Бесплатная консультация юриста

+7 (800) 301-07-30

Реклама jurik.ru

Общие положения

Короткое замыкание (КЗ) — это непредусмотренное нормальными условиями эксплуатации электрическое соединение точек электроустановки‚ имеющих различные потенциалы. Расчет токов короткого замыкания является одной из важнейших задач при проектировании и эксплуатации электроустановок‚ поскольку от его результатов зависят:

выбор и проверка электрических аппаратов (автоматических выключателей‚ предохранителей‚ контакторов);
проверка кабелей и проводов на термическую стойкость;
проверка шинопроводов и токоведущих частей на электродинамическую стойкость;
настройка устройств релейной защиты и автоматики;
проверка условий срабатывания защиты при однофазных КЗ в сетях до 1 кВ;
расчет заземляющих устройств.

Для электроустановок характерны четыре режима работы: нормальный‚ аварийный‚ послеаварийный и ремонтный. Режим короткого замыкания относится к аварийным режимам и является наиболее тяжелым из них.

Виды коротких замыканий

В трехфазных электроустановках различают следующие виды КЗ:

Трехфазное КЗ — замыкание между тремя фазами. Является симметричным и‚ как правило‚ дает наибольшие значения тока. Именно этот вид КЗ используется для проверки аппаратов на отключающую способность и электродинамическую стойкость.
Двухфазное КЗ — замыкание между двумя фазами без земли.
Однофазное КЗ — замыкание фазы на землю (или на нулевой проводник). Наиболее частый вид повреждений в сетях до 1 кВ.
Двухфазное КЗ на землю — замыкание двух фаз между собой и с землей.

Нормативная база

Расчеты токов КЗ выполняются в соответствии со следующими документами:

ГОСТ 28249-93 — «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ»;
ГОСТ Р 50571.4.43 — требования по защите от сверхтоков;
ПУЭ (главы 1.4 и 7.1) — правила устройства электроустановок;
ГОСТ Р 52735-2007, методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ;

Согласно пункту 13.1 нормативных требований‚ ВРУ и ГРЩ должны проверяться по режиму короткого замыкания в соответствии с требованиями ПУЭ и ГОСТ Р 50571.4.43. В линиях питания должны быть предусмотрены аппараты защиты‚ селективно отключающие поврежденный участок.

Расчет тока трехфазного короткого замыкания

Трехфазное КЗ является симметричным‚ поэтому расчет ведется по одной фазе. Начальное значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ определяется по формуле:

I_к⁽³⁾ = U_ср / (√3 · Z_к)

где:

U_ср, среднее линейное напряжение сети‚ В;
Z_к — полное сопротивление цепи короткого замыкания‚ Ом.

Полное сопротивление цепи КЗ складывается из сопротивлений всех элементов:

Z_к = √(R_к² + X_к²)

где R_к и X_к — суммарные активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности до точки КЗ‚ включающие:

сопротивление питающей системы;
сопротивление силового трансформатора;
сопротивление кабельных и воздушных линий;
сопротивление шинопроводов;
переходные сопротивления контактов и контактных соединений;
сопротивление первичных обмоток трансформаторов тока;
сопротивление токовых катушек автоматических выключателей.

Сопротивление трансформатора

Полное сопротивление понижающего трансформатора‚ приведенное к стороне низшего напряжения:

Z_т = (u_к% / 100) · (U_ном² / S_ном)

Активная составляющая определяется через потери короткого замыкания:

R_т = P_к · U_ном² / S_ном²

Индуктивная составляющая:

X_т = √(Z_т² − R_т²)

Сопротивление кабельных линий

Активное сопротивление кабеля:

R_кб = ρ · L / S

где ρ — удельное сопротивление материала жилы (для меди ≈ 0‚018 Ом·мм²/м‚ для алюминия ≈ 0‚030 Ом·мм²/м с учетом нагрева)‚ L — длина линии‚ S — сечение жилы.

Индуктивное сопротивление принимается по справочным данным (обычно 0‚06–0‚1 Ом/км для кабелей до 1 кВ).

Расчет тока однофазного короткого замыкания

В сетях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью ток однофазного КЗ определяется по формуле:

I_к⁽¹⁾ = U_ф / Z_ц

где:

U_ф — фазное напряжение сети (220 В для сети 0‚4 кВ);
Z_ц — полное сопротивление цепи «фаза — нуль» (петли фаза-нуль)‚ Ом.

Сопротивление петли «фаза — нуль» включает:

сопротивление трансформатора при однофазном КЗ (Z_т/3);
сумму активных и индуктивных сопротивлений фазного и нулевого (защитного) проводников;
переходные сопротивления контактов.

Расчет однофазного КЗ необходим для проверки условия надежного отключения поврежденного участка защитным аппаратом. Согласно ПУЭ‚ ток однофазного КЗ должен превышать:

номинальный ток плавкой вставки предохранителя — не менее чем в 3 раза;
ток уставки расцепителя автоматического выключателя с обратнозависимой характеристикой — не менее чем в 3 раза;
уставку электромагнитного расцепителя — с учетом коэффициента надежности (обычно 1‚25–1‚3).

Ударный ток короткого замыкания

Наибольшее мгновенное значение тока КЗ — ударный ток, определяется с учетом апериодической составляющей:

i_уд = √2 · k_уд · I_к⁽³⁾

где k_уд — ударный коэффициент‚ зависящий от соотношения X_к/R_к цепи (обычно принимается в диапазоне 1‚3–1‚8; для мощных трансформаторов и систем — до 1‚9).

Ударный ток используеться для проверки электродинамической стойкости аппаратов‚ шин и изоляторов.

Проверка электрооборудования по режиму КЗ

Проверка аппаратов защиты

Автоматические выключатели и предохранители проверяются по условиям:

номинальная отключающая способность должна быть не меньше максимального тока КЗ в месте установки: I_{откл.ном} ≥ I_к⁽³⁾;
надежное срабатывание при минимальном токе КЗ (в конце защищаемой линии).

Проверка кабелей на термическую стойкость

Минимальное термически стойкое сечение кабеля:

S_min = (√B_к) / C

где B_к — тепловой импульс тока КЗ‚ кА²·с; C — коэффициент‚ зависящий от материала жилы и изоляции (для медных кабелей с ПВХ-изоляцией ≈ 115–135 А·с^1/2/мм²).

Пример расчета

Рассмотрим упрощенный пример. Трансформатор 630 кВА‚ 10/0‚4 кВ‚ u_к = 5‚5 %. От шин 0‚4 кВ отходит кабель медный 3×95+1×50 длиной 80 м.

Сопротивление трансформатора: Z_т = (5‚5/100) · (400²/630000) ≈ 14 мОм.
Сопротивление кабеля: R_кб = 0‚018 · 80 / 95 ≈ 15‚2 мОм; X_кб ≈ 0‚08 · 0‚08 = 6‚4 мОм.
Суммарное сопротивление (с учетом системы и контактов) ≈ 25–30 мОм.
Ток трехфазного КЗ в конце линии: I_к⁽³⁾ = 400 / (1‚73 · 0‚028) ≈ 8‚3 кА.
Ток однофазного КЗ: I_к⁽¹⁾ = 220 / Z_ц, при Z_ц ≈ 0‚05 Ом составит ≈ 4‚4 кА.

Полученные значения сопоставляются с характеристиками выбранных аппаратов защиты.

Расчет токов короткого замыкания, обязательный этап проектирования электроустановок. Он обеспечивает правильный выбор аппаратов защиты‚ проверку термической и электродинамической стойкости оборудования‚ а также безопасность людей и надежность электроснабжения. При выполнении расчетов следует руководствоваться действующими нормативными документами (ГОСТ 28249-93‚ ПУЭ‚ ГОСТ Р 50571.4.43) и учитывать реальные параметры всех элементов сети — от питающей системы до самой удаленной точки электроустановки.