Расчет токов короткого замыкания

Коротким замыканием называется непосредственное соединение между любыми точками разных фаз, фазы и нулевого провода и нулевого провода или фазы с землей, не предусмотренное нормальными условиями работы установки.

Различают несколько видов коротких замыканий:

- трехфазное короткое замыкание, при котором все три фазы замыкаются между собой в одной точке,

- двухфазное короткое замыкание, при котором происходит замыкание двух фаз между собой или на землю.

- однофазное короткое замыкание, при котором происходит замыкание одной из фаз на нулевой провод или на землю.

В большинстве случаев причиной возникновения коротких замыканий в системе является нарушение изоляции электрического оборудования вследствие износа изоляции, не выявленного своевременно, или из-за перенапряжений. Короткие замыкания могут быть вызваны ошибочными действиями обслуживающего персонала, схлестыванием, набросом проводов воздушных линий.

При возникновении коротких замыканий общее сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.

Токи короткого замыкания оказывают термическое и электродинамическое действие на оборудование.

Вычисление токов короткого замыкания производится для определения условий работы потребителей при аварийных режимах; выбора электрических аппаратов, шин, изоляторов, силовых кабелей; проектирования защитных заземлений; подбора характеристик разрядников для защиты от перенапряжений.

Для расчета токов короткого замыкания необходимо составить расчетную схему, соответствующую нормальному режиму работы системы электроснабжения при параллельном включении всех источников питания. По расчетной схеме составляют схему замещения, на которой все магнитосвязанные электрические сети заменяют эквивалентной электрически связанной цепью. При этом все входящие в расчёт величины можно выражать в именованных единицах (киловольт-амперах, амперах, вольтах, омах) или относительных единицах (долях и процентах принятой базисной величины). В схему замещения вводятся все источники питания, участвующие в питании места короткого замыкания, и все сопротивления, по которым проходит рассчитываемый ток короткого замыкания. В схеме замещения намечают вероятные точки для расчета токов короткого замыкания.

Выбор расчетных точек производится на основе анализа схемы электроснабжения с целью нахождения наиболее неблагоприятных условий повреждений, определяющих выбор аппаратов и проводников.

Как правило, расчетными точками являются выводы высшего напряжения понижающих трансформаторов, участки между выводами низшего напряжения трансформаторов, сборные шины распределительных устройств.

При наличии в схеме трансформаторов при составлении схемы замещения необходимо привести параметры элементов и Э.Д.С. различных ступеней трансформации к основной (базисной) ступени.

Расчётная схема

                                                                Модернизируемая ПС

110/35/6 кВ                                                                                     110/6 кВ

U_ср1 = 115 кВ                           U_ср1 = 115 кВ                                     U_ср2 = 6,3 кВ

АС-70              

   l =10 км                                                                            

   I⁽³⁾_с.max = 6 кА                     К-1                   S_ном.тр= 6300 кВ·А               К-2

 I⁽³⁾_с.min= 5,2 кА                                                     U_кз = 10,5 %

Рисунок 2.1 - Схема для расчета токов к.з.

1. Расчёт токов к.з.  в  именованных  единицах при среднем напряжении 115 кВ.

1.1 Схема замещения:

К-1                             К-2

                    Х_сmax                 R_л          X_л                             X_Т                Х_сmin

Рисунок 2.2 - Схема замещения для расчета в именованных единицах 

1.2 Сопротивление системы.

где I⁽³⁾_сmax, I⁽³⁾_сmax – токи трехфазного КЗ на шинах 110 кВ питающей ПС (системы).

1.3 Активное и индуктивное сопротивление воздушной линии АС-70 длиной  10 км:

R_л = R_уд × l = 0,45 × 10 = 4,5 Ом;

Х_л = Х_уд × l = 0,4 × 10 = 4,0 Ом.

Удельные активное и реактивное сопротивления воздушной линии со сталеалюминевыми проводами нормальной прочности АС-70:

Х_уд = 0,45 Ом/км;  R_уд = 0,4 Ом/км.

1.4 Индуктивное сопротивление трансформатора мощностью S_н.т. = 6300 кВА при U_ср.1 = 115 кВ:

 Ом.

1.5 Результирующее полное сопротивление цепи до точки к.з. К-1:

 Ом.

 Ом.

1.6 Ток трехфазного к.з. в точке К-1:

 кА.

 кА

1.7 Ток двухфазного к.з. в точке К-1:

 кА.

 кА.

1.8 Ударный ток к.з. в точке К-1:

 кА.

где k_у – ударный коэффициент. Значение ударного коэффициента определяется по кривой k_у = f  :  по кривой соответственно k_у =1,35.

1.9 Сверхпереходная мощность к.з. в точке К-1:

 МВА.

1.10 Результирующее полное сопротивление цепи до точки к.з. К-2 при среднем напряжении 115 кВ:

1.11 Ток трехфазного к.з. в точке К-2 при среднем напряжении 115 кВ:

 кА.

 кА.

1.12 Ток двухфазного к.з. в точке К-2 при среднем напряжении 115 кВ:

 А.

 А.

1.13 Ток трехфазного к.з. в точке К-2 при среднем напряжении 6,3 кВ:

 кА.

1.14 Ударный ток к.з. в точке К-2:

 кА.

k_у = f ;        .  Отсюда k_у =1,6.

1.15 Сверхпереходная мощность к.з. в точке К-2:

 МВА.

2 Расчет токов к.з. в точке к-2  в  именованных  единицах при среднем напряжении 6,3 кВ.

2.1 Схема замещения:

К-1                                К-2

                    Х_сmax                   R_л          X_л                                  X_Т                    Х_сmin

Рисунок 2.3 - Схема замещения для расчёта тока к.з. в точке К-2

2.2 Сопротивление системы и ВЛ, приведённые к среднему напряжению второй ступени к.з., т.е. к  U_ср2 = 6,3 кВ:

 Ом;

 Ом;

 Ом;

  Ом.

2.3 Индуктивное сопротивление трансформатора:

где   u_к — напряжение к.з., %;

        S_нт— номинальная мощность трансформатора,  МВ·А.

Ом.

2.4 Результирующее полное сопротивление цепи до точки к.з. К-2 при среднем напряжении 6,3 кВ:

2.5 Ток трехфазного к.з. в точке К-2 при среднем напряжении 6,3 кВ:

 кА.

 кА.

3 Расчёт токов к.з. в  относительных  единицах.

Принимаем за базисную мощность S_б = 100 МВА и приводим к ней все сопротивления.

3.1 Сопротивление системы в относительных единицах:

;

где  МВА.

 МВА

 - сверхпереходная мощность к.з. на шинах 110 кВ системы.

3.2 Относительные базисные сопротивления ВЛ 110 кВ:

;

.

3.3 Относительное базисное сопротивление трансформатора мощностью S_н.т. = 6300 кВА при U_ср.1 = 115 кВ:

.

3.4 Схема замещения

Все сопротивления отнесены к одной и той же базисной мощности, поэтому составляем общую схему замещения для заданных двух точек к.з. и указываем на ней все относительные базисные сопротивления:

К-1                                            К-2

   Х_сmax                      R_л        X_л                                X_Т                    Х_сmin

Рисунок 2.4 - Схема замещения для расчета в относительных единицах

3.5 Расчет токов к.з. в точке К-1

3.5.1 Базисный ток первой ступени для точки К-1:

 кА.

Базисное напряжение:

 кВ.

3.5.2 Результирующее относительное базисное сопротивление цепи к.з. до точки К-1:

;

3.5.3 Ток трехфазного к.з. в точке К-1:

 кА.

 кА.

3.6 Расчет токов к.з. в точке К-2

3.6.1 Базисный ток второй ступени для точки К-2:

 кА.

Базисное напряжение:

 кВ. 

3.6.2 Результирующее относительное базисное сопротивление цепи к.з. до точки К-2:

3.6.3 Ток трехфазного к.з. в точке К-2:

 кА.

 кА.

Результаты расчета токов к.з. в именованных и относительных единицах совпадают. Расчет в именованных единицах более нагляден, расчет в относительных единицах удобен.