Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з

Рд 153-34.0-20.527-98 – руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования

Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з

РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

«ЕЭС РОССИИ»

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

И ВЫБОРУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

РД 153-34.0-20.527-98

Москва

«Издательство НЦ ЭНАС»
2002

Руководящие указания разработаны
Московским энергетическим институтом (техническим университетом)

Исполнители:

Б.Н. НЕКЛЕПАЕВ руководитель работы (разработка программы, разд. 1, 2, 9, п. 3.6)

И.П. КРЮЧКОВ ответственный исполнитель (разд. 3, 4, пп. 5.1 – 5.4, 5.5.1, 5.5.2, 5.5.5, 5.5.6, 5.6.6 – 5.6.8, 5.9, 5.11.1, разд. 8, приложения П.1 – П.12)

В.В. ЖУКОВ пп. 5.5.8, 5.6, 5.7, 5.10, разд. 6, 7.

Ю.Л. КУЗНЕЦОВ пп. 5.5.3 – 5.5.7, 5.6.5 – 5.6.7, 5.8, 6.7.7, разд. 10, приложение П. 13

Научный редактор Б.Н. НЕКЛЕПАЕВ

Утверждены Департаментом стратегии развития
и научно-технической политики 23.03.1998 г.

Предлагаются в новой редакции (3-е издание) Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания (КЗ) и выбору электрооборудования.

Разработаны методы расчета токов КЗ в электроустановках свыше 1 кВ и до 1 кВ как при симметричных, так и при несимметричных КЗ для начального и произвольного моментов времени. Дана методика определения параметров элементов расчетных схем и методика составления таких схем.

Развиты вопросы определения токов КЗ с учетом влияния комплексной нагрузки, электрической дуги, теплового спада тока КЗ из-за нагрева проводников, вставок постоянного тока.

Сформулированы расчетные условия для проверки электрооборудования по условиям КЗ, приведены методики проверки электрооборудования на электродинамическую и термическую стойкость и проверки электрических аппаратов на коммутационную способность. Даны примеры типовых расчетов.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Руководящие указания предназначены для использования инженерами-энергетиками при выполнении ими расчетов токов короткого замыкания (КЗ) и проверке электрооборудования (проводников и электрических аппаратов) по режиму КЗ.

Руководящие указания включают в себя методы расчета токов симметричных и несимметричных КЗ в электроустановках напряжением свыше 1 кВ и до 1 кВ, методы проверки проводников и электрических аппаратов на электродинамическую и термическую стойкость и методы проверки электрических аппаратов на коммутационную способность.

Руководящие указания не предназначены для использования при расчетах токов КЗ для целей релейной защиты и автоматики в специфических условиях (наличие длинных линий электропередачи, продольной и поперечной компенсации, нелинейных элементов в цепи; двойные, повторные, видоизменяющиеся и сложные виды КЗ и т.п.).

Данные Руководящие указания существенно отличаются от ранее действовавших аналогичных нормативно-технических документов, таких как:

а) Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору по режиму короткого замыкания аппаратуры и проводников в электрических установках высокого напряжения (М.: ГЭИ, 1944. – 51 с.);

б) Руководящие указания по расчету коротких замыканий, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания (1-я ред. М.: МЭИ, 1975. – 331 с.).

В настоящем, третьем, издании Руководящих указаний учтены пожелания пользователей: изменена структура документа, разработаны методы расчета токов КЗ с учетом специфических параметров современных электрических машин и их систем возбуждения, даны рекомендации по учету электрической дуги, нагрева и перемещения гибких проводников при КЗ, влияния комплексной нагрузки на токи КЗ.

Приводятся новые кривые изменения во времени токов КЗ генераторов различных серий с различными системами возбуждения. Включен материал о терминах и определениях в области коротких замыканий в электроустановках, о буквенных обозначениях величин, а также материал о применении ЭВМ при расчетах токов КЗ.

Все основные разделы Руководящих указаний иллюстрируются примерами решения характерных задач.

Руководящие указания разработаны авторским коллективом в следующем составе: д. т. н., проф. Неклепаев Б.Н. (руководитель работы), к. т. н., проф. Крючков И.П. (ответственный исполнитель), д. т. н., проф. Жуков В.В., д. т. н., проф. Кудрявцев Е.П. (пп. 7.4; 7.6.4), к. т. н., доц. Кузнецов Ю.П.

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1.1. Для электроустановок характерны 4 режима: нормальный, аварийный, послеаварийный и ремонтный, причем аварийный режим является кратковременным режимом, а остальные – продолжительными режимами.

1.1.2. Электрооборудование выбирается по параметрам продолжительных режимов и проверяется по параметрам кратковременных режимов, определяющим из которых является режим короткого замыкания.

1.1.3. По режиму КЗ электрооборудование проверяется на электродинамическую и термическую стойкость, а коммутационные аппараты – также на коммутационную способность.

1.1.4. Учитывая дискретный характер изменения параметров электрооборудования, расчет токов КЗ для его проверки допускается производить приближенно, с принятием ряда допущений, при этом погрешность расчетов токов КЗ не должна превышать 5 – 10 %.

1.1.5. Руководящие указания согласованы с действующими Государственными стандартами в области коротких замыканий, а также с Правилами устройства электроустановок:

– ГОСТ 26522-85. Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 17 с.

– ГОСТ 27514-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 40 с.

– ГОСТ Р 50270-92. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. – М.: Изд-во стандартов, 1993. – 60 с.

– ГОСТ 29176-91. Короткие замыкания в электроустановках. Методика расчета в электроустановках постоянного тока. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 40 с.

– ГОСТ Р 50254-92. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия токов короткого замыкания. -М.: Изд-во стандартов, 1993. – 57 с.

– Правила устройства электроустановок. – 6-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 640 с.

1.2. Термины и определения

1.2.1. В Руководящих указаниях используются следующие термины и определения:

1.2.1.1. Замыкание – всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землей.

1.2.1.2. Короткое замыкание – замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

1.2.1.3. Короткое замыкание на землю – короткое замыкание в электроустановке, обусловленное соединением с землей какого-либо ее элемента.

1.2.1.4. Однофазное короткое замыкание – короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза.

1.2.1.5. Двухфазное короткое замыкание – короткое замыкание между двумя фазами в трехфазной электроэнергетической системе.

1.2.1.6. Двухфазное короткое замыкание на землю – короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы.

1.2.1.7. Двойное короткое замыкание на землю – совокупность двух однофазных коротких замыканий на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки.

1.2.1.8. Трехфазное короткое замыкание – короткое замыкание между тремя фазами в трехфазной электроэнергетической системе.

1.2.1.9. Трехфазное короткое замыкание на землю – короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются три фазы.

1.2.1.10. Повторное короткое замыкание – короткое замыкание в электроустановке при автоматическом повторном включении коммутационного электрического аппарата поврежденной цепи.

Источник: http://snipov.net/c_4652_snip_105669.html

7. Аналитический метод расчетов токов КЗ

Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з
Категория: И.Л. Небрат “Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ”

   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

Суммарное сопротивление Zå, мОмСуммарный ток IКå, кА
Трехфазное, К(3)
Двухфазное, К(2)
Однофазное, К(1)

Источник: http://rza001.ru/nebrat/50-7-analiticheskij-metod-raschetov-tokov-kz

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з

При наступлении режима КЗ постоянные токовые величины подвергаются существенным изменениям.

В самое первое мгновение появляется так называемая апериодическая составляющая тока короткого замыкания, которая достаточно быстро угасает и принимает нулевое значение.

Данный временной интервал, когда наблюдаются эти перемены, представляет собой переходный период, определяемый в числовом выражении. Пока аварийное состояние тока не будет отключено, работа электрической сети производится в установившемся режиме короткого замыкания.

Физические свойства апериодической составляющей

Подобное состояние тока возникает в момент короткого замыкания. Его продолжительность и характеристики могут быть разными, в зависимости от многих факторов.

Например, при наличии у двигателя демпферной обмотки, апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет ниже, чем при ее отсутствии.

Вначале возникает сверхпереходный ток, который вначале становится просто переходным, и лишь потом он начинает затухать.

Во время двухфазного замыкания, в статоре не появляются скачкообразные изменения тока. В подобных ситуациях, на холостом ходе возникает апериодическая составляющая, параметры которой совпадают с начальной величиной переменной компоненты.

Поскольку ток КЗ внутри статора является однофазным, в отдельных случаях появление апериодической компоненты полностью исключается. В двигателях асинхронного типа этот показатель не учитывается, поскольку данные процессы очень быстро затухают.

Он не принимается во внимание даже при расчетных вычислениях ударных токов КЗ.

В общем и целом, величина данных компонентов будет отличаться для каждой фазы. Ее начальные параметры будут зависеть от момента появления КЗ. На графиках она представляет собой сплошную кривую линию, поскольку все начальные амплитуды других составляющих будут ей равны, но направлены в обратную сторону.

Наличие апериодической составляющей устанавливается при расхождении контактов. Для ее оценки существует специальный параметр, представляющий собой соотношение между ней и периодической амплитудой в момент размыкания контактов.

Время затухания составляет примерно 0,1-0,2 с и сопровождается значительным выделением тепла.

Под действием высокой температуры заметно нагреваются токоведущие части и вся аппаратура в целом, несмотря на столь короткий промежуток времени.

Полный ток при наступлении КЗ

Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ.

Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению.

Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.

Апериодическая часть представляет собой составную часть тока ia с неизменной величиной. Она появляется непосредственно в момент КЗ и в кратчайший срок падает до нулевой отметки.

Периодическая часть тока КЗ Iпm получила название начальной, поскольку по времени она появляется в самом начале процесса. Данный показатель используется для того чтобы выбрать наиболее подходящую уставку или проверить чувствительность релейной защиты.

Этот ток известен еще и как сверхпереходный, поскольку его определение осуществляется с помощью сверхпереходных сопротивлений, вводимых в схему замещения.

Периодический ток считается установившимся, когда затухает апериодическая часть и заканчивается сам переходный процесс.

Следовательно, полный ток короткого замыкания будет составлять сумму обоих частей – апериодической и периодической во весь период перехода состояний. В определенный момент полный ток за кратчайшее время принимает максимальное значение. Подобное состояние известно под названием ударного тока КЗ, определяемого при проверках электродинамической устойчивости установок и оборудования.

Выбор начального или сверхпереходного тока для проведения расчетов определяет скорое угасание апериодической части, которое происходит раньше, чем срабатывает защита. При этом периодическая составляющая остается неизменной.

Электрические сети, подключенные к генераторным установкам или энергетической системе с ограниченной мощностью, отличаются значительным изменением напряжения при появлении КЗ. В связи с этим, токи, начальный и установившийся, не будут равны между собой.

Для того чтобы сделать расчет релейной защиты, можно воспользоваться показателями изначального тока. В этом случае погрешность будет незначительной в сравнении с установившимся током, подверженным воздействию различных факторов.

Прежде всего, это увеличенное сопротивление в поврежденной точке, нагрузочные токи и прочие параметры, которые чаще всего не учитываются при выполнении расчетов.

Как вычислить апериодическую компоненту

Первоначальная величина апериодической части в модульном выражении определяется как разница между мгновенным показателем периодической части в начале КЗ и величиной тока непосредственно перед замыканием.

То есть, апериодическая составляющая с максимальным первоначальным значением, сравняется с амплитудными параметрами периодической части тока при появлении КЗ.

Это утверждение определяет формула: ia0 = √2Iп0, действующая при условии сниженной активной доли сопротивления в точке КЗ относительно индуктивной составляющей.

1.     2. 

Кроме того, перед началом замыкания в расчетной точке не должно быть нагрузки, а напряжение какой-либо фазы к этому времени проходит по нулевому проводнику. Если же перечисленные требования не будут выполнены, то апериодическая часть в первоначальной стадии снизит свои показатели по отношению к амплитуде периодической составляющей.

Для того чтобы выполнить расчет апериодической составляющей тока короткого замыкания в любое произвольное время, заранее прорабатывается вариант замещения. Согласно первоначальной расчетной схеме, все составные элементы учитываются в качестве активных и индуктивных сопротивлений.

Учет синхронных генераторов и компенсаторов, асинхронных и синхронных электродвигателей проводится путем перевода их в категорию индуктивных сопротивлений с обратной последовательностью.

Обязательно учитываются сопротивления обмоток статора постоянному току с рабочей температурой установленной нормы.

3. 

Когда в изначальной схеме расчетов присутствуют лишь компоненты, соединенные последовательно, в этом случае величина апериодической доли в любой момент времени определяется формулой 1, в которой Та является постоянной величиной, определяющей время затухания данной части.

В свою очередь, Та можно вычислить по формуле 2, в которой Xэк и Rэк будут индуктивной и активной составляющими, а ωсинх является синхронной угловой частотой сетевого напряжения.

Если же при расчетах необходимо учесть величину генераторного тока непосредственно перед коротким замыканием, тогда уже используется формула 3.

Особенности вычислений в многоконтурных схемах

Если в расчетах используются многоконтурные схемы, тогда на апериодическую составляющую не действует экспоненциальный закон временного изменения.

Фактически, она выглядит в виде суммы токов, каждый из которых является экспоненциальной временной функцией и угасает в различные интервалы времени.

Количество таких компонентов в цепях с активными и индуктивными ветвями, совпадает с численностью независимых контуров.

В этом случае апериодические составляющие могут быть вычислены с использованием специальных систем дифференциальных уравнений, учитывающих все активные и индуктивные сопротивления. Методика расчетов во многом зависит от того, как выглядит изначальная схема расчетов, и где расположена рассчитываемое место КЗ.

В некоторых вариантах источники энергии многоконтурной схемы замыкаются на расчетное место КЗ с помощью общего сопротивления.

Приближенные расчеты позволяют установить затухание апериодической составляющей в течение какого-то постоянного промежутка времени.

Существуют два метода решений, которые, относительно точного результате выдают погрешность с положительной или отрицательной направленностью. То есть, постоянная времени будет завышаться или занижаться.

Расчетная схема, разделенная точкой короткого замыкания на части, независимые между собой, в произвольный момент времени определяется в виде суммы апериодических составляющих, предусмотренных для каждого участка схемы. Их изменение по времени происходит относительно постоянного показателя, а полученные данные учитываются в расчетах.

Источник: https://electric-220.ru/news/aperiodicheskaja_sostavljajushhaja_toka_korotkogo_zamykanija/2019-07-01-1711

Ток короткого замыкания: как рассчитать, таблица

Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з

Электрическая энергия несет в себе довольно высокую опасность, от которой не защищены ни работники отдельных подстанций, ни бытовые приборы. Ток короткого замыкания – это один из самых опасных видов электроэнергии, но существуют методы, как его контролировать, рассчитать и измерить.

Что это такое

Ток короткого замыкания (ТКЗ) – это резко возрастающий ударный электрический импульс. Главной его опасностью является то, что согласно закону Джоуля-Ленца такая энергия имеет очень высокий показатель выделения тепла. В результат короткого замыкания могут расплавиться провода или перегореть определенные электроприборы.

Фото — временная диаграмма

Он состоит из двух основных слагающих — апериодическая составляющая тока и вынужденная периодическая слагаемая.

Формула — периодическаяФормула — апериодическая

По принципу, сложнее всего измерить именно энергию апериодического возникновения, которая является емкостной, доаварийной.

Ведь именно в момент аварии разница между фазами имеет наибольшую амплитуду. Также его особенностью является не типичность возникновения этого тока в сетях.

Схема его образования поможет показать принцип действия этого потока.

Сопротивление источников из-за высокого напряжения при КЗ замыкается на небольшом расстоянии или «накоротко» — поэтому это явление получило такое название.

Бывает ток короткого трёхфазного замыкания, двухфазного и однофазного – здесь классификация происходит по количество замкнутых фаз. В некоторых случаях, КЗ может быть замкнут между фазами и на землю.

Тогда, чтобы его определить, нужно будет отдельно учитывать заземление.

Фото — результат КЗ

Также можно распределить КЗ по типу подключения электрооборудования:

Для полного объяснения этого явления предлагаем рассмотреть пример. Скажем, есть конкретный потребитель тока, который подключен к локальной линии электропередач при помощи отпайки.

При правильной схеме общее напряжение в сети равно разнице ЭДС у источника питания и снижению напряжения в локальных электрических сетях.

Исходя из этого, для определения силы тока короткого замыкания может использоваться формула Ома:

R = 0; Iкз = Ɛ/r

Здесь r –сопротивление КЗ.

Если подставить определенные значения, то можно будет определить ток замыкания в любой точке на всей линии электропередач. Здесь не нужно проверять кратность КЗ.

Способы расчета

Предположим, что замыкание уже произошло в трехфазной сети, к примеру, на подстанции или на обмотках трансформатора, как тогда производится расчет токов короткого замыкания:

Формула — ток трехфазного замыкания

Здесь U20 – это напряжение обмоток трансформатора, а ZT – сопротивление определенной фазы (которая была повреждена в КЗ). Если напряжение в сетях – это известный параметр, рассчитывать требуется сопротивление.

Каждый электрический источник, будь-то трансформатор, контакт аккумуляторной батареи, электрические провода – имеет свой номинальный уровень сопротивления. Иными словами, Z у каждого свое. Но они характеризуются сочетанием активных сопротивлений и индуктивных.

Также есть емкостные, но они не имеют значение при расчете токов высокой силы. Поэтому многими электриками используется упрощенный способ вычисления этих данных: арифметический расчет сопротивления постоянного тока на последовательно соединенных участках.

Когда эти характеристики известны, не составит труда по формуле ниже рассчитать полное сопротивление для участка или целой сети:

Формула полного заземления

Рассмотрим на примере, как рассчитать ток короткого замыкания аккумулятора с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,01 Ом. Для начала потребуется формула Ома для полной цепи:

I = ε/r

Где ε – это ЭДС, а r – величина сопротивления.

Учитывая, что во время перегрузок сопротивление равняется нулю, решение принимает следующий вид:

I = ε/r = 12 / 10-2

Исходя из этого, сила при коротком замыкании этого аккумулятора равна 1200 Ампер.

Таким образом можно также рассчитать ток КЗ для двигателя, генератора и других установок. Но на производстве не всегда есть возможность рассчитывать допустимые параметры для каждого отдельного электрического устройства.

Помимо этого, следует учитывать, что при несимметричных замыканиях нагрузки имеют разную последовательность, для учета которой требуется знать cos φ и сопротивление.

Для расчета используется специальная таблица ГОСТ 27514-87, где указываются эти параметры:

Устройстваcos φСопротивление, Ом
Последовательность прямаяОбратная
Синхронные электродвигатели высоковольтные0,90,04+ j 0,220,04+ j 0,22
Асинхронные электродвигатели высоковольтные0,90,06+ j 0,180,06+ j 0,18
Асинхронные электродвигатели низковольтные0,80,09+ j 0,1540,09+ j 0,154
Лампы накаливания1,01,01,33
Газоразрядные источники света0,850,85+ j 0,530,382+ j 0,24
Преобразователи0,90,9+ j 0,441,66+ j 0,814
Электротермические установки0,91+ j 0,490,4+ j 0,196

Также существует понятие односекундного КЗ, здесь формула силы тока при коротком замыкании определяется при помощи специального коэффициента:

Формула — коэффициент КЗ

Считается, что в зависимости от сечения кабеля, КЗ может пройти незаметно для проводки. Оптимальным является длительность замыкания до 5 секунд. Взято из книги Небрат «Расчет КЗ в сетях»:

Сечение, мм2Длительность КЗ, допустимая для конкретного типа проводов
Изоляция ПВХПолиэтилен
Жилы медьАлюминийМедьАлюминий
1,50,17нет0,21нет
2,50,30,180,340,2
40,40,30,540,36
60,70,40,80,5
101,10,71,370,9
161,81,12,161,4
252,81,83,462,2
353,92,54,83,09
505,236,54,18
707,559,46,12
9510,56,913,038,48
12013,28,716,410,7
15016,310,620,313,2
18520,413,425,416,5
24026,817,533,321,7

Эта таблица поможет узнать ожидаемую условную длительность КЗ в нормальном режиме работы, амперметраж на шинах и различных типах проводов.

Если рассчитывать данные по формулам нет времени, то используется специальное оборудование. К примеру, большой популярностью у профессиональных электриков пользуется указатель Щ41160 – это измеритель тока короткого замыкания фаза-ноль 380/220В.

Цифровой прибор позволяет определить и рассчитать силу КЗ в бытовых и промышленных сетях. Такой измеритель можно купить в специальных электротехнических магазинах.

Эта методика хороша, если нужно быстро и точно определить уровень тока петли или отрезка цепи.

Также используется программа «Аврал», которая быстро может определить термическое действие КЗ, показатель потерь и силу тока. Проверка производится в автоматическом режиме, вводятся известные параметры и она сама рассчитывает все данные. Это проект платный, лицензия стоит около тысячи рублей.

: защита электрической сети от короткого замыкания

Защита и указания по выбору оборудования

Несмотря на всю опасность этого явления, все же есть способ, как ограничить или свести к минимуму вероятность возникновения авариных ситуаций.

Очень удобно использовать электрический аппарат для ограничения короткого замыкания, это может быть токоограничивающий реактор, который значительно снижает термическое действие высоких электрических импульсов.

Но для бытового использования этот вариант не подойдет.

Фото — схема блока защиты от кз

В домашних условиях часто можно встретить использование автомата и релейной защиты. Эти расцепители имеют определенные ограничения (максимальный и минимальный ток сети), при превышении которых отключают питание.

Автомат позволяет определять допустимый уровень ампер, что помогает повысить безопасность. Выбор производится среди оборудования с высшим классом защиты, нежели нужно. Например, в сети 21 ампер рекомендуется использовать автомат для отключения 25 А.

Обсудить на форуме

Источник: https://www.asutpp.ru/tok-korotkogo-zamykaniya.html

Ток короткого замыкания. Виды и работа. Применение и особенности

Из каких составляющих состоит ток кз. Определение периодической составляющей тока к.з

Нормальным установившимся режимом работы электроустановки считается такой режим, параметры которого находятся в пределах нормы. Ток короткого замыкания (ток КЗ) возникает при аварии в работе электроустановки. Он чаще всего появляется из-за повреждения изоляции токоведущих частей.

В результате короткого замыкания нарушается бесперебойное питание потребителей, и влечет за собой неисправности и выход из строя оборудования. Вследствие этого при подборе токоведущих элементов и аппаратов необходимо производить их расчет не только для нормальной работы, но и производить проверку по условиям предполагаемого аварийного режима, который может быть вызван коротким замыканием.

Виды коротких замыканий

Понятие короткого замыкания подразумевает электрическое соединение, которое не предусмотрено условиями эксплуатации оборудования между точками различных фаз, либо нейтрального проводника с фазой или земли с фазой (при наличии контура заземления нейтрали источника питания).

При эксплуатации потребителей напряжение питания может подключаться различными способами:

  • По схеме трехфазной сети 0,4 киловольта.
  • Однофазной сетью (фазой и нолем) 220 В.
  • Источником постоянного напряжения выводами положительного и отрицательного потенциала.

В каждом отдельном случае может возникнуть нарушение изоляции в некоторых точках, вследствие чего возникает ток короткого замыкания.

Для 3-фазной сети переменного тока существуют разновидности короткого замыкания:

  1. Трехфазное замыкание.
  2.  Двухфазное замыкание.
  3.  Однофазное замыкание на землю.
  4.  Однофазное замыкание на землю (Изолированная нейтраль).
  5.  Двухфазное замыкание на землю.
  6.  Трехфазное замыкание на землю.

При выполнении проекта снабжения электрической энергией предприятия или оборудования подобные режимы требуют определенных расчетов.

Причины повреждения изоляции

  • Воздействие на изоляцию механическим путем.
  • Электрический пробой токоведущих частей вследствие чрезмерных нагрузок или перенапряжения.
  • Подобно нарушению изоляции можно считать причиной повреждения схлестывание неизолированных проводов воздушных линий от сильного ветра.

  • Наброс металлических предметов на линию.
  • Воздействие животных на проводники, находящиеся под напряжением.
  • Ошибки в работе обслуживающего персонала в электроустановках.
  • Сбой в функционировании защит и автоматики.
  • Техническое старение оборудования.

  • Умышленное действие, направленное на повреждение изоляции.

Ток короткого замыкания во много раз превышает ток при нормальной работе оборудования. Возможными последствиями такого замыкания могут быть:

  • Перегрев токоведущих частей.
  • Чрезмерные динамические нагрузки.
  • Прекращение подачи электрической энергии потребителям.
  • Нарушение нормального функционирования других взаимосвязанных приемников, которые подключены к исправным участкам цепи, из-за резкого снижения напряжения.
  • Расстройство системы электроснабжения.

Принцип действия короткого замыкания

До начала возникновения короткого замыкания величина тока в электрической цепи имела установившееся значение iп. При резком коротком замыкании в этой цепи из-за сильного уменьшения общего сопротивления цепи электрический ток значительно повышается до значения iк.

Вначале, когда время t равно нулю, электрический ток не может резко измениться до другого установившегося значения, так как в замкнутой цепи кроме активного сопротивления R, есть еще и индуктивное сопротивление L.

Это увеличивает во времени процесс возрастания тока при переходе на новый режим.

В результате в начальный период короткого замыкания электрический ток сохраняет первоначальное значение iK = iно. Чтобы ток изменился, необходимо некоторое время. В первые мгновения этого времени ток повышается до максимального значения, далее немного снижается, а затем через определенный период времени принимает установившийся режим.

Период времени от начала замыкания до установившегося режима считается переходным процессом. Ток короткого замыкания можно рассчитать для любого момента в течение переходного процесса.

Ток КЗ при режиме перехода лучше рассматривать в виде суммы составляющих: периодического тока i пt с наибольшей периодической составляющей I пт и апериодического тока i аt (его наибольшее значение – I am).

Апериодическая составляющая тока КЗ во время замыкания постепенно затухает до нулевого значения. При этом ее изменение происходит по экспоненциальной зависимости.

Возможный максимальный ток КЗ считают ударным током iу. Когда нет затухания в начальный момент замыкания, ударный ток определяется:

I у – i пm + i аt=0’, где i пm является амплитудой периодической токовой составляющей.

Полезное короткое замыкание

Считается, что короткое замыкание является отрицательным и нежелательным явлением, от которого происходят разрушительные последствия в электроустановках. Оно может создать условия для пожара, отключения защитной аппаратуры, обесточиванию объектов и другим последствиям.

Однако ток короткого замыкания может принести реальную пользу на практике. Есть немало устройств, функционирующих в режиме повышенных значений тока. Для примера можно рассмотреть сварочный аппарат. Наиболее ярким примером для этого послужит электродуговая сварка, при работе которой накоротко замыкается сварочный электрод с заземляющим контуром.

Такие режимы короткого замыкания действуют кратковременно. Мощность сварочного трансформатора обеспечивает работу при таких значительных перегрузках. Во время сварки в точке соприкосновения электрода возникает очень большой ток. В итоге выделяется значительное количество теплоты, достаточное для расплавления металла в месте касания, и образования сварочного шва достаточной прочности.

Способы защиты

Еще в начале развития электротехники появилась проблема защиты электрических устройств от чрезмерных токовых нагрузок, в том числе и короткого замыкания. Наиболее простым решением стала установка плавких предохранителей, которые перегорали от их нагревания вследствие превышения тока определенной величины.

Такие плавкие вставки функционируют и в настоящее время. Их основным достоинством является надежность, простота и невысокая стоимость. Однако имеются и недостатки. Простая конструкция предохранителя побуждает человека после сгорания плавкого элемента заменить его самостоятельно подручными материалами в виде скрепок, проволочек и даже гвоздей.

Такая защита не способна обеспечить необходимой защиты от короткого замыкания, так как она не рассчитана на определенную нагрузку.

На производстве для отключения цепей, в которых возникло замыкание, используют электрические автоматы. Они намного удобнее обычных плавких предохранителей, не требуют замены сгоревшего элемента.

После устранения причины замыкания и остывания тепловых элементов, автомат можно просто включить, тем самым подав напряжение в цепь.

Существуют также более сложные системы защиты в виде дифференциальных автоматов. Они имеют высокую стоимость. Такие устройства отключают напряжение цепи в случае наименьшей утечки тока. Такая утечка может возникнуть при поражении работника током.

Другим способом защиты от короткого замыкания является токоограничивающий реактор. Он служит для защиты цепей в сетях высокого напряжения, где величина тока КЗ способна достичь такого размера, при котором невозможно подобрать защитные устройства, выдерживающие большие электродинамические силы.

Реактор представляет собой катушку с индуктивным сопротивлением. Он подключен в цепь по последовательной схеме. При нормальной работе на реакторе имеется падение напряжения около 4%. В случае возникновения КЗ основная часть напряжения приходится на реактор. Существует несколько видов реакторов: бетонные, масляные. Каждый из них имеет свои особенности.

Закон Ома при КЗ

В основе расчета замыканий цепи лежит принцип, который определяет вычисление силы тока по напряжению, путем его деления на подключенное сопротивление. Такой же принцип работает и при определении номинальных нагрузок. Отличие в следующем:

  • При возникновении аварийного режима процесс протекает случайным образом, стихийно. Однако он поддается некоторым расчетам по разработанным специалистами методикам.
  • В процессе нормальной работы электрической цепи сопротивление и напряжение находятся в уравновешенном режиме и могут незначительно изменяться в рабочих диапазонах в пределах нормы.

Мощность источника питания

По этой мощности выполняют оценку энергетической силовой возможности разрушительного действия, которое может осуществить ток короткого замыкания, проводят анализ времени протекания, размер.

Для примера рассмотрим, что отрезок медного проводника с площадью сечения 1,5 мм2 длиной 50 см сначала подсоединили непосредственно к батарее «Крона». А в другом случае этот же кусок провода вставили в бытовую розетку.

В случае с «Кроной» по проводнику будет протекать ток КЗ, который нагреет эту батарею до выхода ее из строя, так как мощности батареи не достаточно для того, чтобы нагреть и расплавить подключенный проводник для разрыва цепи.

В случае с бытовой розеткой сработают защитные устройства. Представим, что эти защиты вышли из строя, и не сработали. В этом случае ток короткого замыкания будет протекать по бытовой проводке, затем по проводке всего подъезда, дома, и далее по воздушной линии или кабеля. Так он дойдет до трансформатора питания на подстанции.

В результате к трансформатору подсоединяется длинная цепь с множеством кабелей, проводов, различных соединений. Они намного повысят электрическое сопротивление нашего опытного отрезка провода. Однако даже в таком случае остается большая вероятность того, что этот кусок провода расплавится и сгорит.

Сопротивление цепи

Участок линии электропередач от источника питания до места короткого замыкания обладает некоторым электрическим сопротивлением. Его значение влияет на величину тока короткого замыкания.

Обмотки трансформаторов, катушек, дросселей, пластин конденсаторов вносят свой вклад в суммарное сопротивление цепи в виде емкостных и индуктивных сопротивлений.

При этом создаются апериодические составляющие, которые искажают симметричность основных форм гармонических колебаний.

Существует множество различных методик, с помощью которых производится расчет ток короткого замыкания. Они позволяют рассчитать с необходимой точностью ток короткого замыкания по имеющейся информации.

Практически можно измерить сопротивление имеющейся схемы по методике «фаза-ноль». Это сопротивление делает расчет более точным, вносит соответствующие коррективы при подборе защиты от короткого замыкания.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/tok-korotkogo-zamykaniia/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.