Ток короткого замыкания однофазных и трехфазных сетей
В электрических сетях периодически возникают различные аварийные ситуации. Среди них, наибольшую опасность представляет ток короткого замыкания, формула которого используется при расчетах и проектировании. Последствия аварийного режима достаточно серьезные – выходят из строя сами сети, а также подключенные приборы и оборудование. Все это причиняет большой материальный ущерб. Проводимые расчеты, в том числе и на ударный ток КЗ требуются, в первую очередь, для того, чтобы обеспечить надежную защиту на электрифицированном объекте.
Содержание
Расчет токов короткого замыкания
Для выполнения подобного расчета тока привлекаются квалифицированные специалисты. Они не только разрабатывают теоретическую сторону, но и отвечают за последующую эксплуатацию представленных схем. Здесь слишком много специфических особенностей, поэтому начинающие электрики должны хорошо представлять себе не только саму природу электричества, но и свойства проводников, диэлектриков, особенности изоляции и другие важные вопросы.
Результаты рассчитанные в домашних условиях, должны обязательно проверяться специалистами. Все расчеты, касающиеся короткого замыкания, выполняются с использованием специальных формул.
Трёхфазное короткое замыкание в электрических сетях до 1000В определяется с учетом следующих особенностей:
- Трехфазная система по умолчанию является симметричной.
- Трансформаторное питание считается неизменным, сравнимым с его номиналом.
- Возникновение короткого замыкания считается в момент максимального значения силы тока.
- Значение ЭДС принимается для источников питания, расположенных на большом расстоянии от места КЗ.
Кроме того, определяя параметры короткого замыкания, следует правильно вычислить общее сопротивление проводников, с привязкой к единому значению мощности. Обычные формулы могут привести к ошибкам из-за разных номинальных напряжений на отдельных участках в момент КЗ. Базовая мощность существенно упрощает расчеты и повышает их точность.
Изменения тока в процессе короткого замыкания
За период КЗ ток подвергается различным изменениям. В самом начале он увеличивается, далее – затухает до определенного значения, а потом автоматический регулятор возбуждения доводит его до стабильной величины.
Период времени, требуемый для изменения параметров тока короткого замыкания – ТКЗ, получил название переходного процесса. По окончании этого промежутка и до момента, когда КЗ будет отключено, наблюдается стабильный аварийный режим. Величина тока в различные промежутки времени необходима при выборе уставок для защитной аппаратуры, проверке динамической и термической устойчивости электрооборудования.
В каждой сети подключены нагрузки с установленными индуктивными сопротивлениями. Они препятствуют мгновенным изменениям тока, поэтому его величина меняется не скачкообразно, а нарастает постепенно, в соответствии с законом физики. Анализ и расчет тока в переходный период значительно упрощается, если его условно разделить на две составные части – апериодическую и периодическую.
- Первая – апериодическая часть ia – обладает постоянным знаком, появляется в момент КЗ и довольно быстро понижается до нулевой отметки.
- Вторая часть – периодическая составляющая тока КЗ Inmo – в первый момент времени представляет собой начальный ток короткого замыкания. Именно он используется при выборе уставок и проверке чувствительности защитных устройств. Данная сила тока короткого замыкания получила название сверхпереходного тока, поскольку при его расчетах схема замещения дополняется сверхпереходными ЭДС и сопротивлением генератора.
По завершении переходного периода периодический ток считается установившимся. Величина полного тока включает в себя апериодическую и периодическую составляющие на любом отрезке переходного периода. Показатель его максимального мгновенного значения представляет собой ударный ток короткого замыкания, определяемый при проверке динамической устойчивости электрооборудования.
Короткие замыкания в однофазных сетях
При выполнении расчетов энергосистем однофазного тока допускаются вычисления, производимые в упрощенной форме. Приборы и оборудование в таких сетях не потребляют большого количества электроэнергии, поэтому надежная защита может быть обеспечена обычным автоматическим выключателем, рассчитанным на ток срабатывания 25 ампер.
Ток однофазного короткого замыкания вычисляется в следующем порядке:
- Определение параметров трансформатора или реактора, питающих сеть, в том числе их электродвижущей силы.
- Устанавливаются технические характеристики проводников, используемых в сети.
- Разветвленную электрическую схему необходимо упростить, разбив на отдельные участки.
- Вычисление полного сопротивления между фазой и нулем.
- Определения полных сопротивлений трансформатора или других питающих устройств, если такие данные отсутствуют в технической документации.
- Все полученные значения вставляются в формулу.
В каждом случае сила тока короткого замыкания и формула, по которой рассчитывается однофазный процесс, показана на рисунке.
В ней Uf является фазным напряжением, Zt – сопротивлением трансформатора в момент КЗ. Zc будет сопротивлением между фазой и нулем, а Ik – однофазным током КЗ.
Использование данной формулы позволяет определить ток однофазного КЗ и его параметры в соответствующих цепях с величиной погрешности в пределах 10%. Полученных данных вполне достаточно, чтобы рассчитать правильную и эффективную защиту сети. Основной проблемой при получении исходных данных считается определение величины Zc.
При наличии данных о параметрах проводников и значениях переходных сопротивлений, определить сопротивление между фазой и нулем вполне возможно по формуле:
Здесь rf и rn являются, соответственно, активными сопротивлениями фазного и нулевого проводов, измеряемыми в Омах, ra представляет собой сумму активных сопротивлений контактов в цепочке фаза-ноль (Ом), xf” и xn” – внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводов (Ом), x’ – является внешним индуктивным сопротивлением в цепочке фаза-ноль (Ом).
Полученное значение подставляется в предыдущую формулу, после чего определение тока КЗ уже не составит особого труда. Главное – соблюдать правильную последовательность действий при выполнении расчетов.
Расчет токов КЗ для трехфазных сетей
Для того чтобы определить ток трехфазного короткого замыкания в соответствующих сетях, следует обязательно учитывать специфику возникновения и развития этого процесса. Прежде всего, это индуктивность, возникающая в замкнутом проводнике, из-за чего ток трехфазного КЗ изменяется не мгновенно, а нарастает постепенно в соответствии с определенными законами.
Точность производимых вычислений зависит в первую очередь от расчетов основных величин, вставляемых в формулу. С этой целью используются дополнительные формулы или специальное программное обеспечение, выполняющее сложнейшие вычислительные операции за очень короткое время.
Если же расчеты в трехфазных сетях выполняются ручным способом, в таких случаях нужные результаты про ток КЗ формула, приведенная ниже, позволяет определить с достаточно точными показателями:
- Iкз = Uc/(√3*Хрез) = Uc /(√3*(Хсист + Хвн)), в которой Хвн является сопротивлением между шинами и точкой КЗ, Хсист – это сопротивление во всей системе относительно шин источника напряжения, Uc – напряжение на шинах в данной системе.
При отсутствии какого-то из показателей, его значение определяется с использованием дополнительных формул или программ. Если же расчеты трехфазного КЗ производятся для сложных сетей с большим количеством разветвлений, в этом случае основная схема преобразуется в схему замещения, где присутствует лишь один источник электроэнергии и одно сопротивление.
Сам процесс упрощения производится в следующем порядке:
- Складываются все показатели сопротивлений, подключенных параллельно в данной цепи.
- Далее суммируются все сопротивления, подключенные последовательно.
- Результирующее сопротивление Хрез определяется как сумма всех подключенных параллельных и последовательных сопротивлений.
Расчеты токов двухфазного короткого замыкания выполняются с учетом отсутствия у них симметричности. У них нет нуля, а присутствую токи, протекающие в прямом и обратном направлении. Таким образом, ток двухфазного КЗ рассчитывается последовательно, по отдельным формулам, используемым для каждого показателя.
Ток КЗ в сетях с неограниченной мощностью
Довольно часто мощность источника электроэнергии значительно превышает величину суммарной мощности всех подключенных потребителей. В таких случаях при решении задачи, как найти значение короткого замыкания, величина напряжения считается условно неизменной.
Наличие подобных условий приводит к бесконечному показателю мощности, а сопротивление проводников принимает нулевое значение. Они используются для расчета только в тех случаях, когда место короткого замыкания располагается на большом расстоянии от источника напряжения, а величина результирующего сопротивления цепи многократно превышает показатели сопротивления всей системы.
В сетях с неограниченной мощностью, вычислить ток короткого замыкания позволяет следующая формула: Ik = Ib/Xрез, в которой Ib является базисным током, а Xрез – результирующим сопротивлением сети. При наличии исходных данных, очень быстро найдем достаточно точный конечный результат.
Расчет токов для трехфазного короткого замыкания
Электротехника \ Электротехника
Страницы работы
11 страниц (Word-файл)
Посмотреть все страницы
Скачать файл
Фрагмент текста работы
3.1 Характеристика питающей сети и составление расчетной
схемы замещения
Расчет токов короткого замыкания (далее токов КЗ)
выполняется для определения требований к новой коммутационной аппаратуре для
объектов рассматриваемой сети, проверки соответствия параметров устойчивости установленной
аппаратуры к ожидаемым значениям токов короткого замыкания, и выбора
необходимых мероприятий для снижения значений последних (если это требуется).
Расчет токов производится для трехфазного короткого замыкания, так это режим короткого замыкания является наиболее тяжёлым для трёхфазной сети. Уровень токов КЗ характеризуется следующими показателями:
— действующее значение периодической составляющей тока КЗ в начальный момент времени короткого замыкания (сверхпереходным током I’’) в максимальном режиме работы энергосистемы;
— относительным содержанием апериодической составляющей в суммарном значении тока КЗ;
— скоростью восстановления нормального уровня напряжения после отключения поврежденного участка.
Основные допущения принимаемые при расчете токов КЗ:
- сохранение симметрии трехфазной системы за исключение места КЗ;
- линейность всех элементов схемы;
— пренебрежение токами намагничивания трансформаторов;
— пренебрежение активным сопротивлением элементов электрической сети в сетях напряжением свыше 35 кВ;
— отсутствие учета распределенной емкости линий электропередач;
— нагрузка учитывается приближенной в виде постоянных индуктивных сопротивлений;
— отсутствуют качания генераторов.
Выбор места короткого замыкания и режима работы системы производится из следующих соображений:
— ток КЗ должен проходить по ветвям для которых выбирается аппаратура;
- для определения наибольшего значения тока КЗ режим работы системы выбирается максимальным;
— максимальный режим работы системы характеризуется следующими условиями:
— включены все источники питания;
— при расчете тока КЗ на землю включены все трансформаторы и автотрансформаторы у которых заземлена нейтраль и схема участка сети, непосредственно к точке КЗ такая, что по ней протекает максимальный ток.
Рисунок 3.1- Исходная расчетная схема
Расчет токов КЗ будем производить в именованных единицах,
при известных: сопротивление системы Хс =1,154 Ом; ток короткого замыкания
на шинах 10кВ I
Определяем
параметры элементов схемы замещения.
Сопротивление кабельной линии:
хл = Ом
Определим параметры для схемы замещения трансформатора Т1, Трансформатор марки ТМ – 1600/10 имеет следующие параметры []:
Номинальная мощность S = 1600кВА;
Номинальное напряжение высокой стороны Uвн=10,5кВ;
Номинальное напряжение низкой стороны Uнн=6,3кВ ;
Напряжение короткого замыкания Uк вн-нн=5,5%;
Сопротивление обмотки трансформатора в относительных единицах вычисляется по следующей формуле:
хт1= Ом ;
Рисунок 3.2- Расчетная схема замещения для максимального режима
Ударный ток КЗ определяется по формуле:
, (3.10)
где kу — ударный коэффициент.
Начальное значение сверхпереходного тока КЗ на шинах РП 10 кВ :
IКЗ1=5,26 кА;
Начальное значение сверхпереходного тока КЗ на шинах РУСН 10 кВ:
IКЗ2=IКЗ3= кА;
Начальное значение сверхпереходного тока КЗ на шинах РУСН 6 кВ:
IКЗ4=1,69 кА;
Используя
выражение 3. 10 определим ударные токи КЗ в расчетных точках:
Ударный ток КЗ на шинах РП 10 кВ:
кА
Ударный ток КЗ на шинах РУСН 10 кВ:
кА
Ударный ток КЗ на шинах РУСН 6 кВ:
кА
Рассчитаем тепловой импульс от тока короткого замыкания по формуле:
кА2ּс , где: IКЗ – действующее значение периодической составляющей тока КЗ; tотк. – время отключения тока КЗ; Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, Та=0,04 с при отсутствии конкретных условий;
тепловой импульс на шинах РП 10 кВ:
кА2ּс;
тепловой импульс на шинах РУСН 10 кВ:
кА2ּс;
тепловой импульс на шинах РУСН 6 кВ:
кА2ּс;
3.2.1 Выбор выключателей на стороне 10 и 6 кВ
Выбор выключателей представим в табличной форме.
|
Таблица 3.1 — Выбор выключателя на стороне 10 кВ |
||
|
Расчётные данные |
Каталожные данные |
Условие выбора |
|
Uуст=10 кВ |
Uном=10 кВ |
Uном > Uуст |
|
Iр=92,38 А |
Iном = 800 А |
Iном > Iр |
|
Iкз=5,26 кА |
Iоткл=13,1 кА |
Iкз < Iоткл |
|
iуд=13,39 кА |
iдин=32,8 кА |
iдин > iуд |
|
Вк = 17,7 кА2ּс |
It2ּt = 13,12ּ3=514,83 кА2ּс |
Bk < It2ּt |
Выбираем вакуумный выключатель типа 3АН5-1001-1 У3
|
Таблица 3. |
||
|
Расчётные данные |
Каталожные данные |
Условие выбора |
|
Uуст=10 кВ |
Uном=10 кВ |
Uном > Uуст |
|
Iр=92,38 А |
Iном = 800 А |
Iном > Iр |
|
Iкз=5,02 кА |
Iоткл=13,1 кА |
Iкз < Iоткл |
|
iуд=12,78 кА |
iдин=32,8 кА |
iдин > iуд |
|
Вк = 16,13 кА2ּс |
It2ּt =13,12ּ3=514,83 кА2ּс |
Bk < It2ּt |
Выбираем вакуумный выключатель типа 3АН5-1001-1 У3
|
Таблица 3. |
||
|
Расчётные данные |
Каталожные данные |
Условие выбора |
|
Uуст=6 кВ |
Uном=6 кВ |
Uном > Uуст |
|
Iр=186,35 А |
Iном = 800 А |
Iном > Iр |
|
Iкз=1,69 кА |
Iоткл=13,1 кА |
Iкз < Iоткл |
|
iуд=4,3 кА |
iдин=32,8 кА |
iдин > iуд |
|
Вк = 1,83 кА2ּс |
It2ּt =13,12ּ3=514,83кА2ּс |
Bk < It^2*t |
Выбираем вакуумный выключатель типа 3АН5-601-1 У3
|
Таблица 3. |
||
|
Расчётные данные |
Каталожные данные |
Условие выбора |
|
Uуст=6 кВ |
Uном=6 кВ |
Uном > Uуст |
|
Iр=60,6 А |
Iном = 800 А |
Iном > Iр |
|
Iкз=1,69 кА |
Iоткл=13,1 кА |
Iкз < Iоткл |
|
iуд=4,3 кА |
iдин=32,8 кА |
iдин > iуд |
|
Вк = 1,83 кА2ּс |
It2ּt =13,12ּ3=514,83кА2ּс |
Bk < It^2*t |
Выбираем вакуумный выключатель типа 3АН5-601-1 У3
|
Таблица 3. |
||
|
Расчётные данные |
Каталожные данные |
Условие выбора |
|
Uуст=6 кВ |
Uном=6 кВ |
Uном > Uуст |
|
Iр=506,99 А |
Iном = 800 А |
Iном > Iр |
|
Iкз=1,69 кА |
Iоткл=13,1 кА |
Iкз < Iоткл |
|
iуд=4,3 кА |
iдин=32,8 кА |
iдин > iуд |
|
Ва = 1,83 кА2ּс |
It2ּt =13,12ּ3=514,83кА2ּс |
Bk < It^2*t |
Выбираем вакуумный выключатель типа 3АН5-601-1 У3
3. 2.2 Выбор молниезащиты
элементов схемы
Проблема, возникающая при внедрении новых типов оборудования, является проблема совместимости его с эксплуатирующимся оборудованием. Например, замена масляных выключателей на вакуумные часто приводит к отказу изоляции работающего оборудования вследствие появления перенапряжений, обусловленных условиями гашения дуги в вакуумных выключателях. В этом случае установка вакуумных выключателей должна сопровождаться дополнительными мерами по ограничению таких перенапряжений.
В последнее время на вновь строящихся и
реконструируемых объектах рекомендуется вместо вентильных разрядников применять
нелинейные ограничители перенапряжения типа ОПН (3-750 кВ). В них отсутствуют
искровые воздушные промежутки, а специальный керамический резистор на основе
окиси цинка ZnO, обладающий высоконелинейным сопротивлением, позволяет
при рабочем напряжении создавать ток утечки не более 1 мА, а при импульсных
перенапряжениях – разрядный ток до 100 кА. Устройство ОПН имеет более пологую
вольт-секундную характеристику
Похожие материалы
Информация о работе
Скачать файл
Расчет отказов — Введение
К Стивен Макфадьен on
Расчеты неисправностей являются одним из наиболее распространенных видов расчетов, выполняемых при проектировании и анализе электрических систем. Эти расчеты включают определение тока, протекающего через элементы цепи при нештатных состояниях – коротких замыканиях и замыканиях на землю.
Типы неисправностей
| Symbol | Definition | |
|---|---|---|
| — | voltage factor (IEC 60909) LV, I sc max = 1. 1, I sc min = 0.95 MV, LV, I sc max = 1,1, I sc min = 1 | |
| — | установившаяся неисправность | |
| — | начальный ток симметричного замыкания k или k3 — трехфазное замыкание k1 — замыкание фаза на землю (или фаза на нейтраль) k2 — замыкание между фазами k2E или kE2E — замыкание между фазами на землю | |
| — | номинальный ток любого двигателя | |
| — | номинальное напряжение — nominal line to neutral voltage | |
| — | system voltage | |
| circuit impedance |
A fault is an abnormal or unintended connection of токоведущие элементы системы друг к другу или к земле. Полное сопротивление таких соединений часто очень низкое, что приводит к протеканию больших токов. Энергия, содержащаяся в токах короткого замыкания, может быстро нагреть компоненты, создать чрезмерные силы и привести к разрушительным взрывам оборудования.
Обычно мы имеем дело с тремя типами замыканий:
- Трехфазные замыкания
- Межфазные замыкания
- Замыкания на землю
Обычно наибольший ток замыкания возникает при трехфазном замыкании (хотя есть и исключения).
Стандарты
IEC 60909 «Токи короткого замыкания в трехфазных системах» описывает принятый во всем мире метод расчета токов короткого замыкания. IEC 60781 является адаптацией стандарта 609.09 и применяется только к низковольтным системам.
IEC 60909 Ток неисправности При применении этих стандартов обычно рассчитываются два уровня неисправности на основе коэффициента напряжения
- максимальный ток, вызывающий максимальное тепловое и электромагнитное воздействие на оборудование (используется для определения номинала оборудования)
- минимальный ток (который можно использовать для настройки защитных устройств)
Стандарты также идеализируют неисправность, позволяя анализировать и понимать каждую стадию. На изображении (щелкните для увеличения) показана эта форма волны.
В зависимости от положения в цикле, в котором формируется неисправность, будет присутствовать смещение постоянного тока, уменьшающееся со временем до нуля. Это создает начальное симметричное короткое замыкание I » k , которое со временем затухает до стационарного короткого замыкания I k .
Трехфазная неисправность
Трехфазная неисправность При трехфазной неисправности все три фазы (L1, L2 и L3) замкнуты накоротко.
Чтобы найти ток короткого замыкания в любой точке сети, производится сумма полных сопротивлений в сети между источником питания (включая импеданс источника) и точкой, в которой произошло короткое замыкание.
To find the fault current I k , the nominal applied voltage, U 0 is divided by the summed impedance Z.
Phase to Phase Faults
Phase to Phase Fault При межфазном замыкании (например, L1 на L2) две фазы соединяются вместе.
Ток короткого замыкания снова равен номинальному приложенному напряжению, деленному на суммарный импеданс.
Замыкание на землю
Замыкание на землю При замыкании на землю одна фаза напрямую соединена с землей (например, L1 с землей).
Чтобы найти значение тока замыкания на землю в любой точке сети, выполняется сумма импедансов замыкания на землю в сети между источником питания (включая импеданс источника) и импедансами обратного пути.
Использование таблиц
Часто, если требуется быстро найти цифру на парковке, достаточно использовать таблицы. Особенно это касается низковольтных систем. В других случаях фактические параметры оборудования могут отсутствовать и необходимо прибегать к типовым значениям. Раздел «Заметки» сайта содержит подборку таблиц, которые помогут в следующих случаях:
Low Voltage Fault Tables
Fault Calculations — Typical Equipment Parameters
Basic Fault Calculations
| Fault Type | Calculation |
|---|---|
3-phase fault | |
phase- обрыв фазы | |
замыкание фазы на землю |
Одним из самых простых способов расчета замыкания на землю является применение закона Ома. Знание импеданса короткого замыкания и напряжения на проводе позволяет рассчитать ток короткого замыкания:
Расчет неисправности на единицу
общая база. Этот метод расчета уровней отказов известен как поблочный метод или поблочная система.
Чтобы узнать больше об этом расчете на единицу, обратитесь к нашему примечанию:
- Расчет неисправности — на единицу системы
Симметричные компоненты
Для условий дисбаланса расчет токов повреждения более сложен. Одним из способов решения этой проблемы является использование симметричных компонентов. В симметричных компонентах система неуравновешенности разбивается на три отдельные симметричные системы, каждая из которых легко решается.
Чтобы узнать больше о симметричных компонентах, обратитесь к нашему примечанию:
- Расчет неисправностей — симметричные компоненты
IEC 60909 — Токи короткого замыкания в трехфазной сети переменного тока системы
Часто при выполнении расчетов короткого замыкания необходимо выполнять их относительно эталонного стандарта. При использовании эталонного стандарта расчеты согласуются, могут быть обоснованы и сопровождаются контрольным журналом.
IEC 60909 — это международный стандарт для расчета токов короткого замыкания. Документ определяет стандартизированный метод разработки расчетов короткого замыкания, а также предоставляет руководство по данным оборудования.
Чтобы узнать больше о том, как работает стандарт, см. наше примечание:
- Расчет неисправностей — IEC 60909 — примечание скоро появится
Вклады двигателей
будет способствовать току неисправности. Стандарт IEC 60909 дает рекомендации относительно того, как это сделать.
Для упрощения расчетов вклад двигателей в неисправность можно не учитывать, если:
Связанные примечания
- Расчет неисправности — на единицу системы
- Расчет разломов — Симметричные компоненты
- Расчет разломов — IEC 60909 — Примечание вскоре
Calculation One -Closculation — IEC 60909 — Примечание. наиболее фундаментальные расчеты, сделанные в системе распределения электроэнергии, — это те, которые дают доступный ток короткого замыкания. В выпуске журнала IAEI за сентябрь–октябрь 2012 г. была опубликована статья под названием «Переход к основам, максимальный ток короткого замыкания», в которой затрагивалась эта тема, но не вдавались в математику. С тех пор я получил много просьб заняться математикой. Я надеюсь, что эта статья удовлетворит пытливые умы подробностями расчета доступного тока короткого замыкания и предоставит некоторые уравнения для изучения студентом.
Доступный ток короткого замыкания
Максимально доступный ток короткого замыкания является важным параметром для каждой системы распределения электроэнергии, поскольку он обеспечивает точку данных, необходимую для обеспечения того, чтобы оборудование применялось в пределах его номинальных характеристик, а система работала в соответствии с ожиданиями. Доступный ток короткого замыкания также используется во многих других приложениях.
Национальный электротехнический кодекс требует эту точку данных для обеспечения соблюдения таких разделов, как 110.9, Номинальные параметры прерывания; 110.10 Полное сопротивление цепи, номинальные токи короткого замыкания и другие характеристики; и 110.24 Доступный ток отказа. Независимо от того, являетесь ли вы проектировщиком, установщиком или инспектором, в какой-то момент своей карьеры вы столкнетесь с расчетом доступного тока короткого замыкания. Понимание математики, лежащей в основе этого, и того, как используются расчетные токи короткого замыкания, может только расширить знания и понимание. Это также может помочь нам осознать, что эти расчеты должен производить квалифицированный специалист. Итак, ради понимания, я предлагаю эту статью, чтобы помочь вам.
Основы расчета тока короткого замыкания
Все, что вам нужно знать о расчете тока короткого замыкания, вы узнали на уроках схем 101, тригонометрии и базовых математических курсах. На рис. 1 показана простая однолинейная схема, которая вполне может быть вашим основным служебным входом для коммерческой или промышленной установки.
Рисунок 2 представляет собой базовую принципиальную схему того, что представлено на рисунке 1, и которая будет использоваться для расчета доступного тока короткого замыкания в любой точке приведенной выше простой однолинейной схемы. Инженеры назовут то, что вы видите на Рисунке 2, диаграммой импеданса, поскольку она в основном преобразует каждый компонент на Рисунке 1 выше в значения импеданса. Для тех из вас, кто находится на схемах 101, то, что вы видите ниже, когда все импедансы сложены вместе, представляет собой схему «эквивалента Thevanin», которая включает в себя импеданс и источник напряжения. Эта базовая схема будет использоваться на протяжении всей этой статьи.
Рисунок 2. Диаграмма импеданса (цепь)Для расчетов и упрощения нашей работы над этим документом необходимо сделать допущения.
Предположения для трансформатора, который будет использоваться как часть примера для этой статьи, будут включать следующее. Эта информация должна быть доступна при чтении паспортной таблички трансформатора.
Трансформатор кВА 1500
Первичное напряжение 4 160 В
Вторичное напряжение 480 В
% Полное сопротивление 5,75 %
Предположение относится к допустимому току короткого замыкания электросети. Для этого упражнения будет использовано 50 000 ампер. Перед проведением исследования с коммунальным предприятием связываются для получения этой информации. Они могут обеспечить доступный ток короткого замыкания одним из нескольких различных способов. Наиболее простыми и, вероятно, наиболее часто встречающимися данными от утилиты будет доступный ток короткого замыкания в кА. Некоторые утилиты вместо этого могут предоставлять данные в виде короткого замыкания MVA. В этой статье будут представлены уравнения для обеих форм входа, но с расчетом на допустимый ток короткого замыкания 50 кА.
Что касается импеданса проводника, то в следующих расчетах сопротивление проводника игнорируется, а используется только реактивное сопротивление. Это сделает две вещи ради этой статьи. Во-первых, это приведет к более высокому току короткого замыкания, чем было бы рассчитано, если бы мы приняли во внимание как сопротивление, так и реактивное сопротивление. Во-вторых, это упростит математику. В заключительном разделе этой статьи будут представлены результаты анализа, включающие сопротивление и реактивное сопротивление проводников и электросети. Используемые методы повторяют методы, используемые такими программами, как SKM Systems Analysis A-Fault.
В этой статье также не предполагается участие двигателя. Максимально доступный ток короткого замыкания должен включать все источники короткого замыкания. Мы не включаем этот вклад в эту работу для простоты.
Основные расчеты трансформатора
Самым первым шагом этого процесса является расчет тока полной нагрузки (FLA) для трансформатора. Еще один базовый расчет, который профессионалу-электрику придется выполнять в какой-то момент своей карьеры, а некоторые делают это много раз в день. Уравнения для расчета FLA приведены ниже:
| FLA вторичный | = кВА |
| (√3)×(кВсек) |
| FLA вторичный | = 1500 |
| [(√3)×(0,480)] = 1804 Ампер |
Этот трансформатор мощностью 1500 кВА имеет вторичную полную нагрузку 1804 ампер. Этот параметр необходим для выбора вторичных проводников для данного трансформатора. На основании этого FLA и использования Таблицы 310.15(B)(16) от NEC 2014, проводники, используемые на вторичной обмотке трансформатора, будут состоять из 5-500 проводников MCM на фазу.
Расчет тока короткого замыкания на вторичной обмотке главного трансформатора
Существует два подхода к расчету доступного тока короткого замыкания на вторичной обмотке трансформатора. Мы можем рассчитать максимальное количество, которое пропускает трансформатор, как если бы электростанция была подключена непосредственно к стороне линии трансформатора, или мы можем рассчитать доступный ток короткого замыкания, учитывая предоставленный доступный ток короткого замыкания от коммунальной службы. Первый подход, который приводит к максимальной величине тока короткого замыкания, который пропускает трансформатор, называется расчетом «бесконечной шины». Цепь на рис. 2 можно перерисовать, включив в нее нулевой импеданс для коммунальной сети, что снизит общий импеданс цепи и, таким образом, увеличит значение расчетного тока короткого замыкания. Рисунок 3 показывает максимально допустимый ток короткого замыкания, который может обеспечить трансформатор.
На рис. 3 представлен только импеданс трансформатора. Уравнение для расчета максимально доступного тока короткого замыкания, который может обеспечить трансформатор, выглядит следующим образом:
| Isc | = ( Трансформатор кВА) × 100 |
| (√3)×(Вторичное кВ)×(%Z трансформатор) |
Используя приведенную выше информацию для трансформатора мощностью 1500 кВА, максимально допустимый ток короткого замыкания, который пропускает этот конкретный трансформатор, составляет 31 378 ампер и рассчитывается следующим образом:
| Искр | = 1500 × 100 |
| (√3)×(0,480)×(5,75) = 31 378 ампер |
Это говорит нам о том, что вторичная обмотка трансформатора не может подвергаться большему току короткого замыкания, чем мы рассчитали. НИКАКИХ изменений на стороне электросети, которые могут повлиять на этот доступный ток короткого замыкания до точки, где он превысит 31 378 ампер. Единственный способ, которым эта услуга будет потреблять более 31 378 ампер, — это если мы заменим трансформатор, и новый трансформатор, который предположительно будет таким же по всем остальным характеристикам, будет иметь другой % импеданса. На рис. 4 представлена таблица, включающая результаты изменения импеданса рассматриваемого трансформатора на +/- 20 % с шагом 5 % по сравнению со значением импеданса 5,75 %, использованным в этом примере. Это показывает, как изменение импеданса трансформатора повлияет на максимально допустимый ток короткого замыкания, который он может пропустить.
Как показано на рис. 4, замена трансформатора и изменение его импеданса могут оказать существенное влияние на систему. Если бы я рискнул предположить, я бы сказал, что в большинстве случаев коммунальное предприятие, меняющее трансформатор ввода-вывода, будет распознаваться предприятием. Задача владельца объекта или местных сотрудников будет заключаться в том, чтобы понять, как это изменение может повлиять на их систему распределения электроэнергии. Когда вносятся изменения, ярлыки, подобные включенным в Раздел 110.24 NEC , следует обновить.
В этом расчете не учитывается импеданс источника электросети и не учитываются какие-либо проводники на стороне нагрузки. Теперь давайте рассмотрим влияние добавления в сеть доступного тока короткого замыкания.
Вычисление тока короткого замыкания, включая доступный ток неисправности сети
Как и в большинстве ситуаций, мы используем консервативные методы, консервативные в целях безопасности, пока не возникнут ситуации, требующие углубления в детали. Приведенный выше способ расчета тока короткого замыкания является консервативным, поскольку в нем НЕ учитывался доступный ток короткого замыкания, который дает максимальное значение. При рассмотрении отключающих и других подобных номиналов устройства и оборудование, которые могут выдерживать это консервативное значение тока короткого замыкания, не требуют дальнейшего изучения. Когда новое или существующее оборудование не может справиться с этим консервативно высоким доступным током короткого замыкания, может быть проведен дальнейший подробный анализ или оборудование может быть заменено или подобрано соответствующим образом. Далее будет рассмотрено добавление утилиты при наличии доступного тока короткого замыкания. В частности, 50 кА доступны от утилиты. Это показывает, что таким образом можно уменьшить расчетные 31 378 ампер.
Ниже приведены два уравнения, которые относятся к случаям, когда доступно значение kA и когда доступно короткое замыкание MVA. Для этого примера мы будем использовать приведенное ниже уравнение, которое предполагает, что коммунальная служба предоставила вам доступный ток короткого замыкания в кА.
Принципиальная схема теперь выглядит так, как показано на рис. 5.
В первую очередь необходимо преобразовать предоставленную коммунальным предприятием доступную информацию о токе короткого замыкания (50 кА) в импеданс источника.
Когда кА предоставляется коммунальным предприятием:
| %Z Коммунальное предприятие | = трансформатор кВА × 100 |
| (Isc Utility) × (√3) × (кВ Первичная) |
Когда короткое замыкание MVA предоставляется коммунальной службой:
| %Z коммунальная служба | = кВА Трансформатор |
| Короткое замыкание кВА инженерной системы |
Для заданного допустимого тока утечки 50 кА %Z сети рассчитывается следующим образом
| %Z Утилита | = 1500 × 100 |
| (50 000) × (√3) × (4,160) = 0,420 |
На рис. 6 приведены значения импеданса источника электросети для различных допустимых токов короткого замыкания сети для этого конкретного примера. Как отмечалось выше, ключевую роль в этих значениях будут играть кВА трансформатора и первичное напряжение.
Уравнение для расчета доступного тока короткого замыкания на вторичной обмотке трансформатора, которое включает импеданс сети, выглядит следующим образом:
| Isc | = (Трансформатор кВА) × 100) |
| (√3) × (Вторичный KV) × [(%Zтрансформатор)+(%Z Утилита)] |
Вводя все известные переменные, новый доступный ток короткого замыкания рассчитывается следующим образом:
| Искр | = 1500 × 100 |
| (√3)×(0,480)×[(5,75)+(0,4164)] = 29 259 Ампер |
Если мы сравним расчет бесконечной шины и расчет, который включал импеданс источника электросети (доступный ток короткого замыкания 50 000 ампер), мы увидим, что доступный ток короткого замыкания снизился с 31 378 ампер до 29 259 ампер, т. е. на 6,8 %. в доступном токе короткого замыкания (2119 ампер).
Влияние переменного доступного тока короткого замыкания показано на рис. 7. В этой таблице показано, как расчетный доступный ток короткого замыкания изменяется при изменении значений тока короткого замыкания в сети. В качестве значения, с которым сравниваются изменения, используется доступный ток короткого замыкания 50 кА. Интересно отметить, что увеличение доступного тока короткого замыкания от сети, при начальной точке 50 кА, не имеет такого большого влияния, как можно было бы подумать. Например, удвоение допустимого тока короткого замыкания от сети с 50 кА до 100 кА увеличивает доступный вторичный ток короткого замыкания трансформатора только на 3%, или 1022 ампера. Для большинства применений устройств защиты от перегрузки по току это изменение не должно быть значительным. Я слышал, что некоторые говорят, что мы не должны маркировать оборудование служебного входа, потому что утилита может внести изменения в переключение на стороне линии, что повлияет на номер на этикетке. Рисунок 7 — хороший пример, показывающий, что даже если бесконечная шина не использовалась, изменения на стороне электросети не оказывают такого значительного влияния на ток короткого замыкания, как можно было бы подумать.
Следующее, что мы должны рассмотреть, это проводник на вторичной обмотке трансформатора. Это еще больше снизит доступный ток короткого замыкания.
Расчет – после длины проводника
Проводники могут оказывать значительное влияние на доступный ток короткого замыкания. Давайте продолжим анализ этого примера трансформатора мощностью 1500 кВА, добавив параллельные проводники 500MCM на стороне нагрузки.
Эквивалентная схема уже представлена на рисунке 1. Теперь давайте рассмотрим влияние длины проводника на доступный ток короткого замыкания. Нам нужно следующее уравнение:
Данные, необходимые для этого примера, получены из National Electrical Code . Из таблицы 9 стандарта NEC 2014 для проводника сечением 500 мкм в стальном кабелепроводе Xl (реактивное сопротивление) составляет 0,048 Ом/1000 футов. Для этого примера, как указано ранее, мы используем только значение реактивного сопротивления, что приведет к несколько более высоким значениям тока короткого замыкания и сделает математические расчеты для этой публикации более приемлемыми. Для трансформатора мощностью 1500 кВА с током полной нагрузки 1804 ампер нам понадобится 5-500 мкМ проводников, соединенных параллельно на фазу. Расчет производится следующим образом:
уравнение для расчета доступного тока короткого замыкания выглядит следующим образом:
Введя все известные переменные, мы рассчитали ISC следующим образом: , выглядит следующим образом:
Подводя итог,
Как видно здесь, включение большего количества деталей снижает доступный ток короткого замыкания. В этом случае ток короткого замыкания был снижен с 31 378 ампер до 26 566 ампер, примерно на 15,3%.
Окончательная калибровка
Итак, мы выполнили расчет доступного тока короткого замыкания для оборудования ввода в эксплуатацию. Мы показали, как короткие замыкания приводят к консервативным доступным токам короткого замыкания, которые с целью оценки номиналов отключения и / или номиналов SCCR обеспечивают коэффициент безопасности для конструкции. Мы также показали, как можно снизить доступные токи короткого замыкания с помощью более подробного анализа, но это требует больше усилий и опыта. Давайте посмотрим на приведенный выше пример с точки зрения других инструментов, которые могут быть доступны.
В нашем распоряжении есть различные инструменты для расчета доступного тока короткого замыкания. Некоторые из них довольно дороги, и для их использования требуются обученные специалисты. К ним относятся такие программные приложения, как инструменты системного анализа SKM. Эти приложения действительно очень тщательны и производят очень подробные отчеты. Существуют также бесплатные инструменты, такие как калькулятор короткого замыкания Eaton Bussmann FC2. На рис. 8 показано, что мы сделали выше, И дано сравнение с SKM и приложением Bussmann FC2. Калькулятор Bussmann FC2 бесплатен и доступен в Интернете или для любого IPHONE или ANDROID через любой из продуктов App Store. Посетите сайт www.cooperbussmann.com/fc2 для получения дополнительной информации. Вы заметите, что результат программного обеспечения SKM использует как реальный, так и реактивный компонент проводника. Значения импеданса были взяты прямо из таблицы 9.в NEC 2014 для медных проводников в стальных кабелепроводах.
Опять же, ни один из примеров, приведенных выше и включенных в эту статью, не учитывает моторный вклад. Это упражнение предназначалось для того, чтобы дать некоторую основу для обсуждения токов короткого замыкания, поэтому простота была нашим другом. Вклад двигателя может быть очень важным для этих расчетов.