Содержание страницы
Цель расчета токов короткого замыкания (КЗ) в электрических сетях до 1 кВ заключается в проверке стойкости шинопроводов и автоматических выключателей к действию аварийных токов, а также в оценке предельных токов отключения и чувствительности защитных устройств. Такой расчет является обязательным этапом при проектировании и эксплуатации электроустановок, поскольку позволяет гарантировать надежность и безопасность.
Методика расчета максимальных и минимальных токов КЗ при симметричных и несимметричных повреждениях установлена в ГОСТ 28249-93. Допускается применять упрощенные методы, если погрешность не превышает 10 %.
Для выбора и проверки электрооборудования по условиям КЗ рассчитываются:
- ударный ток КЗ, а также его периодическая и апериодическая составляющие;
- действующее, минимальное и максимальное значение периодической составляющей тока КЗ в произвольный момент времени до расчетного времени отключения поврежденной цепи.
При проектировании заземляющих устройств дополнительно рассчитываются токи однофазных КЗ. Для электроустановок до 1 кВ следует учитывать:
- активные сопротивления элементов короткозамкнутой цепи, включая контакты и соединения, и их изменение при нагреве;
- индуктивные сопротивления кабелей, трансформаторов, токовых катушек автоматов, реакторов и других элементов;
- динамические параметры синхронных и асинхронных электродвигателей;
- сопротивление электрической дуги в месте КЗ;
- влияние нагрузки (двигателей, преобразователей, печей, ламп накаливания), если ток нагрузки превышает 1 % от расчетного значения тока КЗ.
В расчетах допускается:
- замещать внешнюю сеть эквивалентной, учитывая лишь ближайшие автономные источники энергии и двигатели;
- не учитывать токи намагничивания трансформаторов;
- не учитывать насыщение магнитных систем;
- принимать коэффициенты трансформации равными отношению средних номинальных напряжений (35; 24; 20; 15,75; 10,5; 6,3; 3,15; 0,69; 0,525; 0,4; 0,23 кВ);
- не учитывать подпитку от асинхронных двигателей, если их суммарный ток не превышает 1 % от расчетного значения КЗ.
Для проверки защитных аппаратов определяют:
- максимальный ток трехфазного КЗ – для анализа предельного отключающего тока автоматов;
- минимальный ток однофазного КЗ – для проверки чувствительности защит на удаленных участках сети.
Особенности расчетов токов КЗ в сетях до 1 кВ:
- расчеты выполняются в именованных единицах (мОм, кА, В);
- учитываются активные и индуктивные сопротивления всех элементов цепи – от шинопроводов до контактов;
- при переходе к эквивалентным схемам замещения параметры приводятся к напряжению сети, где возникло КЗ, а сопротивления выражаются в мОм. Для систем, питаемых от энергосети, понижающие трансформаторы заменяются источником постоянного напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление.
Эквивалентное сопротивление (хс, мОм), приведенное к ступени НН, вычисляется:
где:
– UcpHH – среднее номинальное напряжение сети НН, В;
– UcpBH – среднее номинальное напряжение сети ВН, В;
– IкВН = IпоВН – ток трехфазного КЗ у выводов ВН, кА;
– Sк – мощность КЗ у выводов ВН, МВ·А.
При отсутствии исходных данных сопротивление системы можно определить по формуле:
где INоткл – номинальный ток отключения выключателя на стороне ВН, А.
В установках с автономными источниками (например, синхронными генераторами) учитываются все параметры: источник, распределительная сеть и нагрузка. Для низковольтных установок до 1 кВ предполагается, что мощность системы бесконечна, а напряжение на стороне ВН трансформатора остается постоянным.
Примеры расчетов
Пример 1. Трехфазное КЗ у трансформатора
Трансформатор 1000 кВА, Uвн = 10,5 кВ, Uнн = 0,4 кВ.
Iкз = Sк / (√3 × Uнн) = 1000 / (√3 × 0,4) ≈ 1443 А
Пример 2. Однофазное КЗ на удаленной линии
Кабель 200 м, сечение 50 мм², активное сопротивление 0,39 Ом. Ток однофазного КЗ ≈ 0,32 кА (примерно в 3 раза меньше, чем у шин трансформатора).
Пример 3. Влияние асинхронных двигателей
При суммарном номинальном токе двигателей 50 А и расчетном токе КЗ 1440 А подпитка увеличит ток на 2–3 %.
Таблица 1. Сравнительные значения токов КЗ
| Условие КЗ | Ток КЗ, кА | Примечание |
|---|---|---|
| Трехфазное КЗ у шин трансформатора | 1,44 | Определяет предельный ток отключения |
| Однофазное КЗ у шин трансформатора | 0,95 | В расчет включено сопротивление дуги |
| Однофазное КЗ на удалении (200 м) | 0,32 | Важный параметр для чувствительности защит |
| Трехфазное КЗ с учетом АД (2 % подпитки) | 1,47 | Незначительное повышение тока |
Пошаговый расчет по методике ГОСТ
- Определяют место КЗ и составляют расчетную схему.
- Приводят сопротивления всех элементов к напряжению сети, где произошло КЗ (в мОм).
- Составляют эквивалентную схему замещения: источник ЭДС, эквивалентное сопротивление системы, трансформатор, кабельная линия, нагрузка.
- Рассчитывают эквивалентное сопротивление цепи:
Zэкв = √(R² + X²)
где R – суммарное активное сопротивление, X – суммарное индуктивное сопротивление.
- Определяют ток КЗ по формуле:
Iкз = Uф / Zэкв
где Uф – фазное напряжение сети.
- При необходимости вводят поправки на дуговое сопротивление и подпитку от электродвигателей.
- Сравнивают полученные значения с предельными токами отключения аппаратов и чувствительностью защит.
Расчёт токов короткого замыкания в сетях до 1 кВ – это ключевой этап проектирования и эксплуатации электроустановок. Правильно выполненные вычисления позволяют:
- обеспечить надежность и селективность работы защитных аппаратов;
- гарантировать термическую и электродинамическую стойкость шинопроводов, кабелей и коммутационной аппаратуры;
- оценить эффективность заземляющих устройств;
- снизить риск аварийных ситуаций и материальных потерь.
Особое внимание необходимо уделять минимальным токам КЗ, так как именно они определяют чувствительность защит, особенно на удалённых участках сети. Применение упрощённых методов допустимо только при условии, что их точность подтверждается (погрешность ≤ 10 %).
