Расчет токов короткого замыкания. назначение. допущения. литература

Значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока кз

Источник

: Фрагмент книги (стр.176 – 179) Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

При КЗ в системе собственных нужд существенное влияние на характер процесса и значение тока оказывают группы электродвигателей, включенных вблизи места повреждения. Наиболее сильно это влияние проявляется в сетях 3 – 6 кВ собственных нужд крупных ТЭС и АЭС.

Для привода механизмов собственных нужд применяют в основном асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. При близком КЗ напряжение на выводах двигателей оказывается меньше их ЭДС. Электродвигатели переходят в режим генератора, посылающего ток в место повреждения. Синхронные электродвигатели при их наличии также подпитывают место КЗ.

Составляющую тока КЗ от электродвигателей необходимо учитывать при проверке аппаратов и проводников распределительных устройств собственных нужд, а также при расчете уставок релейной защиты оборудования 3 – 6 кВ. Для указанных целей достаточно обычно знать начальное значение периодической составляющей, ударный ток, значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ в момент т размыкания контактов выключателей.

Влияние тока подпитки от электродвигателей проявляется и учитывается в зависимости от места КЗ.

При КЗ в точке К1 (рис. 3.38) ток подпитки будет иметь определяющее значение при выборе оборудования лишь в том случае, если его действие будет превышать действие тока от внешних источников (генераторов энергосистемы). При КЗ в точке К2 или КЗ действует суммарный ток – от внешней сети и от электродвигателей. Начальное значение периодической составляющей тока КЗ от электродвигателя определяется по аналогии с синхронными генераторами по выражению

Рис. 3.38. Особенности КЗ в системе собственных нужд

Величины Е»ф и х»д не задаются в каталогах, однако в них указывается кратность пускового тока электродвигателя I*пуск, равная отношению пускового тока электродвигателя Iпуск к его номинальному току Iном. Прямое включение электродвигателя в сеть рассматривается в теории электрических машин как КЗ за сопротивлением х»д. На этом основании в практических расчетах принимают равной

В отличие от генераторов запас электромагнитной и кинетической энергии электродвигателей мал и периодическая составляющая тока КЗ, создаваемая ими, быстро затухает:

где Т’д — постоянная времени затухания тока КЗ (периодической составляющей) от электродвигателей. Апериодическая составляющая тока КЗ от электродвигателя описывается обычным выражением

Та,д — постоянная времени затухания апериодического тока для цепи электродвигателя. Ударный ток от электродвигателя

где ку,д — ударный коэффициент, определяемый обычным путем по известному Та,д. В общем случае к секциям собственных нужд электростанций подключается большое количество электродвигателей разных типов и мощностей. При оценке результирующего влияния всех электродвигателей на ток КЗ в месте повреждения целесообразно все электродвигатели заменить одним эквивалентным. Как показывает опыт, такая замена возможна и не приводит к существенным погрешностям. Действующие нормативы рекомендуют следующие значения параметров эквивалентного электродвигателя:

С учетом изложенного расчет токов КЗ в системе собственных нужд электростанции целесообразно проводить в следующем порядке : 1. Составить расчетную схему (см., например, рис

3.38), принимая при этом во внимание лишь те электродвигатели, которые имеют с местом КЗ прямую электрическую связь. 2

Составить схему замещения для определения тока КЗ от внешних источников (энергосистемы) и обычным способом (см. § 3.3) рассчитать начальное значение периодической составляющей Iп,0,с. Считаем Iп,0,с незатухающим (удаленная точка). 3. Определить суммарную номинальную мощность всех электродвигателей собственных нужд, электрически связанных с местом КЗ, Рном и начальное значение периодической составляющей тока от электродвигателей:

Аварийная защита от КЗ

Существует достаточно много устройств, обеспечивающих безопасность потребителя при коротком замыкании, в основе своей эти устройства отключают аварийный участок сети:

• плавкие предохранители различных типов;
• электрические автоматы;
• дифференциальные автоматические устройства защиты;
• токоограничители.

Наиболее простым, но в тоже время эффективным способом защиты от возникновения короткого замыкания служит включение в электросеть плавких предохранителей. При повышенной нагрузке нить таких предохранителей плавится и перегорает, тем самым обрывая от источника повреждённый участок сети.

Но, помимо высокой эффективности, эти устройства обладают рядом недостатков. В первую очередь, это необходимость их постоянной замены и работа только при определенных нагрузках. При дефиците таких предохранителей их зачастую заменяли «жучками», которые могли служить проводником тока, но не выполняли функции предохранителей, что, в свою очередь, могло привести к печальным последствиям.

Также достаточно эффективным и надёжным средством обеспечения безопасности служат автоматические выключатели, также известные как электрические автоматы. Принцип их действия основан на использовании тепловых реле. При нагреве пластины сверх нормы они расширяются и отключают автомат, для включения сети достаточно просто включить его обратно. Эти устройства более удобны, чем плавкие предохранители, более эффективны в работе.

Дифференциальные автоматы отключают ток даже при небольших изменениях параметров тока на подключённом к ним участке, эти устройства наиболее эффективны и безопасны, но в тоже время достаточно дорого стоят.

Токоограничивающий реактор применяется в сетях высокого напряжения, использование этих устройств, рассчитанных на промышленные нагрузки, в быту нерационально. Практически это катушка, последовательно включённая в токоведущую сеть. При коротком замыкании реактор принимает энергию на себя. В настоящее время применяются токоограничители различных конструкций.

Важно! Использование «жучков» вместо плавких предохранителей может грозить выходом из строя электрооборудования, а также пожаром!

Предохранитель

Методы устранения и профилактика

Если производилась частичная замена проводки, следует проверять надежность мест соединения, целостность изоляционного слоя.

Раз в несколько месяцев следует проверять источники света, осветительную сеть и силовые провода. Короткое замыкание может возникать со временем. Выявить его можно по изменению цвета устройств или их плавлению. В квартире обязательно должны стоять автоматические выключатели. На мощные электроприборы ставятся отдельные средства защиты, которые должны сработать при аварийной ситуации.

При самостоятельном проведении монтажа электропроводки важно правильно рассчитывать сечение кабеля. Если оно не способно выдержать мощность всех подключаемых приборов, будет происходить перегрузка, приводящая к короткому замыканию. Кабели не должны укладываться тесно друг с другом – это может привести к повреждению защитного слоя

Кабели не должны укладываться тесно друг с другом – это может привести к повреждению защитного слоя.

• Розетки, шнуры питания и другие замкнувшие элементы сети лучше заменить.
• Для устранения коротких замыканий в электроприборах пользуйтесь услугами специализированных мастерских, либо ремонтируйте самостоятельно (при наличии знаний и опыта).
• Разрыв кабеля ликвидируйте путём замены повреждённого участка новым проводом. При этом следите, чтобы коэффициент сопротивления изоляции соответствовал величине тока.

В целях профилактики проверяйте исправность контактов. Вовремя меняйте розетки. Используйте только стандартные электроприборы. Не допускайте превышения уровней нагрузок. К источнику тока подключайте только исправные электроинструменты и другую бытовую технику.

На рис. 5 показаны последствия эксплуатации электрогенератора с неисправным шнуром.

Рисунок 5. КЗ неисправного шнура

Помните, что ваша безопасность во многом зависит от надёжности системы электроснабжения жилых и бытовых помещений. Это тот, из немногих случаев, где экономия не уместна.

Понятие «короткое замыкание»

Короткое замыкание – это соединение двух точек электрической цепи с различными потенциалами, что не предусмотрено нормальным режимом работы цепи и приводит к критичному росту силы тока в месте соединения.

Таким образом, КЗ приводит к образованию разрушительных токов, превышающих допустимые величины. Что способствует выходу приборов из строя и повреждениям проводки. Для того, чтобы понять, что может спровоцировать этот процесс, нужно детально разобраться в процессах, происходящих при коротком замыкании.

По закону Ома сила тока (I) обратно пропорциональна сопротивлению (R)

Пример применения закона Ома к лампе накаливания мощностью в 100 Вт, подключенную к электросети в 220В. Здесь можно с помощью закона Ома рассчитать величину тока для нормального режима работы и короткого замыкания. Сопротивление источника и электропроводки проигнорируем.

Электрическая схема нормального режима работы (a) и короткого замыкания (b)

Вот пример нормальной цепи, по которой ток течет от источника к лампе накаливания. На схеме ниже изображен этот процесс.

Пример нормальной цепи, ток течет от источника к лампе

А теперь, представим, что произошла поломка, из-за которой в цепь попал дополнительный проводник.

Дополнительный проводник замыкает цепь

Сопротивление проводников стремится к нулю. Вот почему большая часть электрического тока после замыкания сразу потечет через дополнительный проводник, как бы избегая лампы накаливания с высоким сопротивлением. Результатом будет некорректная работа прибора, потому, что он не получит достаточно тока. И это еще не самый опасный вариант.

Как известно, по закону Ома сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Когда давление в цепи падает в результате короткого замыкания — на несколько порядков возрастет сила тока. По закону Джоуля – Ленца при росте силы тока увеличивается выделение тепла.

При многократном росте силы тока проводники мгновенно нагреваются. А теперь представим, что в сети нет предохранителей либо они не сработали достаточно быстро. В результате проводники плавятся, а изоляция начинает гореть. Зачастую, так возникают пожары в результате короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Схемы кз

Короткие замыкания в быту:

• однофазные – происходит, когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего. Обозначен, как однофазное с землей К(1)
• двухфазные – ( К2)происходит, когда одна фаза замыкается на другую, относится к несимметричным процессам. Есть еще 2-х фазное с землей К (1,1)в системах с заземленной нейтралью;
• трехфазные – происходит, когда замыкаются сразу три фазы. Самый опасный вид КЗ. Это единственный вид короткого замыкания, при котором не происходит перекос фаз, процесс протекает симметрично;

Вот типичная картина последствий короткого замыкания: оплавленная или сгоревшая изоляция, запах гари, следы оплавления или горения внутри электрического прибора.

Последствия короткого замыкания в электрощите многоэтажного дома

В реальных условиях короткое замыкание происходит в таких ситуациях:

• Повреждение изоляции проводников. Это может произойти из-за изношенности изоляции, а так же механического воздействия на неё. Жилы кабеля замыкаются напрямую или через корпус оборудования.
• Некорректное подключение электроприборов к сети. Данный случай характеризуется допущением ошибки мастера или владельца квартиры из-за чего и происходит короткое замыкание.
• Попадание в электрический прибор воды. Конечно же нельзя допускать попадание воды на электроприборы, ведь она является хорошим проводником электричества и замыкает контакты.

В обустройстве быта короткое замыкание происходит во время ремонта стен, если случайно повредить проводку. Также аварии случаются в квартирах и домах со старой проводкой. В результате чрезмерного нагревания она повреждается в следствие воздействия воды или грызунов.

Популярное изложение закона Ома

До детального изучения явления нужно вспомнить базовые определения из школьного курса физики. Основные зависимости описывает известная формула (закон Ома):

I = U / R,

где:

• I – сила (величина) тока в амперах (А), которая определяет плотность энергии в контрольном участке и при достаточной величине способна разогреть проводник до высокой температуры;
• U – напряжение (ЭДС, разница потенциалов между определенными точками);
• электрическое сопротивление (R) – препятствует прохождению электрического тока, увеличивается при нагреве проводника.

Закон Ома для участка цепи

«Магический» треугольник помогает запомнить основные формулы для расчета. Взаимные зависимости рассматриваемых параметров часто поясняют на примере с трубопроводом:

• ток (движение заряженных частиц) подобен потоку;
• напряжение – разница давления на входе и выходе;
• сопротивление – внутренний диаметр, ограничивающий пропускные способности транспортной системы.

По приведенным аналогам несложно догадаться о том, что тонкий (толстый) проводник затрудняет (упрощает) прохождение тока. Дополнительные ограничения объясняются проводимостью определенного материала и наличием посторонних примесей.

Как правильно рассчитать ток КЗ

Проектирование любой электрической цепи подразумевает расчет нагрузки, возможностей и вероятность возникновения аварийных ситуаций. В большинстве случаев проблемы возникают в цепях с «металлическим» закорачиванием.

Причины возникновения КЗ.

Причины:

• Сбой работы автоматов, защитных систем;
• «Человеческий фактор» (ошибки в работе обслуживающего персонала);
• Повреждения, возникающие в результате износа элементов;
• Стихийные бедствия (природные явления);
• Диверсии, неправомерные действия третьих лиц.

Важно! Ток КЗ трансформатора соединяется с достаточно протяженной электрической цепью с большим количеством точек соединения (кабелей, проводов, розеток, других), которые серьезно увеличивают значение сопротивления в цепи, в результате чего возрастает риск аварии. Вам это будет интересно Требуемая освещенность в помещении

Вам это будет интересно Требуемая освещенность в помещении

Формулы

Трехфазный

Предварительный расчет основывается на Законе Ома. Общий принцип заключается в том, что сила тока определяется отношением напряжения к сопротивлению. Действие справедливо также при подсчете нагрузок номинального уровня.

Замыкание на три фазы означает одновременное взаимодействие всех типов (ноль, плюс и минус). Для расчета тока короткого замыкания обмотки трансформатора используется определенный порядок действий:

• Составление схемы расчета – упрощенный вариант с перечислением и корректным расположением элементов всей электрической системы (выключатели, приборы, розетки, свойства материалов);
• Дополнительные параметры сети – номинальные значения напряжения, сопротивления и мощности сети;
• Отмечают точки возможного возникновения КЗ;
• Составляется схема замещения для намеченного участка;
• Выполняется поэтапное преобразование схемы.

Схема движения токаВажно! После определения итогового сопротивления электрической цепи, можно рассчитать значение токов короткого замыкания

Однофазный

Расчет однофазного тока короткого замыкания производится в рамках специальной формулы:

I = u /корень (3х),

в которой х – суммированное (общее) значение сопротивления на участке до места короткого замыкания (максимум – 1,181Ом, минимум – 6,038Ом); U – базовое напряжение. Основная сложность – определить значение величины Х (высчитывается по отдельной формуле). Этапы работ:

• Определить характеристики источника питания;
• Установить параметры проводников;
• Если схема разветвленная, потребуется ее упрощение (снятие нескольких элементов на расчетной схеме);
• Определить сопротивления на участке фаза/ноль;
• Если отсутствует техническая документация к электросети, высчитывают полное сопротивление.

Схема электроцепи. Полученные значения необходимо подставить в формулу. Для небольших помещений (квартира, частный дом) подобного расчета будет достаточно.

Создание расчетной схемы электрической сети

Наличие в EnergyCS ТКЗ встроенной базы данных типового силового оборудования энергосистем позволяет затрачивать минимум времени на ввод расчетной схемы электрической сети. Для ввода ветви, например, достаточно выбрать необходимый элемент в базе: марка провода, тип трансформатора и т.п. Кроме того, базу данных можно самостоятельно дополнять и редактировать.

Как видно на рис. 3, при вводе узлов и ветвей в EnergyCS ТКЗ сразу отображается вся необходимая информация об элементе электрической сети: номер узла, класс напряжения, тип элемента. Перечень выводимых на чертеж параметров определяется пользователем и применяется для всей схемы сразу, что обеспечивает ее однородность. При этом исключается возможность вывода однотипных параметров, таких как «напряжения узлов» и «напряжения с углами», что позволяет не перегружать схему лишними данными.

В свою очередь, в АРМ СРЗА вывод параметров расчетной схемы осуществляется вручную для каждого элемента. Для этого используются интерфейсы, показанные на рис. 4.

Эта особенность программы требует больших затрат времени. Кроме того, схема может оказаться частично непрорисованной.

Существенно различается и графический вид расчетных схем в рассматриваемых программах. В АРМ СРЗА электрическая сеть представлена принципиальной схемой, в то время как в EnergyCS ТКЗ используется однолинейная схема соединений электрических элементов. Это делает схему наглядной и удобной для чтения. Часто однажды созданная схема используется для разных расчетов, которые могут выполнять специалисты различных направлений профессиональной деятельности. В случае работы со схемой, созданной в EnergyCS ТКЗ, расчетчик может легко «привязать» ее к реальной энергосистеме, даже если схема была создана другим человеком.

Кроме того, представление электрической сети однолинейной схемой вместе со встроенной базой данных позволяет избежать ошибок при наборе схемы с «бумаги». Это наглядно видно на рис. 5, где показан один и тот же участок сети, созданный в разных программах.

Необходимо отметить такие важные функции EnergyCS ТКЗ, как Калька

и возможность импорта графического изображения абстрактной схемы, например, введенной в формате CDU, которые позволяют снизить время создания чертежа расчетной схемы (рис. 6). Так можно получить графику, например, из ПК RastrWin.

С помощью функции Калька

программа позволяет вместо фона использовать любое растровое изображение. Это особенно удобно, если необходимо ввести распределительную сеть, «подложив» вместо фона однолинейную схему в формате AutoCAD или графического редактора.

Также в EnergyCS ТКЗ, в отличие от АРМ СРЗА, существует такая важная для любого пользователя функция, как Отмена

Ударный ток короткого замыкания

Наибольшего значения полный ток КЗ достигает при наибольших значениях его составляющих. В § 4.3 было установлено, что начальное значение апериодического тока достигает максимума, когда ток предшествующего режима равен нулю (холостой ход), а в момент КЗ периодическая составляющая вынужденного тока проходит через свой максимум. Это условие принимается в качестве расчетного.

Максимальное мгновенное значение полного тока КЗ – iу

– называют ударным током. Найдем условия, при которых ударный ток достигает своего наибольшего значения для случая, когда ток предшествующего режима был равен нулю, т. е.Im = 0. В этом случае уравнение для полного тока КЗ принимает вид:

(4.16)

и представляет собой функцию двух независимых переменных: времени t

и фазы включенияα . Максимум тока наступает приα = 0.

Для цепей с преобладающей индуктивностью φк ≈

90°, поэтому условия возникновения наибольшей апериодической составляющей и условие, при котором достигается максимум мгновенного значения полного тока, очень близки друг другу. Поэтому в практических расчетах максимальное значение полного тока КЗ, которое называют ударным током КЗiу , обычно находят при наибольшем значении апериодической составляющей, считая, что он наступает приблизительно через полпериода, что приf= 50 Гц составляет около 0,01 с с момента возникновения КЗ.

Причины возникновения короткого замыкания

Логическая защита шин

Несмотря на то, что этот нежелательный аварийный процесс считается случайным, на его создание могут влиять следующие причины, связанные с некачественным монтажом или неправильной эксплуатацией электрического оборудования (цепей). Вот основные причины появления короткого замыкания:

1. Снижение качества изоляции токоведущих проводников. Это одна из самых распространенных причин перехода сети в режим КЗ, который возникает вследствие пересыхания, механического повреждения или разрушения изоляции между проводниками с разным потенциалом. Чаще всего все перечисленные причины снижения сопротивления изоляции и её разрушения связаны с воздействием на неё вредных факторов, на которые она не рассчитана. Например, при длительном воздействии солнечных лучей на изоляцию, которая боится ультрафиолетового излучения, происходят пересыхание, потрескивание и, как следствие, короткое замыкание.

Нужно отметить! У любой изоляции есть свой срок использования, старение её приводит к аварийным режимам.

1. Изменение физических параметров электрической сети, например, перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно попадания молнии в проводник с током.
2. Неправильная коммутация, ошибки монтажа или укладки кабеля, с несоответствием техническим условиям, заявленным заводом производителем.

Любой электромонтажник или электромонтер не застрахован от ошибочных, неправильных действий при монтаже электропроводки или при выполнении оперативных переключений. В низковольтных цепях такие ошибки менее опасны, чем в высоковольтных цепях с мощными источниками энергии, например, на высоковольтных силовых подстанциях электроснабжения. Даже с современными элементами и устройствами защиты от превышения нагрузок процесс КЗ в силовых высоковольтных цепях опасен не только для оборудования, но и для обслуживающего персонала, из-за появления мощной электрической дуги.

1. Длительная эксплуатация электрического оборудования и линий в режиме перегрузок или в условиях с завышенными температурами окружающей среды. Это приводит к перегреву изоляции между обмотками электрооборудования, значит, происходит снижение сопротивления изоляции, которое в какой-то момент достигает критического значения.

Выполнение монтажа качественными материалами, правильная организация работ в электроустановках, а также своевременное обслуживание, с заменой повреждённых участков линии, снизят риск появления короткого замыкания.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине