Расчеты токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ

Цель и особенности расчетов.

Расчет выполняется с целью выбора коммутационной аппаратуры, шинопроводов, кабелей и другого электрооборудования, а также проверки чувствительности защит.
Особенности расчета токов к. з. в сетях 0,4 кВ: необходимо учитывать активные и индуктивные сопротивления всех элементов цепи к.з.; при питании от энергосистемы не учитывается затухание периодической составляющей тока к. з. ввиду большой электрической удаленности генераторов; при питании от маломощных местных электростанций или автономных генераторов напряжением выше 1000 В затухание периодической составляющей тока к. з. не учитывается, если мощность генератора превышает мощность понижающего трансформатора в пять и более раз; при питании от автономных или аварийных генераторов напряжением 0,4 кВ затухание учитывается независимо от мощности генератора.
В зависимости от цели расчета учитывают разные расчетные режимы работы электрической схемы. При выборе аппаратуры расчетным считается максимальный режим, при котором токи к. з. имеют максимальные значения. Этот же режим учитывают при расчетах токов пуска и самозапуска электродвигателей с целью обеспечения несрабатывания защит в сети. При проверке чувствительности защит расчетным является минимальный режим, при котором токи к. з. имеют минимальные значения. Этот же режим используют для проверки возможности пуска и самозапуска электродвигателей.
При расчетах металлических к.з. (сопротивление контакта в месте повреждения не учитывается) определяют  следующие значения токов:
—  максимальный ток трехфазного металлического к. з. при максимальном режиме работы питающей энергосистемы, используется для выбора аппаратуры и защит, проверки селективности их действия;
—   минимальный ток двухфазного металлического к. з. при минимальном режиме работы энергосистемы, используется для проверки чувствительности защит;
•— минимальный ток однофазного металлического к.з., определяется для проверки чувствительности и селективности действия защит.
Подавляющее большинство к.з. в сетях 0,4 кВ происходит через электрическую дугу в месте повреждения, сопротивление которой существенно снижает значение тока к.з. По данным исследований ЛенПЭОВНИИПЭМ в 85 % случаев к. з. возникают вследствие металлического контакта, однако электродинамические силы, пропорциональные квадрату тока, разбрасывают металлические проводники, разрывают закоротки небольшого сечения и к. з. переходит в дуговое. При больших токах электродинамические силы достигают нескольких тонн
и так быстро разрывают металлический контакт, что ток к. з. не достигает максимального значения, а сразу же ограничивается сопротивлением дуги (как в токоограничивающих выключателях). Лишь в 2 % случаев к.з. остается металлическим, при условии надежно закрепленной закоротки большого сечения. Чтобы учесть токоограничивающее действие электрической дуги в месте повреждения, определяют следующие значения токов и напряжений:
— средний, наиболее вероятный ток трехфазного к. з., вычисленный с учетом токоограничивающего действия дуги в месте повреждения [2], используется для выбора аппаратуры в сети, в том числе отходящих от КТП линий, в случае, если невозможно выбрать аппаратуру, стойкую при металлическом к. з. (кроме вводных и секционного выключателей КТП, которые всегда следует выбирать по металлическим к. з.), а также для проверки селективности защит при этом токе, если при металлическом к. з. она не обеспечивается;
—    минимальный ток двухфазного к. з., вычисленный с учетом токоограничивающего действия дуги в месте повреждения, используется для проверки чувствительности защит;
—    минимальный ток однофазного к. з., вычисленный с учетом токоограничивающего действия дуги в месте повреждения, используется для проверки чувствительности защит;
Ск-ост — остаточное напряжение при к.з. через дугу, используется для проверки чувствительности максимальных токовых защит с пуском по напряжению, устанавливаемых на понижающих трансформаторах и генераторах напряжением 0,4 кВ.
Определяются также значения ударного тока к.з. и его тепловой импульс, их используют для выбора аппаратуры (автоматических выключателей, рубильников), шинопроводов и другого электрооборудования.
Сопротивления элементов схемы замещения. Для расчетов токов к. з. составляют схему замещения, в которую входят все сопротивления цепи к. з. Значения этих сопротивлений выражают в миллиомах (мОм). Далее рассмотрено, как определяются сопротивления отдельных элементов схемы замещения.
Питающая энергосистема. Активное и индуктивное
сопротивления питающей энергосистемы до зажимов высшего напряжения ВН понижающего трансформатора находят из расчета токов к. з. на стороне ВН и приводят к стороне низшего напряжения НН по выражениям:

где лсс.вн и тс.вн — соответственно индуктивное и активное сопротивления энергосистемы, приведенные к стороне ВН, Ом; хс и г с — то же, приведенные к стороне НН понижающего трансформатора, мОм; С/И.т.нн и и„.т.вн — соответственно номинальные напряжения обмоток НН и ВН понижающего трансформатора.
Для практических расчетов токов к.з. допустимо не учитывать активное сопротивление энергосистемы, а индуктивное принимать равным полному сопротивлению энергосистемы (это не влияет на точность расчетов токов к.з. в сети 0,4 кВ), определяя его значение (в омах) по известному току     (в килоамперах) или мощности
S<*H (в мегавольт-амперах) трехфазного к. з. на зажимах ВН понижающего трансформатора 6(10)/0,4 кВ:
(2)

где Uc.bh —напряжение энергосистемы со стороны ВН трансформатора, при котором определялись ток и мощность к. з. системы, кВ.
Трансформаторы. Активное и индуктивное сопротивления понижающего трансформатора (в миллиомах), приведенные к стороне НН:
(3)

(5)
где Sh.t — номинальная мощность трансформатора, кВ-А; 11к.т — номинальное линейное напряжение обмотки НН, кВ; Рк — мощность потерь к. з. в трансформаторе, кВт; ик — напряжение к.з. трансформатора, %.
Таблица 1. Активные и индуктивные сопротивления, мОм, трансформаторов 6(10)/0.4 кВ

Параметры стандартных трансформаторов 6 (10)/0,4 кВ приведены в табл. 1.
Кабели. Активное и индуктивное сопротивления кабелей определяют по выражениям
(6)
где Худ и Гуд — соответственно индуктивное и активное удельные сопротивления кабелей, принимаются по табл. 2, мОм/м; / — длина кабеля, м.
Шины и шинопроводы. Сопротивление шин и шинопроводов находят аналогично. Их удельные сопротивления приведены в табл. 3, 4. Сопротивление шин и шинопроводов длиной 5 м и менее можно не учитывать, так как их влияние па ток к. з. невелико.
При известных расстояниях между прямоугольными шинами индуктивное сопротивление (в миллиомах на метр) можно определить приближенно по выражению
Таблица 2. Удельное сопротивление (прямой последовательности) кабелей с алюминиевыми жилами при температуре проводника 65 С  мОм/м [I8J

Примечание. Для кабелей с медными жилами приведенные в таблице значения активного сопротивления следует уменьшить в 1,7 раза.

(7)
где—среднее геометрическое расстояние между фазами 1, 2 и 3, мм; h — высота шины, мм.
Воздушные линии. Активное и индуктивное сопротивления линий определяются по формуле (6). Для линий 0,4 кВ с проводами из цветных металлов значение удельного индуктивного сопротивления приближенно принимается равным 0,3 мОм/м, активного — по табл. 5. Линии со стальными проводами применяют редко. Их активное и индуктивное сопротивления зависят от конструкции провода, значения тока и могут быть найдены из работ.
Реактор напряжением 0,4 кВ типа РТТ-0,38-50-0,14. Номинальные параметры реактора: напряжение 380 В, ток 50 А, индуктивное сопротивление при частоте 50 Гц составляет 140 мОм, активное — для исполнения УЗ (алюминиевая обмотка) 17 мОм, для исполнения ТЗ (медная обмотка) 16 мОм. До 1982 г. реактор обозначался ТРТС-0,5-50-0,14.
Таблица 3. Удельные сопротивлении шин при 65"С, мОм/м

Трансформаторы тока. Сопротивление трансформаторов тока ввиду почти незаметного влияния на ток к.з. для упрощения расчетов не учитывается.
Автоматические выключатели, рубильники, переходные сопротивления. Сопротивления автоматических выключателей, рубильников, а также переходные сопротивления (вставных контактов, болтовых соединений шин и др.) принимают по справочникам и каталогам. Эти сопротивления часто не учитывают, поскольку их влияние на значение тока к.з. не превышает 5% вблизи трансформатора и снижается при удалении точки к.з. Сопротивление автоматического выключателя, отключающего к. з., не учитывают, так как при экспериментальном определении его предельной коммутационной способности исходят из токов, которые были в цепи при отсутствии этого выключателя (ГОСТ 2933—83).
При определении токов металлического к.з. ипереходное сопротивление в месте повреждения не учитывается.
При определении минимального тока к.з. с учетом токоограничивающего действия дуги в месте поврежденияв схему замещения вводится активное сопротивление Ru= 15 мОм [2, 8], учитывающее совокупно все переходные сопротивления (рубильников, автоматов, вставных контактов, болтовых соединений) и сопротивление электрической дуги в месте повреждения.

Таблица 4. Удельные сопротивления шинопроводов до 1000 В. мОм/м

Продолжение

Значение Ru= 15 мОм соответствует минимальному возможному току к.з., полученному по опытным данным на одной из установок 0,5 кВ . Максимальное расчетное значение тока к. з., равное 58 кА, удавалось получить только при наличии толстой медной перемычки, надежно привинченной к шинам. При к. з., полученном с помощью привинченной медной закоротки сечением 6—25 мм2, значение тока оказывалось равным соответственно 60—87 % максимального, при свободно лежащем медном брусе —56%, при стальном свободно лежащем брусе —68 %, а при перекрытиях по изоляции — 32—56 %. Таким образом, минимальное значение тока к. з. было равно 0.32Х Х58=18,6 кА. Из первого опыта металлического к. з. со значением тока 58 кА легко найти сопротивление цепи, которое приближенно можно считать индуктивным:
Из опыта к. з. через наибольшее переходное сопротивление можно
Таблица 5. Конструктивные и расчетные данные неизолированных медных, алюминиевых и сталеалюминиевых проводов при 20°С (ГОСТ 839-74)

Значения токов, получаемые по выражению (12), практически совпадают с результатами экспериментальных исследований наиболее вероятных токов к. з. в электроустановках 0,4 кВ [2].

Реальные возможные значения токов трехфазных к.з. находятся в зоне, верхней границей которой является ток металлического кз.


Рис. 4. Зона возможных токов при трехфазном к. з. на стороне 0.4 кВ трансформатора в зависимости от его мощности ST

Влияние токоограничивающего действия дуги на зону возможных токов к. з. зависит от мощности трансформатора, мощности питающей энергосистемы и удаленности точки к. з. от шин 0,4 кВ.
Влияние мощности трансформатора на величину зоны возможных токов к. з. за трансформатором (на шинах 0,4 кВ) дли случая, когда трансформатор питается от мощной энергосистемы (*с= =0,1 *т), показано на рис. 4. Из этого рисунка видно, что влияние токоограничивающего действия дуги очень велико, особенно для мощных трансформаторов. Чем меньше мощность трансформатора (т. е. чем больше результирующее сопротивление до точки к. з.) тем меньше зона возможных токов к. з.
По мере удаления точки к. з. от шин 0,4 кВ зона возможных токов также сужается (рис. 5).
Аналогично влияет на зону возможных токов к. з. и сопротивление питающей системы. Для пояснения этого влияния представим сопротивление питающей системы до выводов 6 или 10 кВ трансформатора хс в виде отношения Хс/Хт. Зона возможных токов к. з. за трансформаторами в зависимости от xdxT   из рис. П1, с, б, в. (т. е. чем больше результирующее сопротивление до точки к. з.), тем меньше зона возможных токов к. з.

Для выбора аппаратуры следует использовать значения тока металлического к. з. Допустимо выбирать аппаратуру линий, отходящих от шин щита 0,4 кВ, по значению среднего (наиболее вероятного) тока к. з„ если невозможно выбрать аппаратуру, стойкую при сечением ЗХ Х150 мм» (зона /) и 3 X Х50 мм2 (зона 2) в зависимости от их длины I при питании от трансформатора мощностью 1000 кВ-А (*с=0,1 Хт)
металлических к. з.

Рис. 5. Зоны возможных токов при трехфазном к. з. алюминиевыми кабелями
Однако вводные и секционный выключатели этого щита как наиболее ответственные следует выбирать по металлическим к. з., поскольку при отказе выключателя отходящей линии они должны локализовать к. з. в пределах одиой из подсистем электрической схемы.
В то же время при проверке чувствительности защит трансформаторов 6/0,4 и 10/0,4 кВ, а также автоматических выключателей и предохранителей 0,4 кВ во избежание отказов защиты следует учитывать минимальные токи к. з., рассчитанные с учетом токоограничивающего действия дуги /кв. Например, согласно директивным указаниям института АТЭП коэффициент чувствительности (отношение минимального тока к.з, протекающего через реле защиты, к току его срабатывания) максимальной токовой защиты понижающих трансформаторов при двухфазном к.з, со стороны 0,4 кН должен быть: при токе металлического к.з. /^ш не менее 1,5, при токе к.з. с учетом токоограничивающего действия душ не менее 1,2.
Если чувствительность максимальной токовой защиты трансформатора оказывается недостаточной к токам к. з. с учетом токоограничивающего действия дуги, то следует уменьшить ток срабатывания защиты, а для обеспечения ее несрабатывания при токах самозапуска электродвигателей уменьшить количество двигателей, участвующих в самозапуске, либо применить их поочередный автоматический самозапуск, либо выполнить защиту с пусковым органом напряжения. При определении чувствительности последнего также следует учитывать возможность дугового к. з.   Расчеты показывают, что применение пускового органа напряжения для трансформаторов мощностью 630 кВ-А и более при малом сопротивлении питающей энергосистемы неэффективно из-за низкой чувствительности, однако вполне оправдано при большом сопротивлении питающей энергосистемы, а также при небольшой мощности трансформаторов или для защиты генераторов напряжением 0,4 кВ.
При проверке селективности защит в сети 0,4 кВ также в некоторых случаях целесообразно учитывать влияние переходных сопротивлений, особенно для, потребителей II и III категорий, и обеспечивать селективное действие защит не во всем диапазоне возможных значений токов к. з. вплоть до тока металлического к. з.  

Рис. 6. Области, в которых можно не учитывать токоограничивающес действие дуги
Редкие случаи неселективного действия защит при металлических к. s. Например, если проверку селективности между защищающими понижающий трансформатор предохранителями ПК-6 и ПК-10 и автоматами 0,4 кВ производить при максимальном токе   то может потребоваться завышение номинальных токов вставок ПК, что не рекомендуется, или замена предохранителей выключателями, в то время как при токах которые могут быть значительно меньше 'клюке • селективность будет обеспечена.
Влияние токоограничивающего действия дуги в месте к. з. можно не учитывать в следующих случаях: при выборе аппаратуры — если мощность трансформатора менее 400 кВ-А; при проверке чувствительности защит — если мощность трансформатора менее 250 кВ-А. При мощности понижающих трансформаторов 5Т, равной или большей указанной, влиянием токоограничивающего действия дуги в месте к. з. можно пренебречь при достаточно большом сопротивлении питающей энергосистемы, при выборе аппаратуры, если отношение хс/хт находится в области А или Б, а при проверке чувствительности защит — если это отношение находится в области Л, рис. 6.
Приближенно  с учетом сопротивления энергосистемы можно принимать по табл. 6.
Таблица 6. Значения  для расчета металлических однофазных к. з. при различной электрической удаленности трансформаторов от источников питания

Примечание. Активное сопротивление энергосистемы не учитывалось.
Таблица 7 Полное удельное сопротивление   петли фаза — нуль для кабеля или пучка проводов с алюминиевыми жилами при температуре жилы 65°С, мОм/м  

 
Таблица 8. Полное удельное сопротивление
петля фаза — алюминиевая оболочка трехжильных кабелей с бумажной изоляцией (без нулевой жилы), мОм/м  

Таблица 9. Полное удельное сопротивление   петля фаза — нуль с учетом проводимости алюминиевой оболочки четырехжильного кабеля с бумажной изоляцией, мОм/м [14]