис. 1.1 как расчетную схему и составьте на основании
рисунка схему замещения для расчета токов КЗ.

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

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

5. Оцените удобство 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.