4.Расчет токов короткого замыкания, выбор и проверка аппаратов.

В соответствии с выбранной схемой распределения электроэнергии, числа и мощности трансформаторов подстанций должны быть разработаны схемы распределительных устройств высшего и низшего напряжения подстанций. Затем по расчетным нагрузкам и месту установки должны быть выбраны необходимые аппараты и элементы.

Разработанная схема электроснабжения объекта подлежит проверки по параметрам токов короткого замыкания, при этом в задании к проекту приведены исходные данные для расчета величины тока короткого замыкания, которые могут быть заданы одним из следующих способов:

1. типом высоковольтного выключателя мощности, удовлетворяющего условиям рассматриваемой схемы электроснабжения;

2. условием, что питание осуществляется от источника бесконечно большой мощности;

3. величинами токов короткого замыкания на вводе без полной схемы внешнего электроснабжения.

В первом случае, при задании величины токов короткого замыкания типом и мощностью высоковольтного выключателя мощности, за мощность короткого замыкания принимается его отключающая способность (таблица 4.7).

Таким образом: Sк = Sвм,

где Sвм – номинальная полная мощность отключения масляного выключателя, МВА.

При этом если в данных для выключателя мощности отключения нет, то ее следует найти по формуле: Sвм = ,

где I_н.откл – номинальное значение тока

отключения масляного выключателя

Далее решение происходит одним из методов расчета токов КЗ:

x_*бс =

x_*брез = x_*бс + x_*бцепи

Ток короткого замыкания равен I_к = ,

где I_б – базисный ток (см. ниже),

x_*брез – относительное результирующее сопротивление элементов цепи короткого замыкания от районной ТП до расчетной точки короткого замыкания.

Во втором случае, когда объект питается от источника бесконечно большой мощности, индуктивное сопротивление системы равно нулю: x_*c = 0, а результирующее сопротивление в данной точке КЗ: x_*брез = x_*бцепи.

В третьем случае, когда заданы величины токов короткого замыкания на шинах источника питания (районная подстанция, ГПП), пересчет этих токов на шины трансформаторной подстанции объекта производится следующим образом.

Пусть заданы величины I , I_∞.

В этом случае относительные базисные сопротивления системы будут равны

x^’’_*б = , x_*б∞ = .

где I_б – базисный ток, который определяется по выражению

I_б = ,

где S_б – базисная мощность, МВА; выбирается произвольно (обычно 100,1000 МВА и т.д.);

U_б – базисное напряжение: принимается напряжение той ступени электроснабжения, где находится расчетная точка короткого замыкания.

Далее определяются относительные базисные сопротивления элементов цепи короткого замыкания x_*б.эл. от источника питания до расчетной точки короткого замыкания.

После расчетов тока КЗ необходимо найти ударный ток короткого замыкания и расчетную отключающую мощность, необходимую для проверки аппаратов по предельно отключаемой мощности.

Ударный ток = ,

где к_у – ударный коэффициент, при расчетах можно использовать следующие значения к_у:

к_у = 1.2 – при КЗ на шинах низкого напряжения трансформаторов мощностью до 400 кВА;

к_у = 1.3 – при КЗ на шинах низкого напряжения трансформаторов мощностью более 400 кВА;

к_у = 1 – при более удаленных точках;

к_у = 1.8 – при КЗ в сетях высокого напряжения, где активное сопротивление не оказывает существенного влияния.

Величина мощности, необходимая для проверки аппаратов по предельно отключаемой мощности, составляет

S_р.отк = _.

4.1. Пример расчета токов короткого замыкания.

Рассчитать токи короткого замыкания (КЗ) – это значит:

- по расчетной схеме составить схему замещения, выбрать точки КЗ;

- рассчитать сопротивления;

- определить в каждой выбранной точке токи КЗ.

Точки КЗ на расчетной схеме нумеруются сверху вниз, начиная от источника. Далее расчетная схема преобразуется в схему замещения, где все элементы цепи представляются своими сопротивлениями к приведенным базиным условиям, а магнитные связи заменены электрическими. Расчет может происходить по методу относительных единиц и именованных единиц.

Для высоковольтных линий и коротких участков распределительной сети обычно учитывают только индуктивные сопротивления. При значительной протяженности сети (кабельной и воздушной) учитываются также их активные сопротивления, так как в удаленных от генераторов точках к.з. сказывается снижение ударного коэффициента. Целесообразно учитывать активное сопротивление, если rx3, где r, x- суммарные активные и реактивные сопротивления распределительной сети от генератора до места к.з.

Таблица 4.1.

Расчет сопротивлений элементов схемы замещения.

Элемент	Именованные единицы	Относительные единицы
Генератор, двигатель	х= х	хбг.= хd
Трансформатор	Хтр =	Хтрб =
Реактор	Хр =	Хбр =
Линия	Xл = xoLл	Xл = xoLл
Система а)при известном Iкз б)при известной Sк	xс= xс=	xбс= xбс=

Сопротивления схем замещения при этом определяются для линий электроснабжения кабельных, воздушных и шинопроводов из соотношений

R_л = r_оL_л; X_л = x_oL_л,

где r_o, x_o – удельное активное и индуктивное сопротивления, мОм/м;

L_л – протяженность линии (необходимо учитывать расстояние до

районной подстанции), м.

Удельные сопротивления для расчета токов КЗ определяются по таблицам справочников [2].

Таблица 4.2

Сопротивление трансформаторов 10/0.4.

Мощность, кВА	Rт, мОм	Хт, мОм	Zт, мОм	Z(1)т, мОм
63	52	102	114	1237
100	31,5	64,7	72	779
160	16,6	41,7	45	487
250	9,4	27,2	28,7	312
400	5,5	17,1	18	195
630	3,1	13,6	14	129
1000	2	8,5	8,8	81
1600	1	5,4	5,4	54

Таблица 4.3

Значение сопротивлений автоматических выключателей, рубильников, разъединителей до 1кВ.

Iн.а.,А	Автомат			Рубильник	Разъединитель
	Rа, мОм	Ха, мОм	Rн, мОм	R, мОм	R, мОм
50	5,5	4,5	1,3	-	-
70	2,4	2	1	-	-
100	1,3	1,2	0,75	0,5	-
150	0,7	0,7	0,7	0,45	-
200	0,4	0,5	0,6	0,4	-
400	0,15	0,17	0,4	0,2	0,2
600	11,12	0,13	0,25	0,15	0,15
1000	0,1	0,1	0,15	0,08	0,08
1600	0,08	0,08	0,1	-	0,06
2000	11,07	0,08	0,08	-	0,03
2500	0,06	0,07	0,07	-	0,03
3000	0,05	0,07	0,06	-	0,02
4000	0,04	0,05	0,05	-	-

Таблица 4.4

Значения удельных сопротивлений кабелей, проводов.

S, мм2 жилы	rо, Ом/км при 20 С жилы			х0, Ом/км
	Al	Сu	Кабель с бумажной поясной изоляцией		Три провода в трубе или кабель с любой изоляцией (кроме бумажной)
1	2	3	4		5
1	-	18,5	-		0,133
1,5	-	12,3	-		0,126
2,5	12,5	7,4	0,104		0,116
4	7,81	4,63	0,095		0,107
6	5,21	3,09	0,09		0,1
10	3,12	1,84	0,073		0,099
16	1,95	1,16	0,0675		0,095
25	1,25	0,74	0,0662		0,091
35	0,894	0,53	0,0637		0,088
50	0,625	0,37	0,0625		0,085
70	0,447	0,265	0,0612		0,082
95	0,329	0,195	0,0602		0,081
120	0,261	0,154	0,0602		0,08
150	0,208	0,124	0,0596		0,079
185	0,169	0,1	0,0596		0,78
240		0,077	0,0587		0,077

Таблица 4.5.

Технические данные масляных и сухих трансформаторов для трансформаторных подстанций.

Тип трансформатора	Схема соединения обмоток	Потери , Вт			Uк, %		Iхх, %
		ХХ	КЗ
1	2	3	4	5		6
ТМ- 160/10/0.4 - 250/10/0.4 -400/10/0.4 -630/10/0.4 -1000/10/0.4	Для всех н - 0	510 740 950 1310 2000	2650 3700 5500 7600 12200	4.5 4.5 4.5 5.5 6.5		2.4 2.3 2.1 2 1.4

1. Расчет токов к.з в относительных единицах.

При этом методе все расчетные данные приводят к базисному напряжению и базисной мощности. За базисное напряжение принимают номинальные напряжения Uном = 0.23; 0,4; 0,69; 3,15; 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230кВ.

За базисную мощность Sб можно выбрать мощность, принимаемую при расчетах за единицу, например мощность системы, суммарные номинальные мощности генераторов станции или трансформаторов подстанции или удобное для расчетов число, кратное десяти.

К1

Sб = 100 МВА Uб = Uном кВ (шина высокого напряжения)

Х_бс = - относительное базисное сопротивление системы

Х_бл = Х₀ - относительное базисное сопротивление линии

Х_{б резК1}= Х_бс + Х_бл

Iб= , кА

Iк1= , кА

iуд = 1.8 , кА

Sк1 = , МВА

К2

При расчете токов короткого замыкания на шинах низкого напряжения должны учитываться активные сопротивления цепи к.з. (кабельных линий, обмоток силовых трансформаторов, трансформаторов тока, шин, коммутационной аппаратуры).

Sб = 100 МВА Uб = Uном, кВ (шина низкого напряжения)

Х_Т =

Х_бТ = Х_Т Sб/S_Тном - относительное базисное индуктивное сопротивление трансформатора

r_Т = Рм/Sном ,

где Рм – потери мощности КЗ (табл.4.5), кВт,

Sном – номинальная мощность силового трансформатора.

r_бТ = r_Т Sб/S_Тном - относительное базисное активное сопротивление трансформатора

R_бsq2 = R - относительное базисное активное сопротивление разъединителя QS2, где R- активное сопротивление разъединителя мОм.

R_бqf3 = Rа - относительное базисное активное сопротивление автоматического выключателя

Х_бqf3 = Ха - относительное базисное индуктивное сопротивление автоматического выключателя

R_бш = r₀ - относительное активное базисное сопротивление шин

Х_бш = хо - относительное индуктивное сопротивление шин

Результирующее сопротивление в точке К2:

Rрез = R_бш + R_бqf3+ R_бsq2+ r_бТ

Хрез = Х_бш+ Х_бqf3 + Х_Т + Х_{б резК1}

Zрез =

Iб= , кА

Iк2=Iб/ Zрез, кА

iуд = к_у - ударный ток, где Ку- ударный коэффициент, находится из графика (Та;Ку) [1, стр.227].

Та = Хрез/(314 Rрез)

Sк1 = Sб/Zрез, МВА

4.1.2. Расчет тока короткого замыкания методом именованных единиц.

При расчете токов к.з. в именованных единицах (Ом, мОм) можно применить закон Ома для схемы замещения. Для схемы замещения выбирают базисную ступень трансформации и все электрические величины остальных ступеней приводятся к напряжению основной ступени.

Приведенные сопротивления следующей ступени трансформации при этом находятся путем перемножения активных и индуктивных сопротивлений на . Сопротивления элементов на каждой ступени схемы замещения определяются по таблице 4.1.

Ток короткого замыкания: Iк = Uб/( Х^рез), кА

Мощность короткого замыкания: Sк = Iк Uном, МВА

При отсутствии данных r_o можно определить расчетным путем:

r_o = ,

где S – сечение проводника, ;

- удельная проводимость материала, м/(Ом мм ).

Принимается - 30 м/(Ом мм ) – для алюминия,

- 50 м/(Ом мм ) – для меди,

- 10 м/(Ом мм ) – для стали.

При отсутствии данных x_о можно принять равным

x_0вл = 0,4 Ом/км – для воздушных линий,

x_0кл = 0,08 Ом/км – для кабельных линий,

x_0пр = 0,09 Ом/км – для проводов,

x_ош = 0,15 Ом/км – для шинопроводов.

Таблица 4.6.

Значение удельных сопротивлений комплектных шинопроводов.

Параметры	Тип комплектного шинопровода
	ШМА					ШРА
1	2	3	4	5	6		7	8
Iн, А	1250	1600	2500	3200	250		400	630
rо, Ом/км	0.034	0.03	0.017	0.015	0.21		0.15	0.1
хо, Ом/км	0.016	0.014	0.008	0.007	0.21		0.17	0.13
Roф-о, Ом/км	0.068	0.06	0.034	0.03	0.42		0.3	0.2
хоф-о, Ом/км	0.053	0.06	0.075	0.044	0.42		0.24	0.26
zоф-о, Ом/км	0.086	0.087	0.082	0.053	0.59		0.38	0.33

4.2.Выбор основных высоковольтных аппаратов производится по номинальным параметрам и конструктивному исполнению с проверкой на устойчивость тока короткого замыкания.

В состав высоковольтных аппаратов входят высоковольтные выключатели, выключатели нагрузки, разъединители, трансформаторы тока и напряжения.

• Выключатели ВН выбираются по напряжению, току, категории размещения, конструктивному выполнению и коммутационной способности.

Должны быть выполнены условия:

;

,

где

- номинальное напряжение установки, кВ;

- номинальный ток установки (или ток в линии), А

• Выключатели ВН проверяются:

а) на отключающую способность.

Должны быть выполнены условия

;

,

Iр.откл. – номинальное и расчетное значения токов отключения, кА;

Iр.откл=I_∞⁽³⁾

Sр.откл=

Uн.в.;

где I∞⁽³⁾- 3-фазный ток КЗ в момент отключения выключателя, действующее значение в установившемся режиме, кА;

б) на динамическую стойкость.

Должно быть выполнено условие:

iскв iу,

где iскв – амплитуда предельного сквозного ударного тока КЗ выключателя, кА;

iу – амплитуда ударного тока электроустановки, кА,

iу=Ку Iк⁽³⁾

в) на термическую стойкость.

Должно быть выполнено условие

Iтс Iр.тс.;

Iр.тс= Iр.откл. = Iр.откл

Где Iтс, Iр.тс – токи термической стойкости, каталожный и расчетный, кА;

tпр – приведенное время действия КЗ, если отключение произойдет в зоне переходного процесса, с. Приближенно tпр tд; tд- время действия КЗ фактическое, с;

tд = tрз+tов,

где tрз – время срабатывания релейной защиты, с;

tов – собственное время отключения выключателя, с.

Величина tрз определяется при расчете конкретной РЗ.

Величина tов для быстродействующих выключателей 0.1 с. А для небыстродействующих Время одного периода при частоте 50Гц составляет 0.02 с. Время действия КЗ (tд) для сетей 10кВ составляет 1..3 с, значит, самое быстрое отключение произойдет через 50 периодов, что соответствует зоне давно установившегося КЗ (через 8..10 периодов).

Выбор разъединителей производится так же как и для выключателей ВН, только проверять на отключающую способность не надо, так как разъединители не выполняют защиту от тока короткого замыкания.

Выбор трансформаторов тока.

Проверяем род установки:

• для работы в закрытых помещениях

• для работы на открытом воздухе

• для встраивания в полости электрооборудования

• для специальных установок

Затем выбираем по способу установки:

• проходные

• опорные

• встраиваемые

и по другим условиям, по которым классифицируются трансформаторы тока.

Выбрать действительно просто, потому что вы уже знаете, куда вы будете ставить трансформатор тока, и как.

Конечно не забываем, для чего предназначен трансформатор тока: для измерений, или для использования в устройствах защиты. А кроме того, если для измерений, — то какой будет учет?

Если коммерческий, то трансформаторы тока для присоединения счетчиков, по которым ведутся денежные расчеты, должны будут иметь класс точности не ниже 0,5. Для разного рода технического учета допускается применение трансформаторов тока класса точности 1, для подключения указывающих амперметров — класс точности не ниже 3. Если трансформатор тока предназначен для работы в устройствах релейной защиты, он должен иметь специальный класс точности, обозначаемый 10(Р).

Выбор ТТ по номинальному напряжению.

Номинальное напряжение выбираемого ТТ не должно быть ниже максимального рабочего напряжения: U_ном ≥ U_уст

Выбор ТТ по номинальному первичному току.

Номинальный первичный ток выбираемого ТТ не должен быть ниже максимального рабочего тока установки: I_1ном ≥ I_раб.max

После этого необходимо провести проверочный расчет по электродинамической и термической стойкости трансформатора тока к токам короткого замыкания.

Далее необходимо произвести проверку на допустимую нагрузку вторичной цепи.. Чтобы упомянутая ранее погрешность выбираемого трансформатора тока не превысила допустимое для данного класса точности значение, вторичная нагрузка ТТ Z_2р не должна превышать номинальную Z_2ном, указываемую в паспортах на изделие.

Реактивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому принимают Z_2р=R_2р. Тогда вторичная нагрузка имеет вид: R_2р= R_приб+R_пр+R_к где R_приб — суммарное сопротивления приборов, R_пр — сопротивление соединительных проводов, (сечение 2,5 мм²)

R_к — переходное сопротивление контактов.( 0,1 Ом)

Для определения сопротивления приборов, питающихся от трансформаторов тока, необходимо определить суммарную мощность электроизмерительных приборов, устанавливаемых в данном присоединении. Суммарное сопротивление приборов находим как:

R_приб = S₂ / I²_2ном,

где:  S₂ — суммарная мощность, потребляемая приборами, ВА; I_2ном- номинальный ток вторичной обмотки трансформатора, А.

Выбранные трансформаторы тока необходимо проверить на термическую стойкость:

(Кт I_1ном)²t_д

и на динамическую стойкость:

iу Кдин I_1ном

Таблица 4.7

Технические данные выключателей мощности ВН на 10 кВ.

Тип	конструкти-	Iн.в.,А	предельные		tтс, с	Iн.окл.,	tов,с
	вное ис-		iск,кА	Iтс, кА		кА
	полнение
1	2	3	4	5	6	7	8
ВВЭ-10-20/630 УЗ		630	52	20	3	20	0,055
-20/1000	вакуумные	1000
-20/1600		1600
-31,5/630		630	80	31,5		31,5
-31,5/1000		1000
-31,5/1600		1600
-31,5/2000		2000
-31,5/3150		3150
ВЭ-10-1250-20 УЗ	с электомаг-	1250	51	20	4	20	0,06
-1600-	нитным	1600
-2500-	гашением	2500
-3600-	дуги	3600
-1250-31,5 УЗ		1250	80	31,5		31,5
-1600-		1600
-2500-	для КРУ	2500
-3600-		3600
ВЭМ-10Э-1000-20УЗ	электомаг-	1000	52	20	4	20	0,05
-1250-	нитный	1250
ВММ-10-400-10 У2	маломас-	400	25	10	4	10	0,1
10-400-10 У1	ляный
ВМПЭ-10-630-20 У2	масляный	630	52	20	4	20	0,25
-10-630-31,5 У2			80	31,5		31,5	0,5
ВК-10-630-20 У2	колонковый	630	52	20	4	20	0,05
-1000-	масляный	1000
-1600-		1600
-630-31,5 У2		630	80	31,5		31,5
-1000-		1000
-1600-		1600
ВКЭ-10-20/630 У3		630	52	20	4	20	0,07
-20/1000		1000
-20/1600		1600
-31,5/630		630	80	31,5		31,5
-31,5/1000		1000
-31,5/1600		1600

Где Iн.в- номинальный ток выключателя, А;

Iтс- ток термической стойкости, кА;

tов- собственное время отключения выключателя, с.;

Iн.отк.- номинальное значение тока отключения, кА;

iск- амплитуда предельного сквозного ударного тока КЗ выключателя, кА;

Таблица 4.8 Разъединители внутренней установки 6 и 10 кВ

Тип	Предельный сквозной ток КЗ, кА		4-х секундный ток термической стойкости, кА	Масса разъединителя,кг
	амплитуда	действующий
РВО-6/400	50	29	16	5.9
РВО-6/630	60	35	20	6.3
РВО-6/1000	120	71	40	12.5
РВ-6/400	50	29	16	24
РВ-6/630	60	35	20	27
РВ-6/1000	120	71	40	42
РВЗ-6/400	50	29	16	28
РВЗ-6/630	60	35	20	29
РВЗ-6/1000	81	47	40	46
РВФ-6/400	50	29	16	35
РВФ-6/630	60	35	20	38
РВФ-6/1000	81	47	40	67
РВО-10/400	50	29	16	5.9
РВО-10/630	60	35	20	6.3
РВО-10/1000	120	71	40	12.5
РВ-10/400	50	29	16	26
РВ-10/630	60	35	20	28
РВ-10/1000	120	71	40	44
РВЗ-10/400	50	29	16	30
РВЗ-10/630	60	35	20	32
РВЗ-10/1000	81	47	40	48
РВФ-10/400	50	29	16	41
РВФ-10/630	60	35	20	45
РВФ-10/1000	81	47	40	83
РЛВОМ-10/1000	81	47	40	16.19
РВР-III-10/2000	85	-	31.5	82
РВРЗ-III-10/2000	85	-	31.5	112