7.3. Короткое замыкание в сетях напряжением до 1 кВ
Расчет токов КЗ в цеховых электрических сетях переменного тока отличается от расчета в сетях 1 кВ и выше. В сетях до 1 кВ наряду с индуктивным учитываются и активные сопротивления элементов цепи КЗ: силовых трансформаторов, кабельных линий, шинопроводов первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока, токовых ка-
209
тушек автоматических выключателей, различных контактных соединений (разъемных и втычных контактов аппаратов и т. д.), дуги в месте КЗ. Общее активное сопротивление цепи КЗ r может быть больше 30% х что влияет на полное сопротивление z и ток КЗ.
Из-за удаленности места КЗ в сети до 1 кВ от источника питания (хр > 3) периодическая составляющая сверхпереходного тока оказывается равной установившемуся значению тока I. е. периодическая составляющая тока КЗ неизменна во времени. Физически это объясняется тем, что КЗ в сети до 1 кВ из-за большого индуктивного сопротивления цехового трансформатора воспринимается в сети 6— 10 кВ как небольшое приращение нагрузки, нечувствительное в сети 110кВ.
Сопротивление системы, отнесенное к ее мощности, состоит из последовательно соединенных элементов: генераторов (хг 0,125), повышающих трансформаторов (xпов.тр > 0,105), линий электропередачи (хл > 0,05), понижающих трансформаторов районных подстанций и (или) ГПП предприятия (хпон.тр > 0,105).
Таким образом, результирующее сопротивление энергосистемы в относительных единицах без цехового трансформатора в общем случае будет не менее 0,4.
При индуктивном сопротивлении цехового трансформатора, отнесенном к мощности системы,(7.26)
и суммарном сопротивлении цепи КЗ более 3(хр 3)имеем
(7.26)
Если Sном.тр = 1000 кВ А, ик% > 5,5, получим Sc > 47 MB А, что всегда выполнимо для современных систем электроснабжения.
Из анализа соотношения (7.26) очевидно, что суммарное сопротивление цепи тока КЗ определяется сопротивлением цехового трансформатора. Это определяет следующие особенности режимов работы цеховых трансформаторных подстанций ЗУР: 1) параллельная работа двух цеховых трансформаторов практически удваивает мощности КЗ, что повышает требования к устойчивости электрических сетей и коммутационной аппаратуры на стороне до 1 кВ; 2) рост единичной мощности цеховых трансформаторов (применение трансформаторов 1600 и 2500 кВ А) ведет к увеличению токов КЗ в сети до 1 кВ и предъявляет более жесткие требования к цеховым сетям с точки зрения их устойчивости к действию тока КЗ.
210
Расчет для отдельных элементов цепи КЗ осуществляется по паспортным или справочным данным, и ведут его в именованных единицах, выражая сопротивление элементов в миллиомах. Сопротивление шинопроводов и кабельных линий определяют через активные r0 и индуктивные х0 сопротивления фазы (мОм/м), принимаемые по справочным данным.
Полное, активное и индуктивное сопротивления цехового трансформатора, приведенные к ступени низшего напряжения, выражаются формулами, мОм,
(7.27)
(7.28)
(7.29)
где иk % - напряжение короткого замыкания, %; Sном.тр номинальная мощность трансформатора, кВ А; Рк - потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт; Uном н - номинальное напряжение на стороне низкого напряжения трансформатора, кВ.
Переходное сопротивление в сети до 1 кВ можно представить в виде двух составляющих:
Rпер = Rпер1 + Rпер2
где Rпер1 - суммарное сопротивление всех переходных контактов, токовых обмоток выключателей, реле и обмоток трансформаторов тока; Rпер2 - сопротивление дуги в месте КЗ.
Суммарное сопротивление
Rпер1 = Rк + Rа + Rт.тр,
где Rк - переходное сопротивление контактного соединения токоведущих шин; Ra - сопротивление автоматических выключателей, состоящее из сопротивления катушек расцепителей и переходного сопротивления контактов; rt - сопротивление обмоток трансформаторов тока. Суммарное сопротивление определяется номинальными токами выключателя, трансформатора тока и не зависит от их типа.
Сопротивление дуги в месте КЗ Rпер2 . можно определить по выражению
Rпер2 = Едlд/Iк ,
211
где Ед - напряженность электрического поля в месте горения дуги, которую можно принять равной 1,5 В/мм; lд — длина дуги, мм (равна удвоенному расстоянию а между фазами сети в месте КЗ); lк -ток трехфазного КЗ.
В практических расчетах можно пользоваться значениями Rпер, приведенным в табл.7.1 для характерной схемы сети 1кВ (рис.7.4).
При аппроксимировании результатов, приведенных в табл. 7.1. получена формула для определения суммарного перехода сопротивления при КЗ в точках К2 – К4:
(7.30)
где Sном.тр — номинальная мощность трансформатора цеховой ТП, кВ А; а — расстояние между фазами сети в месте КЗ, мм; К - коэффициент ступени КЗ.
Для первичных цеховых распределительных щитов и пунктов, а также на зажимах аппаратов, питаемых по радиальным линиям от щитов подстанций или главных магистралей, К = 2; для вторичных цеховых распределительных пунктов и шкафов на зажимах аппаратов, питаемых от первичных распределительных пунктов, К = 3; для аппаратуры, устанавливаемой непосредственно у электроприемников, питающихся от вторичных распределительных пунктов, К = 4. При магистральной схеме цеховой сети переходные сопротивления определяют по формуле (7.30), а при радиальной Rпер.р 1,5Rпер.
Т а б л и ц а 7.1. Переходные сопротивления в сети до 1 кВ
-
Мощность трансфор-матора, кВА
Значения переходных сопротивлений Rпер, мОм, в точках КЗ
К1
К2
К3
К4
1000
6,41
4,07
18,38
7,09
5,92
23,37
7,79
1600
6,81
2,72
12,01
4,51
3,81
15,95
5,27
2500
15,42
1,86
6,92
3,62
3,01
9,26
4,59
Примечание. В числителе приведены значения сопротивления при магистральной схеме, в знаменателе – при радиальной.
2
12
Рис. 7.4. Характерная схема цеховой электрической сети для расчета токов КЗ
При расчете токов КЗ в цепь короткого замыкания вводятся также индуктивные сопротивления трансфор - маторов тока и катушек максимального тока автоматических выключателей, значения которых принимают по справочным или заводским данным. Вычисление токов короткого замыкания осуществляется для выбора и проверки токоведущих устройств и аппаратов цеховой сети на устойчивость действию КЗ. Независимо от режима нейтрали в цеховых сетях наиболее тяжелым режимом является трехфазное КЗ.
П
реобразование
схемы замещения чаще всего сводится к
определению суммарного сопротивления
цепи КЗ путем сложения последовательно
соединенных активных и индуктивных
сопротивленийп
элементов,
так как сети до 1 кВ имеют одностороннее
питание:
Ток трехфазного КЗ находится по формуле
Влияние асинхронных двигателей, подключенных непосредственно к месту КЗ, можно ориентировочно учесть увеличением значения Iк на 4Iдв (Iдв - суммарный номинальный ток двигателей). При этом Iк увеличивается не более чем на 10%.
Ударный ток трехфазного КЗ определяется по формулам (7.19), (7.25). Значение kу в сетях до 1 кВ меньше, чем в сетях выше 1 кВ, из-за большого активного сопротивления цепи КЗ, которое вызывает быстрое затухание апериодической составляющей тока КЗ. Значение ударного коэффициента можно определить по специальным кривым или расчетом в зависимости от отношения х/r или постоянной времени затухания апериодической составляющей Тa = х/(r).
213
В приближенных расчетах при определении iу на шинах цеховых ТП мощностью 400—1000 кВ А можно принимать kу = 1,3, а для более удаленных точек сети kу 1. Влияние асинхронных двигателей, подключенных непосредственно к месту КЗ, на iу можно ориентировочно учесть увеличением значения найденного iу на (4—7)Iдв.
Особую сложность составляет расчет однофазных токов КЗ в сетях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, когда ток однофазного КЗ может оказаться меньше значений, достаточных для надежного срабатывания защиты цеховых сетей (автоматических выключателей или предохранителей). В таких сетях ток однофазного замыкания, равный утроенному току нулевой последовательности, определяется по формуле
где r1, x1 - суммарные активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ; r0, х0 суммарные активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности.
Ток однофазного замыкания на землю для надежного срабатывания защиты в установках, не опасных по взрыву, должен не менее чем в 3 раза превышать номинальный ток соответствующей плавкой вставки.
При определении токов КЗ в сетях напряжением до 1 кВ следует учитывать, что цеховые ТП выпускаются комплектными и их оборудование (шкафы высокого и низкого напряжения с установленными в них выключателями, трансформаторами тока, шинами и другими элементами) рассчитано на длительный нормальный режим работы и отвечает требованиям устойчивости к токам КЗ в сети низкого напряжения трансформатора данной мощности. Если в цеховой электрической сети применяются комплектные магистральные и распределительные шинопроводы, то подбор их по номинальному току позволяет, как правило, удовлетворить и требованиям устойчивости к действию тока КЗ.
Расчет токов КЗ следует выполнять в случаях совместного питания силовых и осветительных нагрузок, если в осветительной сети применены осветительные шинопроводы, питающиеся от распределительных шинопроводов. Динамическая стойкость шинопроводов типа ШОС составляет 5 кА, что значительно ниже стойкости шинопроводов типа ШРА (15—35 кА). Если цеховая электрическая сеть состоит из кабелей или проводов в трубах, то для выбора и проверки аппаратов напряжением до 1 кВ расчет токов КЗ в таких сетях является обязательным.
214
Вопросы для самопроверки
Назовите особенности упрощения расчетов токов КЗ в промышленных электрических сетях.
Рассмотрите рис. 1.1 как расчетную схему и составьте на основании рисунка схему замещения для расчета токов КЗ.
Запомните расчетные формулы для определения сопротивления элементов электрической цепи.
Укажите преимущественную область использования именованной системы расчетов токов КЗ.
Оцените удобство расчета токов КЗ в относительных единицах для разветвленных электрических сетей и/или повторяющихся цепочек.
Укажите особенности расчетов токов КЗ в сети до 1 кВ.
Поясните физический смысл мощности короткого замыкания на разных уровнях системы электроснабжения, действующего и ударного значений токов КЗ.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ВЫБОР АППАРАТОВ И ТОКОВЕДУЩИХ УСТРОЙСТВ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ