Ток короткого замыкания, от чего зависит величина тока КЗ

В данной статье речь пойдет о коротком замыкании в электрических сетях. Мы рассмотрим типичные примеры коротких замыканий, способы расчетов токов короткого замыкания, обратим внимание на связь индуктивного сопротивления и номинальной мощности трансформаторов при расчете токов короткого замыкания, а также приведем конкретные несложные формулы для этих вычислений.

При проектировании электроустановок необходимо знать значения симметричных токов короткого замыкания для различных точек трехфазной цепи. Величины этих критических симметричных токов позволяют проводить расчеты параметров кабелей, распределительных устройств, устройств селективной защиты и т. п.

Далее рассмотрим ток трехфазного короткого замыкания при нулевом сопротивлении, который подается через типичный распределительный понижающий трансформатор. В обычных условиях данный тип повреждений (короткое замыкание болтового соединения) оказывается наиболее опасным, при этом расчет очень прост. Простые расчеты позволяют, придерживаясь определенных правил, получить достаточно точные результаты, приемлемые для проектирования электроустановок.

Ток короткого замыкания во вторичной обмотке одного понижающего распределительного трансформатора. В первом приближении сопротивление высоковольтной цепи принимается очень малым, и им можно пренебречь, поэтому:

Здесь P – номинальная мощность в вольт-амперах, U2 – напряжение между фазами вторичной обмотки на холостом ходу, Iн — номинальный ток в амперах, Iкз — ток короткого замыкания в амперах, Uкз — напряжение при коротком замыкании в процентах.

В таблице ниже приведены типичные значения напряжений короткого замыкания для трехфазных трансформаторов на напряжение высоковольтной обмотки в 20 кВ.

Если для примера рассмотреть случай, когда несколько трансформаторов питают параллельно шину, то величину тока короткого замыкания в начале линии, присоединенной к шине, можно принять равной сумме токов короткого замыкания, которые предварительно вычисляются по отдельности для каждого из трансформаторов.

Когда все трансформаторы получают питание от одной и той же сети высокого напряжения, значения токов короткого замыкания при суммировании дадут несколько большее значение, чем окажется в реальности. Сопротивлением шин и выключателей принебрегают.

Пусть трансформатор обладает номинальной мощностью 400 кВА, напряжение вторичной обмотки 420 В, тогда если принять Uкз = 4%, то:

На рисунке ниже приведено пояснение для данного примера.

Точности полученного значения будет достаточно для расчета электроустановки.

Ток короткого трехфазного замыкания в произвольной точке установки на стороне низкого напряжения:

Здесь: U2 — напряжение на холостом ходу между фазами на вторичных обмотках трансформатора. Zт — полное сопротивление цепи, расположенной выше точки повреждения. Далее рассмотрим, как найти Zт.

Каждая часть установки, будь то сеть, силовой кабель, непосредственно трансформатор, автоматический выключатель или шина, — имеют свое полное сопротивление Z, состоящее их активного R и реактивного X.

Емкостное сопротивление здесь роли не играет. Z, R и X выражаются в омах, и при расчетах представляются как стороны прямоугольного треугольника, что показано на рисунке ниже. По правилу прямоугольного треугольника вычисляется полное сопротивление.

Сеть разделяют на отдельные участки для нахождения X и R для каждого из них, чтобы вычисление было удобным. Для последовательной цепи значения сопротивлений просто складываются, и получаются в итоге Xт и Rт. Полное сопротивление Zт определяется из теоремы Пифагора для прямоугольного треугольника по формуле:

При параллельном соединении участков расчет ведется как для параллельно соединенных резисторов, если объединенные параллельные участки обладают реактивным или активным сопротивлениями, получится эквивалентное общее сопротивление:

Xт не учитывает влияние индуктивностей, и если расположенные рядом индуктивности влияют друг на друга, то реальное индуктивное сопротивление окажется выше. Необходимо отметить, что вычисление Xз связано только к отдельной независимой цепью, то есть так же без влияния взаимной индуктивности. Если же параллельные цепи расположены близко к друг другу, то сопротивление Хз окажется заметно выше.

Рассмотрим теперь сеть, присоединенную к входу понижающего трансформатора. Трехфазный ток короткого замыкания Iкз или мощность короткого замыкания Pкз определяет поставщик электроэнергии, однако можно исходя из этих данных найти полное эквивалентное сопротивление. Полное эквивалентное сопротивление, одновременно приводящее к эквиваленту для низковольтной стороны:

Pкз — мощность трехфазного короткого замыкания, U2 – напряжение на холостом ходу низковольтной цепи.

Как правило, активная составляющая сопротивления высоковольтной сети — Rа — очень мала, и сравнительно с индуктивным сопротивлением — ничтожно мало. Традиционно принимают Xa равным 99,5% от Zа, и Ra равным 10% от Xа. В таблице ниже приведены приблизительные данные относительно этих величин для трансформаторов на 500 МВА и 250 МВА.

Полное Zтр — сопротивление трансформатора на стороне низкого напряжения:

Pн — номинальная мощность трансформатора в киловольт-ампреах.

Активное сопротивление обмоток находится исходя из мощности потерь.

Когда ведут приблизительные расчеты, то пренебрегают Rтр, и принимают Zтр = Xтр.

Если требуется принять в расчет выключатель низковольтной цепи, то берется полное сопротивление выключателя, расположенного выше точки короткого замыкания. Индуктивное сопротивление принимают равным 0,00015 Ом на выключатель, а активной составляющей пренебрегают.

Что касается сборных шин, то их активное сопротивление ничтожно мало, реактивная же составляющая распределяется примерно по 0,00015 Ом на метр их длины, причем при увеличении расстояния между шинами вдвое, их реактивное сопротивление возрастает лишь на 10%. Параметры кабелей указывают их производители.

Что касается трехфазного двигателя, то в момент короткого замыкания он переходит в режим генератора, и ток короткого замыкания в обмотках оценивается как Iкз = 3,5*Iн. Для однофазных двигателей увеличением тока в момент короткого замыкания можно пренебречь.

Дуга, сопровождающая обычно короткое замыкание, обладает сопротивлением, которое отнюдь не постоянно, но среднее его значение крайне низко, однако и падение напряжения на дуге невелико, поэтому практически ток снижается примерно на 20%, что облегчает режим срабатывания автоматического выключателя, не нарушая его работу, не влияя особо на ток отключения.

Ток короткого замыкания на приемном конце линии связан с током короткого замыкания на подающем ее конце, но учитывается еще сечение и материал передающих проводов, а также их длина. Имея представление об удельном сопротивлении, каждый сможет произвести этот несложный расчет. Надеемся, что наша статья была для вас полезной.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

РД 34.20.176 Руководящие указания по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110 — 220 кВ энергосистем

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОГРАНИЧЕНИЮ ТОКОВ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ
ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 110 — 220 кВ ЭНЕРГОСИСТЕМ

ИСПОЛНИТЕЛИ К.М. АНТИПОВ, В.М. МАКСИМОВ, В.Ф. МОГУЗОВ (Главтехуправление); Ч.М. ДЖУВАРЛЫ, Е.В. ДМИТРИЕВ, А.М. ГАШИMOB (Институт физики АН АзССР); Г.А. ДОРФ, Ю.Н. ЛЬВОВ (ВНИИЭ); И.И. МАГДА (ПО «Днепроэнерго»)

СОГЛАСОВАНЫ с Всесоюзным научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом трансформаторостроения (ВИГ) 30.05.84

УТВЕРЖДЕНЫ Главным техническим управлением по эксплуатации энергосистем Минэнерго СССР 10.12.84

Начальник В.И. ГОРИН

Руководящие указания устанавливают основные положения по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110 — 220 кВ энергосистем Минэнерго СССР.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Основной целью ограничения токов однофазных коротких замыканий (КЗ) является приведение их значений в соответствие с допустимыми, указанными в технических условиях и стандартах на проводники, аппараты и оборудование распределительных устройств электрических станций, подстанций и линий электропередачи, а также на повышение надежности работы названного оборудования.

1.2. Ограничение токов однофазных КЗ — в электрических сетях 110 кВ должно выполняться при их значениях, больших 30 ÷ 35 кА, а в электрических сетях 220 кВ — при токах, больших 35 ÷ 40 кА.

Ограничению подлежат также токи сквозных КЗ, протекающих через обмотки автотрансформаторов со средним напряжением до 220 кВ включительно, если их кратность на стороне среднего напряжения превышает 80 % допустимой по техническим условиям и стандартам при питании со стороны высокого напряжения и отсутствии нагрузки (источника питания) со стороны низшего напряжения.

1.3. В условиях Крайнего Севера ограничение токов однофазных КЗ должно выполняться, исходя из параметров оборудования и требований к охране окружающей среды.

1.4. При реализации мероприятий по ограничению токов однофазного КЗ должен соблюдаться системный подход к решению вопроса, при котором расстановке токоограничивающих устройств на объектах рассматриваемой энергосистемы должен предшествовать расчет токов КЗ во всей сети энергосистемы с учетом указанных устройств.

1.5. Значения эквивалентных сопротивлений на границах раздела энергосистемы, где проводятся мероприятия по ограничению тока КЗ, с соседними энергосистемами должны сообщаться последним не позднее, чем за 30 дн до ввода в работу токоограничивающих устройств.

2. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКОВ ОДНОФАЗНЫХ КЗ

2.1. До внедрения в эксплуатацию аппаратов и оборудования, серийно выпускаемых и рассчитанных на воздействие существующих значений токов однофазных КЗ в электрических сетях 110 — 220 кВ, рекомендуется применять следующие способы их ограничения:

— частичное разземление нейтралей трансформаторов;

— заземление нейтралей через реакторы.

2.2. При выборе способа ограничения токов однофазных КЗ следует исходить из следующих основных факторов:

— допустимых уровней повышения напряжения промышленной частоты на неповрежденных фазах сети;

— допустимых уровней напряжения на нейтралях трансформаторов и автотрансформаторов;

— допустимых параметров восстанавливающегося напряжения при отключении токов КЗ;

— обеспечения селективности и чувствительности защит;

— технических параметров, габаритных размеров и технико-экономических характеристик устройств для ограничения токов КЗ;

— надежности электроснабжения потребителей;

— наличия на объекте автотрансформаторов;

— наличия на стороне низшего напряжения трансформаторов на подстанциях, выполненных отпайками от ВЛ, генерирующих источников и электродвигателей большой мощности;

— ограничения по площади на действующем объекте.

2.3. Деление сети (стационарное и автоматическое) для ограничения токов КЗ должно выполняться в следующих случаях:

— деление существенно не снижает надежности работы сети, не увеличивает сквозных токов однофазного КЗ через автотрансформаторы свыше кратности, указанной в п. 1.2, и не вызывает увеличения параметров восстанавливающегося напряжения более значений, указанных в ГОСТ 687-78;

— ограничение тока однофазного КЗ в сочетании с опережающим делением при двух- и трехфазных КЗ неэффективно.

2.4. Частичное разземление нейтралей трансформаторов 110 кВ подстанций, выполненных на отпайках от ВЛ, допустимо при отсутствии на стороне низшего напряжения трансформатора генерирующих источников и электродвигателей большой мощности.

Частичное разземление нейтралей трансформаторов 110 кВ в распределительных устройствах электростанций допустимо при отсутствии на них автотрансформаторов связи с сетями других классов напряжения. При этом должны быть приняты меры, исключающие действия релейной защиты и системной автоматики, которые могут привести к выделению участков сети без трансформаторов с заземленными нейтралями; проверено отсутствие существенного возрастания параметров восстанавливающегося напряжения при отключении однофазного КЗ.

Разземленные нейтрали трансформаторов должны быть защищены вентильными разрядниками в соответствии с существующими нормативными документами, стандартами и техническими условиями на трансформаторы.

2.5. Заземление нейтралей трансформаторов 110 — 220 кВ и автотрансформаторов через реакторы рекомендуется осуществлять в распределительных устройствах электростанций и подстанций с автотрансформаторами, а также при отсутствии автотрансформаторов, если по условиям надежности частичное разземление нейтралей недопустимо.

3. ВЫБОР ТОКООГРАНИЧИВАЩИХ РЕАКТОРОВ И МЕСТ ИХ УСТАНОВКИ

3.1. До проведения мероприятий по ограничению токов КЗ в электрической сети 110 — 220 кВ должен быть выполнен расчет токов однофазного КЗ для нормального (максимального) режима и выявлены точки, в которых необходимо ограничение токов с учетом перспективы развития сети.

3.2. Расчет токов однофазного КЗ должен производиться для нормальной схемы сети. При расчете токов КЗ в сети, где выполнено деление КЗ, последнее не должно предусматриваться.

3.3. При выборе токоограничивающих реакторов необходимо руководствоваться следующим:

— уровень напряжения на нейтрали трансформатора или автотрансформатора при включении в нейтраль реактора в указанных ниже режимах (пп. 3.4, 3.5) не должен превышать приведенного в приложении 1 допустимого уровня напряжения с учетом его продолжительности;

— за расчетное время воздействия тока однофазного КЗ на реактор и длительность повышения напряжения частоты 50 Гц на нейтрали, на оборудовании и изоляции неповрежденных фаз должно приниматься время действия первых ступеней резервных токовых защит нулевой последовательности трансформаторов и автотрансформаторов;

— реактор, включаемый в нейтраль, должен длительно выдерживать прохождение тока естественной несимметрии сети, ограничивать ток КЗ до заданного значения, выдерживать воздействие токов КЗ, а также токов при неполнофазных режимах в сети в течение расчетного времени;

— при включении в нейтраль реакторов должно сохраняться эффективное заземление нейтрали автотрансформаторов (напряжение на неповрежденных фазах при однофазном КЗ, а также напряжение «фаза-земля» при неполнофазных режимах не должно во всех случаях превышать значения 1,37 U_ф.н.р, соответствующего напряжению гашения вентильных разрядников);

— при включении в нейтраль реактора для ограничения грозовых перенапряжений на нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов параллельно реактору должна быть включена резисторная установка с номинальным значением сопротивления 850 ± 150 Ом (приложение 1).

3.4. Расчетным режимом для определения значения сопротивления реактора, включаемого в нейтраль автотрансформатора со средним напряжением 220 кВ, и уровня напряжения на нейтрали является режим включения (трехфазного) автотрансформатора со стороны высокого напряжения на однофазное КЗ на стороне среднего напряжения.

3.5. Расчетным режимом для определения значения сопротивления реактора, включаемого в нейтраль автотрансформатора со средним напряжением 110 или 150 кВ, и уровня напряжения на нейтрали является сохранение эффективного заземления нейтрали автотрансформатора при отключении его со стороны среднего напряжения.

3.6. Значение индуктивного сопротивления токоограничивающего реактора, включаемого в нейтраль силового (блочного) трансформатора электростанции, выбирается из условия сохранения эффективного заземления нейтрали автотрансформаторов и рассматриваемого блочного трансформатора, а также ограничения напряжения на их нейтралях до уровня, не превышающего указанный в приложении 1.

3.7. Расчетные формулы и схемы замещения для определения значения индуктивного сопротивления токоограничивающих реакторов приведены в приложении 2.

Рекомендуемые значения индуктивных сопротивлений реакторов, рассчитанных при сопротивлениях примыкающей системы X₁ = X₂ = X₀ = 0, и типы реакторов, предназначенных для включения в нейтрали силовых (блочных) трансформаторов и автотрансформаторов, даны в приложении 3.

Значения индуктивных сопротивлений токоограничивающих реакторов рассчитаны на основе положений пп. 3.3 — 3.7 и значений предельных мощностей (токов) КЗ, указанных в технических условиях и стандартах на трансформаторы и автотрансформаторы.

Выбор значений сопротивлений реакторов более указанных в приложении 3 для соответствующих типов трансформаторов и автотрансформаторов не рекомендуется. При необходимости более глубокого ограничения токов однофазных КЗ сопротивления реакторов могут быть приняты с учетом реального сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей сети высшего напряжения. Расчет и выбор реакторов должен быть произведен с учетом изложенного в пп. 3.3 ÷ 3.6 и приложения 2. При этом необходимо корректировать значения сопротивлений реакторов по мере развития энергосистемы.

3.8. При выбранных значениях сопротивления и местах установки токоограничивающих реакторов должны быть произведены расчет токов однофазного КЗ в сети с учетом изложенного в п. 3.2 и сравнение их с допустимыми значениями.

3.9. В случаях, когда при исключении стационарного деления сети токи трехфазного КЗ становятся выше допустимых для оборудования, следует предусматривать опережающее деление сети при трехфазных и двухфазных КЗ.

3.10. При получении от установки реакторов большего, чем требуется эффекта токоограничения, целесообразно часть трансформаторов блоков электростанций (один-два) оставить с глухозаземленной нейтралью и повторно произвести расчет токов однофазного КЗ в сети.

3.11. Схема включения реакторов в нейтрали силовых трансформаторов и автотрансформаторов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения реакторов в нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов:

1 , 2 — разъединители РНД-35-100 УХЛ1;
3 — роговой разрядник (устанавливается при соответствующем обосновании);
4 — резисторная установка БРУ-Н; 5 — реактор ТРОС-35-Х-Х;
6 — фазные обмотки ВН трансформатора (автотрансформатора)

3.12. При выбранных значениях сопротивлений реакторов и местах их расстановки в сети 110 — 220 кВ следует:

— перестроить уставки релейных защит для обеспечения необходимой чувствительности;

— оценить (при необходимости) на «слабых связях» в электрических сетях влияние реакторов на статическую устойчивость параллельной работы при ОАПВ.

3.13. После выполнения токоограничивающих мероприятий в сети 110 — 220 кВ не допускается шунтирование в нормальном режиме реакторов, установленных в нейтралях автотрансформаторов.

3.14. Примеры выполнения токоограничивающих мероприятий и расчета их эффективности приведены в приложении 4.

3.15. Токоограничивающий реактор, устанавливаемый в нейтраль автотрансформатора (со средним напряжением 110 кВ) с вольтодобавочным трансформатором со стороны нейтрали, выбирается без учета трансформатора.

Значение сопротивления реактора, включаемого в нейтраль автотрансформатора со средним напряжением 150 кВ и вольтодобавочным трансформатором со стороны нейтрали, принимается вдвое меньшим, чем значение, полученное в соответствии с п. 3.5.

Выбор токоограничивающего реактора, устанавливаемого в нейтраль автотрансформатора со средним напряжением 220 кВ и вольтодобавочным трансформатором со стороны нейтрали, должен быть согласован с Главтехуправлением.

Приложение 1

УРОВНИ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА ОБОРУДОВАНИИ

Источник