Электрическая энергия несет в себе довольно высокую опасность, от которой не защищены ни работники отдельных подстанций, ни бытовые приборы. Ток короткого замыкания – это один из самых опасных видов электроэнергии, но существуют методы, как его контролировать, рассчитать и измерить.
Что это такое
Ток короткого замыкания (ТКЗ) – это резко возрастающий ударный электрический импульс. Главной его опасностью является то, что согласно закону Джоуля-Ленца такая энергия имеет очень высокий показатель выделения тепла. В результат короткого замыкания могут расплавиться провода или перегореть определенные электроприборы.
Фото – временная диаграммаОн состоит из двух основных слагающих – апериодическая составляющая тока и вынужденная периодическая слагаемая.
Формула – периодическая
Формула – апериодическая
По принципу, сложнее всего измерить именно энергию апериодического возникновения, которая является емкостной, доаварийной. Ведь именно в момент аварии разница между фазами имеет наибольшую амплитуду. Также его особенностью является не типичность возникновения этого тока в сетях. Схема его образования поможет показать принцип действия этого потока.
Сопротивление источников из-за высокого напряжения при КЗ замыкается на небольшом расстоянии или «накоротко» – поэтому это явление получило такое название. Бывает ток короткого трёхфазного замыкания, двухфазного и однофазного – здесь классификация происходит по количество замкнутых фаз. В некоторых случаях, КЗ может быть замкнут между фазами и на землю. Тогда, чтобы его определить, нужно будет отдельно учитывать заземление.
Фото – результат КЗ
Также можно распределить КЗ по типу подключения электрооборудования:
- С заземлением;
- Без него.
Для полного объяснения этого явления предлагаем рассмотреть пример. Скажем, есть конкретный потребитель тока, который подключен к локальной линии электропередач при помощи отпайки. При правильной схеме общее напряжение в сети равно разнице ЭДС у источника питания и снижению напряжения в локальных электрических сетях. Исходя из этого, для определения силы тока короткого замыкания может использоваться формула Ома:
R = 0; Iкз = Ɛ/r
Здесь r –сопротивление КЗ.
Если подставить определенные значения, то можно будет определить ток замыкания в любой точке на всей линии электропередач. Здесь не нужно проверять кратность КЗ.
Способы расчета
Предположим, что замыкание уже произошло в трехфазной сети, к примеру, на подстанции или на обмотках трансформатора, как тогда производится расчет токов короткого замыкания:
Формула – ток трехфазного замыкания
Здесь U20 – это напряжение обмоток трансформатора, а Z T – сопротивление определенной фазы (которая была повреждена в КЗ). Если напряжение в сетях – это известный параметр, рассчитывать требуется сопротивление.
Каждый электрический источник, будь-то трансформатор, контакт аккумуляторной батареи, электрические провода – имеет свой номинальный уровень сопротивления. Иными словами, Z у каждого свое. Но они характеризуются сочетанием активных сопротивлений и индуктивных. Также есть емкостные, но они не имеют значение при расчете токов высокой силы. Поэтому многими электриками используется упрощенный способ вычисления этих данных: арифметический расчет сопротивления постоянного тока на последовательно соединенных участках. Когда эти характеристики известны, не составит труда по формуле ниже рассчитать полное сопротивление для участка или целой сети:
Формула полного заземления
Где ε – это ЭДС, а r – величина сопротивления.
Учитывая, что во время перегрузок сопротивление равняется нулю, решение принимает следующий вид:
I = ε/r = 12 / 10 -2
Исходя из этого, сила при коротком замыкании этого аккумулятора равна 1200 Ампер.
Таким образом можно также рассчитать ток КЗ для двигателя, генератора и других установок. Но на производстве не всегда есть возможность рассчитывать допустимые параметры для каждого отдельного электрического устройства. Помимо этого, следует учитывать, что при несимметричных замыканиях нагрузки имеют разную последовательность, для учета которой требуется знать cos φ и сопротивление. Для расчета используется специальная таблица ГОСТ 27514-87, где указываются эти параметры:
Также существует понятие односекундного КЗ, здесь формула силы тока при коротком замыкании определяется при помощи специального коэффициента:
Формула – коэффициент КЗ
Считается, что в зависимости от сечения кабеля, КЗ может пройти незаметно для проводки. Оптимальным является длительность замыкания до 5 секунд. Взято из книги Небрат «Расчет КЗ в сетях»:
| Сечение, мм 2 | Длительность КЗ, допустимая для конкретного типа проводов | |||
| Изоляция ПВХ | Полиэтилен | |||
| Жилы медь | Алюминий | Медь | Алюминий | |
| 1,5 | 0,17 | нет | 0,21 | нет |
| 2,5 | 0,3 | 0,18 | 0,34 | 0,2 |
| 4 | 0,4 | 0,3 | 0,54 | 0,36 |
| 6 | 0,7 | 0,4 | 0,8 | 0,5 |
| 10 | 1,1 | 0,7 | 1,37 | 0,9 |
| 16 | 1,8 | 1,1 | 2,16 | 1,4 |
| 25 | 2,8 | 1,8 | 3,46 | 2,2 |
| 35 | 3,9 | 2,5 | 4,8 | 3,09 |
| 50 | 5,2 | 3 | 6,5 | 4,18 |
| 70 | 7,5 | 5 | 9,4 | 6,12 |
| 95 | 10,5 | 6,9 | 13,03 | 8,48 |
| 120 | 13,2 | 8,7 | 16,4 | 10,7 |
| 150 | 16,3 | 10,6 | 20,3 | 13,2 |
| 185 | 20,4 | 13,4 | 25,4 | 16,5 |
| 240 | 26,8 | 17,5 | 33,3 | 21,7 |
Эта таблица поможет узнать ожидаемую условную длительность КЗ в нормальном режиме работы, амперметраж на шинах и различных типах проводов.
Если рассчитывать данные по формулам нет времени, то используется специальное оборудование. К примеру, большой популярностью у профессиональных электриков пользуется указатель Щ41160 – это измеритель тока короткого замыкания фаза-ноль 380/220В. Цифровой прибор позволяет определить и рассчитать силу КЗ в бытовых и промышленных сетях. Такой измеритель можно купить в специальных электротехнических магазинах. Эта методика хороша, если нужно быстро и точно определить уровень тока петли или отрезка цепи.
Также используется программа «Аврал», которая быстро может определить термическое действие КЗ, показатель потерь и силу тока. Проверка производится в автоматическом режиме, вводятся известные параметры и она сама рассчитывает все данные. Это проект платный, лицензия стоит около тысячи рублей.
Видео: защита электрической сети от короткого замыкания
Защита и указания по выбору оборудования
Несмотря на всю опасность этого явления, все же есть способ, как ограничить или свести к минимуму вероятность возникновения авариных ситуаций. Очень удобно использовать электрический аппарат для ограничения короткого замыкания, это может быть токоограничивающий реактор, который значительно снижает термическое действие высоких электрических импульсов. Но для бытового использования этот вариант не подойдет.
Фото – схема блока защиты от кз
В домашних условиях часто можно встретить использование автомата и релейной защиты. Эти расцепители имеют определенные ограничения (максимальный и минимальный ток сети), при превышении которых отключают питание. Автомат позволяет определять допустимый уровень ампер, что помогает повысить безопасность. Выбор производится среди оборудования с высшим классом защиты, нежели нужно. Например, в сети 21 ампер рекомендуется использовать автомат для отключения 25 А.
Проектирование электроустановок квартир и коттеджей (Schneider Electric)
2.1. Расчет электрических нагрузок
На начальной стадии проектирования, когда практически неизвестны точные данные электроприемников, но необходимо получить технические условия на присоединение электрической мощности, возникает вопрос, как рассчитать величину установленной мощности потребителей и на этой основе определить расчетную нагрузку на вводе в квартиру или коттедж. При этом, под понятием расчетная электрическая нагрузка Рр потребителя или элемента сети подразумевается мощность, равная ожидаемой максимальной нагрузке за 30 мин.
В Нормативах по определению расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов) застройки и элементов городской распределительной сети (изменения и дополнения к Инструкции по проектированию городских электрических сетей - РД 34.20.185-94) приведены удельные расчетные нагрузки.
Указанные Нормативы составлены на основании анализа режимов электропотребления перспективного набора электробытовых приборов и машин в квартире (коттедже). Учитывались данные по установленной мощности приборов и машин, определялся суточный расход электроэнергии, возможное время работы каждого прибора и машины.
В удельных расчетных нагрузках за основу принято, что расчетная нагрузка отдельной квартиры (коттеджа) или небольшого числа квартир (коттеджей) определяется приборами эпизодического пользования, но значительной установленной мощности. К таким приборами относятся, например, стиральные машины с подогревом воды, джакузи, посудомоечные машины с подогревом воды, электрические чайники, электрические сауны и др. Для этих приборов определялись коэффициенты спроса с последующим суммированием их расчетных нагрузок с нагрузками всех прочих приборов малой мощности, которые определялись с использованием усредненного значения коэффициента спроса.
Разработчиками Нормативов в качестве базовых исходных данных принято:
1. Средняя площадь квартиры (общая), м2:
в типовых зданий массовой застройки 70
в зданиях с квартирами повышенной комфортности
(элитные) по индивидуальным проектам 150
2. Площадь (общая) коттеджа, м2 50 - 600
3. Средняя семья, чел 3,1
4. Установленная мощность, кВт:
квартир с газовыми плитами 21,4
квартир с электрическими плитами в типовых зданиях 32,6
квартир с электрическими плитами в элитных зданиях 39,6
коттеджей с газовыми плитами 35,7
коттеджей с газовыми плитами и электрическими саунами 48,7
коттеджей с электрическими плитами 47,9
коттеджей с электрическими плитами и электрическими саунами 59,9
В табл. 2.1 приведена удельная расчетная нагрузка электроприемников квартир жилых зданий, а в табл. 2.2 - коттеджей.
Во «Временной инструкции по расчету электрических нагрузок жилых зданий» РМ2696-01 расчетную нагрузку на вводе в квартиру для домов I категории рекомендуется определять по формуле:
где Рз - заявленная мощность электроприемников, определяемая суммированием номинальных мощностей электробытовых и осветительных приборов, а также розеточной сети;
Таблица 2.1 Удельная расчетная электрическая нагрузка электроприемников квартир жилых зданий
Потребители электроэнергии | Удельная расчетная электрическая нагрузка, кВт/квартира, при числе квартир |
|||||||||||||
Квартиры с плитами: | ||||||||||||||
На природном газе: | ||||||||||||||
На сжиженном газе (в том числе при групповых установках) и на твердом топливе: | ||||||||||||||
Электрическими мощностью до 8,5 кВт | ||||||||||||||
Квартиры повышенной комфортности с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт | ||||||||||||||
Таблица 2.2 Удельная расчетная электрическая нагрузка электроприемников коттеджей
Потребители электроэнергии | Удельная расчетная электрическая нагрузка, кВт/коттедж, при числе коттеджей |
|||||||||
Коттедж с плитами на природном газе | ||||||||||
Коттеджи с плитами на природном газе и электрической сауной мощностью до 12 кВт | ||||||||||
Коттеджи с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт | ||||||||||
Коттеджи с электрическими плитами мощностью до 10,5 кВт и электрической сауной мощностью до 12 кВт | ||||||||||
Кс - коэффициент спроса, зависящий от величины заявленной мощности в квартире.
В соответствии с "Временной инструкцией...” на предпроектных стадиях рекомендуется определять расчетные нагрузки по ориентировочным удельным нагрузкам в соответствии с табл. 2.3 в зависимости от различных уровней электрификации быта, а на стадии рабочего проектирования нагрузки уточняются по приведенной выше формуле.
В табл. 2.3 при определении удельных нагрузок приняты следующие мощности электроприемников, кВт: освещение 2,8, розеточная сеть 2,8, электроплиты 9-10,5, стиральная машина 2,2, посудомоечная машина 2,2, джакузи с подогревом 2,5, душевая кабина с подогревом 3, водонагреватель аккумуляционный 2, водонагреватель проточный 8-18, кондиционеры 3, бытовые электроприборы 4, теплые полы 1.
Таблица 2.3 Ориентировочные удельные нагрузки для домов I категории
Характеристика квартир | Удельная нагрузка, кВт/квартира при числе квартир |
|||||||||||||
1 Дома с электроплитами до 9 кВт без саун, проточных водонагревателей и кондиционеров | 600 и более |
|||||||||||||
2 Дома с электроплитами до 10,5 кВт: | ||||||||||||||
2.1 Без саун и проточных водонагревателей | ||||||||||||||
водонагревателями мощностью до 12 кВт | ||||||||||||||
2.2 Без саун, но с проточными | ||||||||||||||
2.3 Без саун, но с проточными водонагревателями мощностью до 18 кВт | ||||||||||||||
2.4 С саунами мощностью до 12 кВт, без проточных водонагревателей | ||||||||||||||
2.5 С саунами мощностью до 6 кВт и проточными водонагревателями мощностью до 8 кВт | ||||||||||||||
2.6 С саунами мощностью до 12 кВт и проточными водонагревателями мощностью до 12 кВт | ||||||||||||||
Необходимо пояснить, что главной целью разработчиков указанных Нормативов и Инструкции было определение усредненных расчетных нагрузок, приведенных к вводу в жилые здания или коттеджные поселки исходя из принятых за базу исходных данных.
В СП31-110-2003 расчетную нагрузку для квартир с повышенной комфортностью рекомендуется определять в соответствии с заданием на проектирование или в соответствии с заявленной мощностью и коэффициентами спроса и одновременности.
Коэффициенты спроса для квартиры повышенной комфортности:
Заявленная мощность, кВт До 14 20 30 40 50 60 70 и более
Коэффициент спроса 0,8 0,65 0,6 0,55 0,5 0,48 0,45
Коэффициенты одновременности Ко для квартиры повышенной комфортно сти:
Число квартир 1-5 6 9 12 15 18
Коэффициент одновременности. . . 1 0,51 0,38 0,32 0,29 0,26
Число квартир 24 40 60 100 200 400 600 и более
Коэффициент одновременности. . . . 0,24 0,2 0,18 0,16 0,14 0,13 0,11
Расчетная нагрузка питающих линий, вводов и на шинах РУ-0,4 кВ ТП от электроприемников квартир повышенной комфортности Рр.кв кВт определяется по формуле:
где Ркв - нагрузка электроприемников квартир повышенной комфортности; n - число квартир; Ко - коэффициент одновременности для квартир повышенной комфортности.
В СП31-106-2002 для одноквартирных жилых домов расчетную нагрузку в случаях, если нет ограничений, также рекомендуется определять по заданию заказчика. Однако при ограничении возможностей энергоснабжения расчетную нагрузку электроприемников следует принимать не менее:
5,5 кВт - для домов без электрических плит;
8,8 кВт - для домов с электрическими плитами.
Если же общая площадь дома превышает 60 м2, расчетная нагрузка должна быть увеличена на 1% на каждый дополнительный 1 м2.
В реальных случаях площади квартир повышенной комфортности и коттеджей существенно отличаются от базовых и не имеют верхнего ограничения уровня электрификации быта.
Каждая отдельно взятая квартира или коттедж с приусадебными постройками представляет собой свой микромир, заполняемый не усредненными, а фактическими потребителями электроэнергии, номинальная мощность которых может существенно отличаться от принятых в нормативных материалах.
В удельных расчетных нагрузках принципиально не могло учитываться использование заказчиком различных, все более совершенных потребителей с длительным режимом работы (более 30 мин), постоянно появляющихся на рынке комфортности жилья и быта людей.
В табл. 2.4, составленной по данным нормативных документов, результатам анализа большого количества проектов, паспортным данным бытовых электроприборов, приведены рекомендуемые величины мощностей отдельных электроприемников и расчетные коэффициенты.
Определение расчетной величины Рр.р нагрузки групповых и питающих линий от электроприемников, подключаемых к розеткам, предполагается выполнять по рекомендации, приведенной в СП31-110-2003 для общежитий, по формуле:
где Руд - удельная мощность на одну розетку, при числе розеток до 100 принимаемая 0,1, свыше 100 - 0,06 кВт;
nр - число розеток;
Ко.р - коэффициент одновременности для сети розеток, определяемый в зависимости от числа
До 10 розеток. . . .1,0
Свыше 10 до 20 розеток. . . .0,9
Свыше 20 до 50 розеток. . . .0,8
Свыше 50 до 100 розеток. . . .0,7
Свыше 100 до 200 розеток. . .0,6
Свыше 200 до 400 розеток. . .0,5
Свыше 400 до 600 розеток. . .0,4
Свыше 650 розеток. . . .0,35
Основными расчетными коэффициентами являются: коэффициент спроса Кс, коэффициент использования Ки и коэффициент мощности cosф.
Под коэффициентом спроса по нагрузке понимается отношение расчетной электрической нагрузки к номинальной (установленной) мощности электроприемников:
где Рр - расчетная электрическая нагрузка, кВт (30-мин максимум); Ру - установленная мощность электроприемников, кВт.
Наименование электроприемников | Номинальная или установленная активная мощность | Расчетные коэффициенты | Примечание |
||
Спроса Кс | использования Ки |
||||
Электрическое освещение гостиных | Светильники с лампами накаливания |
||||
Электрическое освещение жилых комнат (спален) | |||||
Электрическое освещение кабинетов, библиотек, игровых и т.п. | |||||
Электрическое освещение кухонь | |||||
Электрическое освещение холлов, коридоров и т.п. | |||||
Бытовая розеточная сеть (телерадиоаппаратура, холодильники, пылесосы, утюги, торшеры, бра, настольные лампы и пр.) | 100 Вт/розетка | 1 розетка на 6 м2 общей площади Ки=0,7 - при числе розеток более 50; Ки=0,8 - при числе розеток от 20 до 50; Ки=0,9 - при числе розеток от 10 до 20; Ки=1 - при числе розеток до 10 |
|||
Электроплита | 10,5 кВт/ппита | ||||
Стиральная машина | |||||
Посудомоечная машина | |||||
Джакузи с подогревом | |||||
Душевая кабина с подогревом | |||||
Водонагреватели аккумуляционные | |||||
Водонагреватели проточные | |||||
Кондиционеры | |||||
Электрокамины | |||||
Кухонные комбайны, кофеварки, электрочайники и т.п. (суммарно) | 4-5 кВт/квартира | ||||
Теплый пол в жилой комнате, кухне, прихожей | |||||
Теплый пол в ванной, сауне, детской | |||||
Электрические отопительные котлы | |||||
Приборы электроотопления | |||||
Т епловентиляторы | |||||
Электрокалориферы | |||||
Газонокосилки | |||||
Погружные насосы | |||||
Персональные компьютеры | |||||
Под коэффициентом использования активной мощности одного или группы электроприемников понимается отношение фактически потребляемой мощности Р к номинальной мощности Рн:
Таблица 2.5 Исходные данные к примеру
Помещения | Площадь, м2 | Устанавливаемые электробытовые приборы | Номинальная (установленная) мощность, кВт | Примечание |
Электрическая плита | Табл. 2.4 п. 7 |
|||
Посудомоечная машина | Табл. 2.4 п. 9 |
|||
Холодильник | По паспортным данным |
|||
Кухонный комбайн | Табл. 2.4 п. 17 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 4 |
|||
1 розетка на ток 16 А, 4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Холл и коридоры | Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
||
6 розеток на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Табл. 2.4 п. 11 |
||||
Душ с электроподогревом | Табл. 2.4 п. 12 |
|||
Теплый пол (4 м2) | Табл. 2.4 п. 19 |
|||
Вентилятор | По паспортным данным |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Душ с электроподогревом | Табл. 2.4 п. 12 |
|||
Теплый пол (4 м2) | Табл. 2.4 п. 19 |
|||
Вентилятор | По паспортным данным |
|||
Стиральная машина | Табл. 2.4 п. 8 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 5 |
|||
2 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Гостиная | Электрокамин | Табл. 2.4 п. 16 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Домашний кинотеатр | По паспортным данным |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 1 |
|||
10 розеток на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Спальня 1 | Теплый пол (12 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 2 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Спальня 2 | Теплый пол (10 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 2 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Детская комната | Теплый пол (20 м2) | Табл. 2.4 п. 18 |
||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Персональный компьютер | Табл. 2.4 п. 26 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 3 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
Кондиционер | Табл. 2.4 п. 15 |
|||
Персональный компьютер | Табл. 2.4 п. 26 |
|||
Электрическое освещение | Табл. 2.4 п. 3 |
|||
4 розетки на ток 6 А | Табл. 2.4 п. 6 |
|||
В практических случаях, для ряда потребителей, таких как электроприемники розеточной сети и электрическое освещение коэффициент использования совпадает с коэффициентом одновременности Ко для этой группы потребителей.
Исходные данные:
Квартира общей площадью 200 м2 в многоквартирном доме. В квартире 5 комнат, кухня,
2 ванные комнаты, холл и коридоры. В табл. 2.5 приведены исходные данные по установленному бытовому электрооборудованию. Все потребители, за исключением электроплиты - однофазные.
Расчет нагрузок.
На основании данных табл. 2.5 составляем расчетную таблицу табл. 2.6, в которую включены расчетные коэффициенты спроса и использования, принятые по табл. 2.4.
Коэффициенты мощности приняты по данным, приведенным в §1.3.
В табл. 2.6 установленные мощности однотипных электроприемников (например, электрическое освещение, бытовая розеточная сеть, вентиляторы, теплые полы) просуммированы..
Таблица 2.6 Расчетная таблица к примеру №1
Наименование групп электропотребителей или отдельных электроприемников | Установленная (номинальная) мощность, кВт | Расчетные коэффициенты | Расчетная мощность | Примечание |
|||
спросаКс | использования Ки | мощности cosф/tgф | активная | полная |
|||
Электрическое освещение | Приняты везде лампы накаливания |
||||||
Бытовая розеточная сеть | |||||||
Электрическая плита | |||||||
Посудомоечная машина | |||||||
Холодильник | |||||||
Кухонный комбайн | |||||||
Кондиционеры | |||||||
Стиральная машина | |||||||
Теплые полы | |||||||
Душ с электроподогревом | |||||||
Вентиляторы | |||||||
Электрокамин | |||||||
Домашний кинотеатр | |||||||
Персональные компьютеры | |||||||
Расчетную активную мощность (кВт) каждой группы электроприемников определяют по формуле
Полная мощность каждой группы электроприемников, кВ*А:
Учитывая, что все нагрузки, кроме электроплиты, однофазные, а питающая сеть трехфазная, пренебрегая неравномерностью загрузки фаз, на вводе в квартиру получим расчетный ток:
Выбираем для установки на вводе в квартиру автоматический выключатель трехфазный, четырехполюсный на номинальный ток 63 А.
В табл. 2.7 и 2.8 приведены рекомендуемые величины мощностей электропотребителей элитных квартир, коттеджей и отдельных построек на приусадебных участках. Рекомендуемые величины определены на основании анализа большого количества проектов, выполненных за последние годы.
В табл. 2.7 и 2.8 под установленной мощностью подразумевается суммарная мощность потребителей, длительность включения которых обычно превышает 1 час. Потребители эпизодического пользования учтены в суммарной мощности розеточной сети. В расчетной мощности учтены снижающие коэффициенты для отдельных потребителей и общий коэффициент 0,8, учитывающий одновременную работу всех потребителей.
Общая площадь элитной квартиры, м2 | Плита | Примечание |
||
установленная | расчетная |
|||
Кухня, гостиная, спальня, детская, санузел, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, детская, 2 санузла, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, 2 санузла, джакузи, детская, библиотека, холл |
||||
Электрическая | ||||
Кухня, гостиная, 2 спальни, 2 санузла, джакузи, детская, библиотека, зимний сад, холл |
||||
Электрическая | ||||
Общая площадь коттеджа или отдельных построек на участке, м2 | Плита, обогрев | Примечание |
||
Установленная | Расчетная |
|||
Коттедж 150 | Электроотопление, водонагреватели, погружной насос, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Коттедж 250 | Электрокотел, водонагреватели, погружной насос, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Коттедж 300 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 400 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 500 | ||||
Электрическая | ||||
Коттедж 600 | ||||
Электрическая | ||||
Гостевой дом 100 | ||||
Электрическая | ||||
Дровяная | Электроотопление, водонагреватели, теплые полы |
|||
Электрическая | ||||
Гараж на два автомобиля 40 | ||||
Теплица с электроподогревом | ||||
Электрическое освещение территории и художественная подсветка | Площадь участка 0,2 га |
|||
2.2. Расчет токов короткого замыкания
Расчеты токов короткого замыкания (КЗ) выполняются для:
Выбора и проверки электрооборудования по электродинамической и термической стойкости;
Определения уставок и обеспечения селективности срабатывания защиты на вводах в квартиру или коттедж.
Это в первую очередь относится к выбору автоматических выключателей.
Основными документами, регламентирующими порядок расчета токов короткого замыкания, являются:
ГОСТ 28249-93 "Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ;
Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования - РД 153-34.0-20.527-98 РАО ЕЭС России, (2002 г.).
Различные методики расчетов токов КЗ достаточно подробно отражены в технической литературе. В настоящей работе, на основании опубликованных материалов, приведены только те данные, которые необходимы для расчетов токов КЗ при выполнении проектов электроснабжения элитного жилища, и, в первую очередь, для электроснабжения усадьб и коттеджей.
При расчетах токов КЗ в электроустановках до 1 кВ необходимо учитывать активные и индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутого контура, включая силовые трансформаторы, трансформаторы тока, реакторы, токовые катушки автоматических выключателей и проводники. Необходимо также учитывать:
Изменение активного сопротивления проводников в короткозамкнутой цепи вследствие их нагрева при коротком замыкании;
Сопротивление электрической дуги в месте короткого замыкания.
При составлении эквивалентных схем замещения параметры элементов исходной расчетной схемы следует приводить к ступени напряжения сети, на которой находится точка КЗ.
При расчетах токов КЗ допускается:
Максимально упрощать всю внешнюю сеть по отношению к месту КЗ, представив ее системой бесконечной мощности с нулевым сопротивлением;
Принимать коэффициенты трансформации трансформаторов равными отношению средних номинальных напряжений тех ступеней напряжения, которые связывают трансформаторы. Значения средних номинальных напряжений: 10,5; 6,3; 0,4; 0,23 кВ.
В электроустановках, получающих питание непосредственно от сети энергосистемы, принято считать, что понижающие трансформаторы подключены к источнику неизменного по амплитуде напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление системы. Значение этого сопротивления (хс), приведенное к ступени низшего напряжения сети, рассчитываются по формуле (мОм)
где Uср.н.н - среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, В;
Uсрв.н - среднее номинальное напряжение сети, к которой подключена обмотка высшего напряжения трансформатора, В;
Iкв.н = In0.в.н - действующее значение периодической составляющей тока при трехфазном КЗ у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, кА;
Sк - условная мощность короткого замыкания у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, МВ^А.
При отсутствии указанных данных эквивалентное индуктивное сопротивление системы допускается рассчитывать по формуле (мОм):
где Iот.ном - номинальный ток отключения выключателя, установленного на стороне высшего напряжения понижающего трансформатора, кА.
В случаях, когда понижающий трансформатор подключен к сети энергосистемы через реактор, воздушную или кабельную линию (длиной более 1 км), необходимо учитывать не только индуктивные, но и активные сопротивления этих элементов.
Расчеты токов КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ рекомендуется производить в именованных единицах.
Активное и индуктивное сопротивления понижающего трансформатора (RT, XT) приведенное к ступени низшего напряжения сети, рассчитывается по формулам, мОм:
где Sт.ном - номинальная мощность трансформатора, кВ*А; Рк.з - потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт; Uн.н.ном - номинальное напряжение обмотки низшего напряжения трансформатора, кВ; Uк - напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
В табл. 2.9 приведены активные и индуктивные сопротивления трансформаторов, приведенные к напряжению 0,4 кВ.
Таблица 2.9 Сопротивление понижающих трансформаторов с вторичным напряжением 0,4 кВ
Номинальная мощность, | соединения | Напряжение короткого замыкания | Сопротивления, мОм |
||||||||
прямой последовательности | нулевой последовательности | току однофазного КЗ |
|||||||||
активное | индуктивное | активное | индуктивное | активное | индуктивное | ||||||
где R0ш и Х0ш - удельное активное и реактивное сопротивление шинопровода, Ом/м;
lш - длина шинопровода, м.
Сопротивления комплектных шинопроводов заводского изготовления типов ШРА и ШМА приведены в табл.2.10.
Таблица 2.10 Значения сопротивлений комплектных шинопроводов
шинопровода | Номинальный ток, А | Сопротивление фазы, мОм/м | Сопротивление нулевого проводника, мОм/м |
||
активное | индуктивное | активное | индуктивное |
||
При отсутствии данных сопротивление шинопровода от трансформатора к автоматическому выключателю можно принять ориентировочно: Rш = 0,5 мОм, Хш = 0,25 мОм.
Активное и индуктивное сопротивления воздушных линий (ВЛ):
Активное сопротивление (Ом)
где р - удельное сопротивление материала провода, для меди р = 0,0178 Ом*мм2/м, для алюминия р = 0,0294.
l - длина линии, м;
S - сечение провода, мм2.
Индуктивное сопротивление на фазу (мОм/м) определяется по формуле:
где а - расстояние между проводниками, мм;
dпp - диаметр проводника, мм.
Активное и индуктивное сопротивления кабелей с алюминиевыми и медными жилами приведены в табл. 2.11-2.14, воздушных линий - в табл. 2.15.
Индуктивное сопротивление петли фаза-нуль (мОм/м) при фазном и нулевом проводниках выполненных из круглых проводов одинакового сечения и проложенных параллельно, определяется по формуле:
Сопротивления петли фаза-нуль без учета заземляющих устройств приведены в табл. 2.16, полные сопротивления петли фаза-нуль воздушных линий и кабелей приведены в табл. 2.17.
Активные и индуктивные сопротивления аппаратов, устанавливаемых в сетях напряжением до 1 кВ приведены в табл. 2.18 и 2.19. Приведенные значения сопротивлений автоматических выключателей включают в себя сопротивления токовых катушек расцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов.
Таблица 2.11 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в непроводящей оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в непроводящей оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Следует учитывать, что каждый автомат включается в цепь последовательно через два разъемных контакта. Для приближенного учета переходного сопротивления электрических контактов принимают: Rк = 0,1 мОм - для контактных соединений кабелей; Rк = 0,01 мОм - для шинопроводов; Rк - 1,0 мОм - для коммутационных аппаратов.
Ниже приведены переходные активные сопротивления неподвижных контактных соединений, мОм:
Таблица 2.12 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в алюминиевой оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в алюминиевой оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Таблица 2.13 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с алюминиевыми жилами в свинцовой оболочке
Сечение кабеля, | Сопротивление трех и четырехжильного кабеля в свинцовой оболочке, мОм/м |
|||
Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
|||
Таблица 2.14 Активные и индуктивные сопротивления кабеля с медными жилами в стальной оболочке
Сечение кабеля, | Прямая последовательность | Нулевая последовательность |
||
При расчетах токов КЗ учитываются активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток всех многовитковых измерительных трансформаторов тока (Кт.а, Хта), которые имеются в цепи КЗ. Параметры некоторых многовитковых трансформаторов тока приведены в табл. 2.19. Активным и индуктивным сопротивлением одновитковых трансформаторов (на токи более 500 А) при расчетах токов КЗ можно пренебречь.
Активное сопротивление дуги приведено в табл. 2.20.
Рассмотрим принципы расчета токов трехфазного и однофазного короткого замыкания. Под трехфазным КЗ подразумевается короткое замыкание между тремя фазами в электрической системе. Под однофазным КЗ подразумевается короткое замыкание на землю силовых элементов в трехфазной электрической системе с глухозаземленной нейтралью, при котором с землей соединяется только одна фаза.
Расчет токов трехфазного КЗ заключается в определении:
Начального действующего значения периодической составляющей тока КЗ;
Апериодической составляющей тока КЗ в начальный и произвольный момент времени;
Ударного тока КЗ.
При питании потребителя от энергосистемы через понижающий трансформатор начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (7к0) без учета подпитки от электродвигателей рассчитывается по формуле (кА)
где Uср.н.н - среднее номинальное напряжение сети, в которой произошло КЗ, В;
- полное сопротивление цепи КЗ, мОм;
х1кз - суммарное активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ, равные соответственно
где хc - эквивалентное индуктивное сопротивление системы до понижающего трансформатора, приведенное к ступени низшего напряжения, мОм;
гт и хт - активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности понижающего трансформатора, мОм;
rр и хр - активное и индуктивное сопротивления реакторов, мОм (по данным завода изготовителя);
rтт и хтт - активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформатора тока, Ом; гАВ и хАВ - активное и индуктивное сопротивления автоматических выключателей, мОм, ключая сопротивления токовых катушек расцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов;
гш и хш - активное и индуктивное сопротивления шинопроводов, мОм;
rк - суммарное активное сопротивление различных контактов, мОм;
гкб,гвл, и хкб, хвл - активные и индуктивные сопротивления кабельных и воздушных линий, мОм; rД - активное сопротивление дуги в месте КЗ, мОм.
Таблица 2.15 Активное и индуктивное сопротивление проводов воздушных линий и кабелей (на напряжение до 500 В)
Сопротивление, мОм/м |
|||||
активное | индуктивное |
||||
алюминий | провода, открыто проложенные | с поясной бумажной изоляцией | провода в трубах, кабели с резиновой и ПВХ изоляцией |
||
Таблица 2.16 Значения сопротивления петли фаза-нуль без учета заземляющих устройств
Сечение фазного провода, мм2 | Активное (числитель) и индуктивное (знаменатель) сопротивление петли, мОм, при сечении нулевого провода, мм2 |
||||
Таблица 2.17 Полные сопротивления петли фаза-нуль воздушных линий и кабелей, мОм/м
Сечение провода, мм2 | Кабель или провод | Провода на роликах и изоляторах | Провода воздушных линий |
||||
обратного | алюминиевый | алюминиевые | алюминиевые |
||||
Таблица 2.18 Сопротивления включения токовых катушек ресцепителей и переходные сопротивления подвижных контактов автоматических выключателей и разъемных контактов рубильников
Номинальный ток, А | Сопротивления автоматических выключателей при 65 С, мОм | Сопротивление разъемных контактов рубильников, мОм |
|
активное | индуктивное |
||
Таблица 2.19 Сопротивление первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока
Коэффициент трансформации трансформатора тока | Сопротивление, мОм, первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока класса точности |
|||
Таблица 2.20 Значении активного сопротивления дуги
Апериодическая составляющая тока КЗ равна амплитуде периодической составляющей тока в начальный момент КЗ, т.е.:
Апериодическая составляющая тока КЗ в произвольный момент времени определяется по формуле:
где t - время, с;
Та - постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с, равная
где ХЕ и RE - результирующие индуктивное и активное сопротивления цепи КЗ, мОм; юс - синхронная угловая частота напряжение сети, рад/с.
Ударный ток трехфазного КЗ в электроустановках с одним источником энергии (энергосистема или автономный источник) рассчитываются по формуле:
где 
- ударный коэффициент, определяемый по кривым, приведенным на
Рис. 2.1
Та - постоянная времени затухания
апериодической составляющей тока КЗ;
Пример расчета трехфазного КЗ
Определить ток КЗ на вводе в дом (коттедж).
Поселок питается от распределительного пункта (РП) энергосистемы по ВЛ-10 кВ через трансформатор 10/0,4 кВ, мощностью 400 кВ*А.
Электроснабжение коттеджа осуществляется кабельной линией 0,4 кВ длиной 300 м.
Кабель с медными жилами сечением 4х50 мм2 (рис. 2.2).
Мощность КЗ на шинах РП-10 Sк.з=200 МВ*А.
Расчетная схема и схема замещения представлены на рис. 2.3.
Учитывая, что длина линии 10 кВ от РП 10 кВ системы до трансформаторной подстанции менее 1 км, то в соответствии с ГОСТ 28249-93 в расчетах токов КЗ линия может не учитывается.
Рис. 2.2
Рис. 2.3
Определение сопротивлений схемы замещения
Сопротивление системы:
Сопротивление трансформатора 400 кВА (табл. 2.9):
Переходное сопротивление электрических контактов (см. ГОСТ 28249-93 п.2.5), Rк = 0,1 мОм;
Сопротивление автоматических выключателей (табл. 2.18)
Сопротивление трансформатора тока 300/5А 1 (см. табл. 2.19)
Сопротивление КЛ-0,4 кВ, сечением 4x50, длиной 300 м (табл. 2.14)
Сопротивление контура КЗ:
активное:
реактивное:
Полное сопротивление цепи КЗ:
Начальное значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ:
Апериодическая составляющая тока КЗ в начальный момент КЗ:
где Iа0 - наибольшее начальное значение апериодической составляющей тока КЗ.
Апериодическая составляющая в произвольный момент времени t рассчитывается по формуле:
где t - время, с
Та- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ;
в нашем случае
апериодическая составляющая затухает примерно через 0,002 с и ее можно не учитывать.
Ударный ток КЗ:
где куд. = 1 - по кривой на рис. 2.1 из соотношения
Расчет токов однофазных коротких замыканий в сетях до 1 кВ выполняется для обеспечения надежной работы защиты при минимальных значениях тока КЗ в конце защищаемой линии.
Расчетная точка однофазного КЗ - электрически наиболее удаленная точка участка сети, защищаемая выключателем.
В соответствии с требованиями "Правил устройства электроустановок” (ПУЭ) для надежного отключения поврежденного участка сети наименьший расчетный ток короткого замыкания должен превышать номинальный ток плавкой вставки или номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, защищающего этот участок сети, с обратнозависимой от тока характеристикой не менее чем в 3 раза.
Если автоматический выключатель имеет только мгновенно действующий расцепитель (отсечку), то наименьший расчетный ток короткого замыкания должен превышать уставку отсечки не менее чем в 1,4 раза.
По сравнению с расчетом токов трехфазных КЗ, расчет токов однофазных КЗ является более сложным, т.к. в этом случае помимо учета сопротивления в прямой цепи короткого замыкания (в фазе) необходим учет сопротивления и в цепи зануления (в обратной цепи). Когда для зануления используются стальные трубы, обрамления кабельных каналов и другие строительные конструкции, в решении вопроса о сопротивлении цепи короткого замыкания появляется много неопределенностей.
Кроме того, однофазные короткие замыкания относятся к несимметричным, что вносит в расчет дополнительные сложности.
Расчет токов однофазных КЗ можно выполнять методом симметричных составляющих или по сопротивлению петли фаза-нуль.
Метод симметричных составляющих предложен для упрощения расчетов несимметричных КЗ. Сущность этого метода состоит в замене несимметричной системы токов трехфазной сети при однофазном коротком замыкании тремя симметричными системами: прямой, обратной и нулевой последовательности. Симметричные системы являются достаточно простыми для теоретического расчета. При практическом использовании этого метода часто возникают затруднения из-за отсутствия справочных материалов по сопротивлениям нулевой последовательности для принятого варианта выполнения цепи зануления.
При расчете токов однофазного КЗ по сопротивлению петли фаза-нуль используется закон Ома, но встречаются те же затруднения с исходными данными.
Оба метода должны давать один и тот же результат и теоретически могут быть выведены один из другого. Точность расчета определяется только точность исходных данных.
В ГОСТ 28249-93 в основу расчета токов однофазных КЗ положен метод симметричных составляющих, который более подробно рассматривается ниже.
Расчет однофазного КЗ методом симметричных составляющих производят по формуле:
где I1 - действующее значение периодической составляющей тока однофазного КЗ, кА;
Uл - среднее номинальное (линейное) напряжение сети, В;
R1E - суммарное активное сопротивление фазной цепи короткого замыкания (сопротивление прямой последовательности), мОм;
R0E - суммарное активное сопротивление цепи КЗ для тока нулевой последовательности (сопротивление нулевой последовательности), мОм;
Х1E - суммарное индуктивное сопротивление фазной цепи короткого замыкания (сопротивление прямой последовательности), мОм;
Х0E - суммарное индуктивное сопротивление цепи КЗ для тока нулевой последовательности (сопротивление нулевой последовательности), мОм.
Сопротивления обратной последовательности равны сопротивлениям прямой последовательности и в приведенной формуле учитываются коэффициентом 2 перед R1E и Х1Е.
Суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления фазной цепи короткого замыкания определяются по формулам:
где r1Т и Х1Т - сопротивления прямой последовательности понижающего трансформатора, мОм;
r1Л и Х1Л - сопротивления прямой последовательности линии (фазного проводника), мОм;
rТТ и ХТТ - сопротивления первичных обмоток трансформаторов тока, мОм;
rА и ХА - сопротивления автоматических выключателей, мОм;
rК - суммарное активное сопротивление различных контактов в фазной цепи КЗ, мОм;
rД - активное сопротивление электрической дуги в месте КЗ, мОм.
Суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления цепи КЗ для тока нулевой последовательности определяются по формулам:
где r0Т и Х0Т - сопротивления нулевой последовательности понижающего трансформатора, мОм; r0Л и Х0Л - сопротивление нулевой последовательности линии (сопротивления шинопроводов, проводов, кабелей с учетом цепи зануления), мОм;
rТТ, ХТТ, rА, ХА, rК и rД - сопротивления фазной цепи КЗ, мОм.
Сопротивление нулевой последовательности линии равно сопротивлению фазного проводника плюс утроенное сопротивление цепи зануления:
где rН и ХН - эквивалентные сопротивления цепи зануления (нуля) от точки КЗ до трансформатора с учетом всех зануляющих элементов (нулевого провода, оболочки кабеля, стальных труб и т.д.), мОм.
Увеличение в 3 раза сопротивления цепи зануления для тока нулевой последовательности поврежденной фазы вызвано тем, что в соответствии с методом симметричных составляющих через цепь зануления замыкаются равные по значению токи нулевой последовательности всех трех фаз. Таким образом:
При определении минимальных значений токов однофазных КЗ для проверки чувствительности защиты рекомендуется учитывать увеличение активного сопротивления проводников в результате нагревания их током короткого замыкания. Для этого сопротивления проводников сечением до 16 мм2 (включительно) рекомендуется приводить к температуре 1200С, сопротивления проводников сечением 25-95 мм2 - к температуре 1450С, сопротивления проводников сечением 120-140 мм2 - к температуре 950С. Такие (ориентировочные) значения температуры проводников в конце КЗ получены в результате расчетов с учетом реальных время-токовых характеристик аппаратов защиты и при условии адиабатического процесса нагрева жил проводников. Государственным стандартом ГОСТ 2824+-89 допускается принимать для всех сечений значение температурного коэффициента электрического сопротивления равным 1,5, что соответствует температуре 1450С. Но проводники крупных сечений до такой температуры за время КЗ практически не нагреваются.
Температурный коэффициент для приведения сопротивления проводника при 200С к сопротивлению при конечной температуре вычисляется по формуле:
где Oкон. - температура жилы проводника в конце КЗ, 0С.
Сопротивление проводника при конечной температуре
где r20 - сопротивление проводника при температуре 20 0С.
Пример расчета тока однофазного КЗ.
Для схемы по рис. 2.2 определить ток однофазного КЗ на вводе в коттедж.
Расчет проводим методом симметричных составляющих.
При питании электроустановки от системы через понижающий трансформатор начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ рассчитывается по формуле (кА):
где r1E , х1E - активное и индуктивное суммарные сопротивления прямой последовательности относительно точки КЗ. В нашем случае (см. расчет трехфазного КЗ) - r1E =137,5 мОм, X1Е =45,4 мОм;
r0E , XOE. - активное и индуктивное суммарные сопротивления нулевой последовательности относительно точки КЗ.
Эти сопротивления равны:
где r0Т, X0Т - активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности понижающего трансформатора;
rТТ, XТТ - активное и индуктивное сопротивления трансформатора тока;
rкв, ХКВ - активное и индуктивное сопротивления автоматических выключателей;
гК - сопротивление контактов.
Для рассматриваемого примера:
По табл. 2.9 сопротивления нулевой последовательности трансформатора 400 кВА составляют: Х0Т = 149 мОм, r0Т = 55,6 мОм.
где r’0 и x’0 - активное и индуктивное сопротивления 1 м медного кабеля сечением 4x50 мм2 (табл. 2.14);
Таким образом:
Сегодня хочу вашему вниманию представить методику расчета токов короткого замыкания. Самое главное без всякой воды и каждый из вас сможет ей воспользоваться, приложив минимум усилий, а некоторые из вас получат и мою очередную программу, с которой считать будет еще проще.
Это уже вторая статья, посвященная токам короткого замыкания. я обратил ваше внимание на защиту протяженных электрических сетей и то, что в таких сетях, порой, не так просто подобрать защиту от токов короткого замыкания. Для того и проектировщик, чтобы решать подобные вопросы.
Теорию по расчету токов короткого замыкания можно найти в следующих документах:
1 ГОСТ 28249-93 (Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ).
2 РД 153-34.0-20.527-98 (Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору элетрооборудования).
3 А.В. Беляев (Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4кВ).
В интернете я не нашел, где все четко было бы расписано от «А» до «Я».
Думаю вы со мной согласитесь, что токи короткого замыкания не так просто рассчитать, поскольку проектировщик не всегда досконально владеет всей необходимой информацией. Данный метод расчета является упрощенным, т.к. в нем не учитываются сопротивления контактов автоматических выключателей, предохранителей, шин, трансформаторов тока.
Возможно, позже все эти сопротивления я учту, но, на мой взгляд, эти значения на конечный результат влияют незначительно.
Последовательность расчета токов короткого замыкания.
1 Сбор исходных данных по трансформатору:
Uкз — напряжение короткого замыкания трансформатора, %;
Рк — потери короткого замыкания трансформатора, кВт;
Uвн – номинальное напряжение обмоток ВН понижающего трансформатора; кВ;
Uнн (Ел) – номинальное напряжение обмоток НН понижающего трансформатора; В;
Еф – фазное напряжение обмоток НН понижающего трансформатора; В;
Sнт – номинальная мощность трансформатора, кВА;
Zт – полное сопротивление понижающего трансформатора током однофазного к.з., мОм;
Активные и индуктивные сопротивления трансформаторов 6 (10)/0,4кВ, мОм
2 Сбор исходных данных по питающей линии:
Тип, сечение кабеля, количество кабелей;
L – длина линии, м;
Хо – индуктивное сопротивление линии, мОм/м;
Zпт – полное сопротивление петли фаза-ноль от трансформатора до точки к.з., измеренное при испытаниях или найденное из расчета, мОм/м;
3 Другие данные.
Куд – ударный коэффициент.
После сбора исходных можно приступить непосредственно к вычислениям.
Активное сопротивление понижающего трансформатора, мОм:
Активное сопротивление трансформатора
Индуктивное сопротивление понижающего трансформатора, мОм:
Активное сопротивление питающей линии, мОм:
R к = R уд.к* l / N к
Индуктивное сопротивление питающей линии, мОм:
Х к =Худ.к* l / Nк
Полное активное сопротивление, мОм:
R Σ = R т +R к
Полное индуктивное сопротивление, мОм:
X Σ =X т +X к
Полное сопротивление, мОм:
Ток трехфазного короткого замыкания, кА:
Ударный ток трехфазного к.з., кА:
Ток однофазного короткого замыкания, кА:
Zпт=Zпт.уд.* L
Рассчитав токи короткого замыкания, можно приступать к выбору защитных аппаратов.
По такому принципу я сделал свою новую программу для расчета токов короткого замыкания. При помощи программы все расчеты можно выполнить значительно быстрее и с минимальным риском допущения ошибки, которые могут возникнуть при ручном расчете. Пока это все-таки beta-версия, но тем не менее думаю вполне рабочий вариант программы.
Внешний вид программы:
Ниже в программе идут все необходимые таблицы для выбора нужных параметров трансформатора и питающей линии.
Также в месте с программой я прилагаю образец своего расчета, чтобы быстро можно было оформить расчет и предоставить всем заинтересованным органам.
Стоит заметить, что у меня появилась еще одна мелкая программа – интерполяция. Удобно, например, находить удельную нагрузку квартир при заданных значениях.
Жду ваших отзывов, пожеланий, предложений, уточнений.
Продолжение следует... будет еще
Нужно ли учитывать сопротивления коммутационных аппаратов при расчете к.з.?
Короткое замыкание происходит, когда токоведущие части различных потенциалов или фаз, соединяются между собой. Замыкание может образоваться и на корпусе оборудования, имеющем связь с землей. Данное явление характерно также для электрических сетей и электрических приемников.
Причины и действие тока короткого замыкания
Причины возникновения короткого замыкания могут быть самыми различными. Этому способствует влажная или агрессивная среда, в которой значительно ухудшается . Замыкание может стать результатом механических воздействий или ошибок персонала во время ремонта и обслуживания.
Суть явления заключается в его названии и представляет собой укорачивание пути, по которому проходит ток. В результате, ток протекает мимо нагрузки, обладающей сопротивлением. Одновременно, происходит его увеличение до недопустимых пределов, если не сработает защитное отключение.
Однако, отключение напряжения может не случиться даже если присутствуют защитные средства. Такая ситуация складывается, когда место короткого замыкания сильно удалено и значительное сопротивление делает ток недостаточным для срабатывания защитных устройств. Тем не менее, этого тока вполне хватает для возгорания проводов и возникновения пожара.
В таких ситуациях большое значение имеют так называемые времятоковые характеристики, свойственные автоматическим выключателям. Здесь большую роль играет отсечка тока и тепловые расцепители, защищающие от перегрузок. У этих систем совершенно разное время срабатывания, поэтому, медленное действие тепловой защиты может привести к образованию горящей дуги и повреждению проводников, расположенных рядом.
Токи короткого замыкания оказывают на аппаратуру и электроустановки электродинамическое и термическое воздействие, что в конечном итоге, приводит к их значительной деформации и перегреву. В связи с этим, необходимо заранее производить расчеты токов короткого замыкания.
Как рассчитать ток короткого замыкания по формуле
Расчет данных токов, как правило, производится в случае необходимости проверки работы оборудования в экстремальных ситуациях. Основной целью является определение пригодности защитных автоматических устройств. Для того, чтобы правильно рассчитать ток короткого замыкания прежде всего, необходимо точно знать металл, из которого изготовлен проводник. Для расчетов также потребуется длина провода и его сечение.
Для определения удельного сопротивления необходимо знать показатель активного сопротивления Rп, значение которого состоит из удельного сопротивления провода, умножаемого на его длину. Значение индуктивного сопротивления Хп рассчитывается по показателю удельного индуктивного сопротивления, принимаемого, как 0,6 Ом/км.
Показатель Zt является полным сопротивлением фазной обмотки, установленной в трансформаторе со стороны низкого напряжения. Таким образом, своевременные предварительные расчеты помогут избежать серьезных повреждений электрооборудования, вызванных коротким замыканием.
Расчеты дают возможность точно определить, какой автоматический выключатель обеспечит наиболее эффективную защиту от замыканий. Однако, все необходимые измерения можно произвести с помощью специального прибора, который как раз и предназначен для определения этих величин. Для проведения замера, прибор подключается к сети и переводится в необходимый режим.
Защита сети от короткого замыкания
Короткое замыкание между проводниками является опаснейшим явлением, как в электрической сети частного домовладения, так и в сложных разводках подстанций и питающих цепей мощного производственного оборудования. Короткое замыкание может стать причиной пожара и выхода из строя дорогостоящих электроприборов, поэтому расчёт токов короткого замыкания, является обязательным этапом перед осуществлением прокладки кабелей для различных потребителей электричества.
Кто занимается вычислением КЗ
Расчёт КЗ, производится квалифицированными специалистами, которые не только производят необходимые вычисления, но и несут ответственность за дальнейшую эксплуатацию электрического оборудования. Домашние электрики также могут осуществить данные вычисления, но только при наличии начальных знаний о природе электричества, свойствах проводников и о роли диэлектриков, в их надёжной изоляции друг от друга. При этом, полученный результат значения короткого замыкания, перед проведением электротехнических работ, необходимо перепроверить самостоятельно, либо воспользоваться услугами специализированных фирм, которые осуществляют данные вычисления на платной основе. Как рассчитать ток короткого замыкания используя специальные формулы, будет подробно описано далее.
Особенности расчёта
Расчёт токов трёхфазного оборудования производится с применением специальных формул.
Если расчёт тока трёхфазного короткого замыкания, необходимо сделать для электрических сетей напряжением до 1000 В, то необходимо учитывать следующие нюансы при проведении расчётов:
- Трёхфазная система должна считаться симметричной.
- Питание трансформатора принимается за неизменяемую величину, равную его номинальному значению.
- Момент возникновения КЗ принято считать при максимальном значении силы тока.
- ЭДС источников питания, удалённых на значительное расстояния от участка электрической сети, где происходит КЗ.
Также при вычислении параметров КЗ необходимо правильно посчитать результирующее сопротивление проводника, но делать это необходимо через приведение единого значения мощности. Если производить расчёт сопротивления стандартными формулами известными из курса физики, то можно допустить ошибки, по причине неодинакового номинального напряжения в момент возникновения короткого замыкания для различных участков электрической цепи. Выбор такой базисной мощности позволяет значительно упростить расчёты, и значительно повысить их точность.
Напряжение, при вычислении тока короткого замыкания также принято выбирать не исходя из номинального значения, а с превышением данного показателя на 5%. Например для электрической сети 380 В, базисное напряжение для расчёта токов короткого замыкания составит 0,4 кВ.
Для сети переменного тока наприряжением 220 В, базисное напряжение будет равно 231 В.
Формулы вычисления трёхфазного замыкания
Расчёт токов коротких замыканий в электроэнергетических системах трёхфазного электричества производится с учётом особенности возникновения данного процесса.
Из-за проявления индуктивности проводника, в котором происходит короткое замыкание, сила КЗ изменяется не мгновенно, а происходит нарастание данной величины по определённым законам. Чтобы методика расчёта токов короткого замыкания позволила произвести высокоточные вычисления, необходимо высчитать все основные величины вносимые в расчётные формулы.
Часто для этой цели требуется воспользоваться дополнительными формулами или специальным программным обеспечением. Современные возможности вычислительной техники, позволяют осуществлять сложнейшие операций в считанные секунды. Методы расчёта токов короткого замыкания могут быть расширены применением специального программного обеспечения. В данном случае, может быть использована компьютерная программа, которая может быть написана любым квалифицированным программистом.
Если вычисление параметров КЗ в трёхфазной сети осуществляется вручную, то в для получения точного результата этого значения применяется формула:
где:
Хвн — сопротивление между точкой короткого замыкания и шинами.
Хсист — сопротивление всей системы по отношению к шинам источника.
Uс — напряжение на шинах системы.
Если какой-либо показатель отсутствует при проведении расчётов, то его можно высчитать применив для этого дополнительные формулы, или следует применить специальные программы для компьютера.
В том случае, когда расчёт КЗ, необходимо произвести для сложной разветвлённой сети, производится преобразование схемы замещения. Для максимально упрощения вычислений схема представляется с одним сопротивлением и источником электричества.
Для упрощения схемы необходимо:
- Сложить все показатели параллельно подключённого сопротивления электрических цепей.
- Сложить последовательно подключённые сопротивления.
- Вычислить результирующее сопротивлению, путём сложения всех параллельно и последовательно подключённых сопротивлений.
Расчёт однофазной сети
Расчет токов коротких замыканий в электроэнергетических системах однофазного напряжения допускает проведение упрощённых вычислений. Обычно, электроприборы тока однофазного не потребляют много электричества, и для надёжной защиты квартиры или дома от возникновения короткого замыкания, достаточно установить автоматический выключатель рассчитанный на величину срабатывания, равную 25 А. Если требуется
осуществить приблизительный расчёт однофазного короткого замыкания, то его производят по формуле:
где
Uf — напряжение фазы.
Zt — сопротивление трансформатора, при возникновении КЗ.
Zc — сопротивление между фазным и нулевым проводником.
Ik — однофазный ток короткого замыкания.
Вычисление параметров КЗ в однофазной цепи с использованием данной формулы производится с погрешностью до 10%, но в большинстве случаев этого достаточно для осуществления правильной защиты электрической сети. Основным затруднением для получения данных рассчитанных по этой формуле, является сложность в получении значения Zc. Если параметры проводника известны и переходные сопротивления также определены, то сопротивление между фазным и нулевым проводником рассчитывается по формуле:
где:
rf — активное сопротивление фазного провода, Ом;
rn — активное сопротивление нулевого провода, Ом;
ra — суммарное активное сопротивление контактов цепи фаза-нуль, Ом;
xf» — внутреннее индуктивное сопротивление фазного провода, Ом;
xn» — внутреннее индуктивное сопротивление нулевого провода, Ом;
x’ — внешнее индуктивное сопротивление цепи фаза-нуль, Ом.
Таким образом подставляя известные значения в формулы приведённые выше, легко найдём ток короткого замыкания для однофазной сети.
Вычисление параметров КЗ в однофазной сети осуществляется в такой последовательности:
- Выяснится параметры питающего трансформатора или реактора.
- Определяются параметры используемого проводника.
- Если электрическая схема слишком разветвлена, то её следует упростить.
- Определяется полное сопротивление можду «фазой» и «0».
- Вычисляется полное сопротивление трансформатора или реактора, если данное значение нельзя получить из документации к источнику питания.
- Значения подставляются в формулу.
Если вся последовательность действий была проведена верно, то таким образом можно рассчитать силу тока при возникновении КЗ в однофазной сети.
Вычисление КЗ по паспортным данным
Значительно упрощается задача по расчёту КЗ, если имеются паспортные данные реактора или трансформатора. В этом случае достаточно номинальные значения электричества и напряжения подставить в расчётные формулы, чтобы получить значение тока КЗ.
Сила и мощность КЗ могут быть определены по следующим формулам:
В данной формуле значение Iном равно номинальному току электрического трансформатора или реактора.
Определение тока КЗ в сети неограниченной мощности
В таких условиях мощность электричества будет равна бесконечности, а сопротивление проводника — нулю. Данные условия могут быть применены только к таким расчётным условиям, когда точка короткого замыкания удалена на значительное расстояние от источника электричества, а результирующее сопротивление цепи в десятки раз превышает сопротивление системы.
Для электрической сети неограниченной мощности сила электрической напряжённости рассчитывается по формуле:
Ik=Ib/Xрез
где:
Ik — сила тока короткого замыкания;
Ib — базисный ток;
Хрез — результирующее напряжения сети.
Подставив значение в формулу можно получить значение параметров КЗ в сети неограниченной мощности.
Руководящие указания по расчёту токов короткого замыкания, изложенные в данной статье, содержат основные принципы, по которым определяется сила тока в проводнике в момент образования этого опасного явления. Если возникает сложность в проведении данных расчётов самостоятельно, то можно воспользоваться услугами профессиональных инженеров-электриков, которые проведут все необходимые вычисления. Расчёт токов короткого замыкания и выбор электрооборудования по совету профессионалов позволит гарантировать бесперебойное и безопасное использование электрических сетей в частном доме или на производстве.
