Для каких целей определяется значение тока короткого замыкания: что это такое, методика расчета

Содержание

что это такое, методика расчета

Ток короткого замыкания (short-circuit current) — это сверхток в электрической цепи при коротком замыкании (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013). В некоторой нормативной документации используется сокращение “ток КЗ”.

Харечко Ю.В. конкретизировал понятие “ток короткого замыкания” следующим образом [2]:

« Ток короткого замыкания представляет собой одну из разновидностей сверхтока. В отличие от тока перегрузки ток короткого замыкания обычно возникает в условиях повреждений, когда повреждается изоляция каких-либо проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами, и между ними возникает электрический контакт с пренебрежимо малым полным сопротивлением. В условиях повреждений также возможно замыкание частей, находящихся под напряжением, на открытые и сторонние проводящие части, которые в электроустановках зданий с типами заземления системы TN-S, TN-C-S и TN-C имеют электрическую связь с заземленной нейтралью источника питания. »

« Токи замыкания на землю в системах TN, протекающие по фазным проводникам и защитным или PEN-проводникам, будут сопоставимы с токами однофазных коротких замыканий, которые протекают по фазным проводникам и нейтральным или PEN-проводникам. »

Ток короткого замыкания может также возникнуть в нормальных условиях, когда отсутствуют повреждения, из-за ошибочного соединения проводящих частей с разными электрическими потенциалами, допущенного при монтаже и эксплуатации электроустановки здания. Если ошибочно выполнено электрическое соединение, например, фазного и нейтрального проводников какой-то электрической цепи, то при ее включении по обоим проводникам будет протекать ток однофазного короткого замыкания.

Особенности.

В своей книге [2] Харечко Ю.В. также отразил некоторые особенности, которые касаются понятия “ток короткого замыкания”:

« Величина тока короткого замыкания может многократно (на несколько порядков) превышать значение тока перегрузки и тем более значение номинального тока. Даже кратковременное его воздействие на какие-либо элементы электроустановки зданий может вызвать их механическое повреждение, перегрев, возгорание и, как следствие, явиться причиной пожара в здании. Поэтому электрооборудование в электроустановках зданий, прежде всего – проводники электрических цепей, должно быть надежно защищено от токов короткого замыкания с помощью устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей. »

« Токи короткого замыкания определяют при проектировании электроустановок зданий и учитывают при выборе характеристик электрооборудования. Максимальные токи короткого замыкания всегда соотносят с предельными сверхтоками, которые способны отключить коммутационные устройства и устройства защиты от сверхтока, а также могут пропустить через себя некоторые виды электрооборудования. Минимальные токи короткого замыкания используют для проверки способности устройств защиты от сверхтока выполнить их отключение в течение нормируемого или предпочтительного промежутка времени. »

О методике расчета токов короткого замыкания.

Методики расчета токов короткого замыкания изложены в ГОСТ 28249-93, в стандартах и технических отчетах комплекса МЭК 60909. ГОСТ 28249-93 распространяется на трехфазные электроустановки переменного тока напряжением до 1 кВ, присоединенные к энергосистеме или к автономным источникам электрической энергии. Стандарт устанавливает общую методику расчета токов симметричных и несимметричных коротких замыканий в начальный и произвольный моменты времени с учетом параметров синхронных и асинхронных машин, трансформаторов, реакторов, кабельных и воздушных линий электропередачи, а также шинопроводов.

Комплекс МЭК 60909 применяют для расчета токов короткого замыкания в низковольтных и высоковольтных электроустановках переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Однако, как указано в стандарте МЭК 60909-0, электрические системы с напряжением 550 кВ и более, имеющие протяженные линии электропередачи, требуют специального рассмотрения.

ГОСТ 30331.1-2013
Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 4// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2015. – № 6. – 160 c.;

Evgeny I. Zabudsky

4.2. Опыт короткого замыкания

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, приведенной на рис.1.7,
при замкнутой накоротко вторичной обмотке. U_1к=(5…10)%.

К трансформатору подводят пониженное напряжение U_1к=(5…10)% от номинального напряжения U_1фном, чтобы ток короткого замыкания I_1к был равен
или несколько превышал (не более, чем на 20%) номинальный ток первичной
обмотки. Затем, постепенно снижая автотрансформатором TV первичное напряжение, записывают показания приборов для 4…6 значений U_1к. При этом
одному из значений U_1к должно соответствовать значение тока I_1к=I_1ном. По результатам опытов, которые заносят в табл.1.2, строят характеристики короткого
замыкания трансформатора I_к , P_к , cosj_к = f(U_1к).

Таблица 1.2

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
U_1к	I_1к	P_Aк	P_Cк	P_к	cosj_к	Z_к	R_к	X_к	Z_к75	R_к75	u_к	u_к75	u_a75	u_p
B	A	дел Вт	дел Вт	Вт	-	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	%	%	%	%

П р и м е ч а н и е. столбцы 1-4 — измерение, столбцы 5, 6 — расчёт, столбцы 7-15 — расчет при I_1к=I_1ном

В табл.1.2 U_1к, I_1к — фазные напряжение и ток, P_к=C_цk_t(P_Aк+P_Cк) — мощность потребляемая трансформатором из сети при коротком замыкании, C_w -
цена деления ваттметра; k_t — коэффициент трансформации трансформатора тока;
cosj_к=P_к/3U_1кI_1к — коэффициент мощности.

Рассчитываются параметры схемы замещения трансформатора:

Z_к = Z₁ + Z₂’= U_1к/I_1ном,

R_к = R₁ + R₂’= P_к/3(I_1ном)², X_к = X₁ + X₂’= (Z_к²– R_к²)^1/2,

а также напряжение короткого замыкания трансформатора по формуле:

u_к% = 100 U_1к / U_1фном = 100 I_1ном Z_к / U_1фном.

Для Т-образной схемы замещения исследуемого трансформатора можно
принять R₁ ~ R₂’= P_к/2, X₁ ~ X₂’= X_к/2.

Активное сопротивление R_к следует привести к расчетной рабочей температуре трансформатора, равной 75°C для трансформаторов с изоляцией классов А, Е, В. C этой целью можно воспользоваться приближенной формулой
R_к75 ~ 1,2R_к. Тогда, с учетом приведения, полное сопротивление двух обмоток
R_к75=((R_к75)²+X_к²)^1/2, а напряжение короткого замыкания
u_к75%=100I_1номZ_к75/U_1фном. Активная и реактивная составляющие напряжения КЗ
будут соответственно равны:

u_a75%=100I_1номR_к75/U_1фном , u_p%=100I_1номX_к / U_1фном.

По значению напряжения короткого замыкания uк% и его составляющих
u_a% и u_p% можно судить о возможности параллельной работы трансформаторов,
об изменении вторичного напряжения при изменении нагрузки, о величине установившегося тока трехфазного КЗ на зажимах вторичной обмотки в условиях
эксплуатации.

4.3. Опыт под нагрузкой. Внешняя характеристика трансформатора

Схема опыта приведена на рис.1.8, ко вторичной обмотке подсоединена
активная нагрузка. Порядок проведения опыта следующий. Трансформатор без
нагрузки через автотрансформатор TV подключают к питающей сети с напряжением U₁ и устанавливают значение напряжения U_1x таким, чтобы
U_2x= U_2фном. Затем трансформатор загружают равномерно, по всем фазам, постепенно меняя ток I₂ в пределах от (0…1,2)I_2ном и поддерживая при этом постоянным напряжение U_1x. В качестве нагрузки используется реостат RR_нг. Результаты опытов (5…6 точек) заносятся в табл.1.3.

Таблица 1.3

U_1ф	U_2ф	I_1ф	I_2ф	b
B	B	A	A	—

В табл.1.3 b = I₂/I_2ном — коэффициент загрузки трансформатора.

По опытным данным строится внешняя характеристика трансформатора
U_2ф = f (b) {или U_2ф = f(I_2ф)} при U₁ =const, cosj₂ = 1,0.

4.4. Расчет и построение внешних характеристик

Внешние характеристики можно получить аналитическим, то есть расчетным путем. При любой нагрузке вторичное напряжение определяется как:

U_2ф = U_2фном (1,0–0,01 DU_%),

где U_2фном — номинальное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; DU_% — изменение вторичного напряжения при нагрузке, равное

DU_% = 100 (U_2фном – U_2ф)/U_2фном.

При номинальной нагрузке величина DU% составляет 2…5%. С достаточной точностью изменение напряжения можно определить по выражению:

DU_%=b(u_a75% cosj₂ + u_p% sinj₂) .

Следует задаться значениями коэффициента загрузки трансформатора
b = 0; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 и при заданных значениях cosj₂ и sinj₂ (см. пункт 2.8)
рассчитать DU_% и U_2ф. Pезультаты расчетов сводят в табл. 1.4.

Таблица 1.4

нагрузка
активная,
cosj₂=1,0

нагрузка
активно-индуктивная,
cosj₂=0,8;sinj₂=+0,6

нагрузка
активно-емкостная,
cosj₂=0,8;sinj₂=-0,6

DU_%	%
U_2ф	B

DU_%	%
U_2ф	B

DU_%	%
U_2ф	B

Используя полученные данные строят расчетные внешние характеристики
U_2ф = f(b) в одних координатах с опытной внешней характеристикой и сравнивают их между собой (для cosj₂ = 1,0).

4.5. Расчет и построение зависимости КПД от коэффициента загрузки

ГОСТ рекомендует определять КПД косвенным методом, используя значения потерь мощности в трансформаторе, получаемых из опытов ХХ и КЗ.
Расчетное выражение для определения КПД приведено ниже

h =1,0 – (P_xном+ b² P_кном75)/(b S_ном cosj₂+ P_xном+ b² P_кном75),

где P_xном – магнитные потери мощности в магнитопроводе, равные мощности
ХХ при U_1x = U_1фном; P_кном75 – электрические потери в обмотках, равные мощности потерь КЗ при I_1к= I_1ном и температуре 75°C, т.е. P_кном75= 3(I_1ном)2R_к75;
S_ном — номинальная мощность трансформатора.

Используя данные опытов ХХ и КЗ и задавшись рядом значений коэфициента нагрузки b, необходимо рассчитать КПД при заданном значении коэффициента мощности и построить зависимости h = f (b). Результаты расчетов сводятся в табл.1.5.

Таблица 1.5

h	b	0	0,05	0,1	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
	cosj₂ = 1,0
	cosj₂ = 0,8

Коэффициент полезного действия максимален при равенстве
электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в стали.

Наиболее вероятная нагрузка, при которой h = hmax имеет место при значении b = 0,5…0,7.

Значение коэффициента нагрузки b, которое соответствует максимальному
значению КПД h_max может быть определено по формуле:
b_опт = (P_xном/P_кном75)^1/2

Тогда максимальное значение КПД определится как
h_max = 1,0 – (P_xном)/(0,5 h_опт Sном cosj₂+ P_xном). Значения КПД hmax, рассчитанные для cosj₂ = 1,0 и cosj₂ = 0,8, необходимо сопоставить с данными, полученными на основе зависимостей h = f (b).

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать программу лабораторной работы, паспортные
данные используемого трансформатора, схемы испытаний и Т-образную схему
замещения трансформатора, результаты опытных и расчетных данных испытаний, сведенных в соответствующие таблицы и представленных графически
(Форма отчета по Лабораторной работе (образец оформления) приведена в
Прил. 3, см. с.141,сл.).

6. Контрольные вопросы

1. Объяснить назначение, устройство и принцип действия трансформатора.

2. Что такое коэффициент трансформации?

3. Почему токи ХХ в обмотке трехфазного трансформатора не одинаковы по фазам?

4. Чем обусловлена необходимость проведения опытов ХХ и КЗ при испытаниях силовых трансформаторов?

5. В чем смысл определения параметров и построения схемы замещения трансформатора?

6. Дать понятие напряжения КЗ трансформатора и пояснить его важность для целей практики.

7. Почему мощность потребляемую из сети в режиме ХХ принимают за магнитные потери, а в режиме КЗ – за электрические потери?

8. Какие потери для трансформатора считаются постоянными, а какие – переменными?

9. Что называется изменением вторичного напряжения трансформатора, отчего оно зависит и в каких единицах выражается?

10. Чем объяснить, что у трехфазного трехстержневого трансформатора магнитная система несимметрична? Отражается ли это обстоятельство на рабочем режиме трансформатора?

11. Дать понятие о коэффициенте полезного действия и коэффициенте мощности трансформатора. Сопоставить эти коэффициенты.

Расчет тока короткого замыкания — журнал IAEI

Одним из наиболее фундаментальных расчетов, выполняемых в системе распределения электроэнергии, является расчет доступного тока короткого замыкания. В выпуске журнала IAEI за сентябрь–октябрь 2012 г. была опубликована статья под названием «Переход к основам, максимальный ток короткого замыкания», в которой затрагивалась эта тема, но не вдавались в математику. С тех пор я получил много просьб заняться математикой. Я надеюсь, что эта статья удовлетворит пытливые умы подробностями расчета доступного тока короткого замыкания и предоставит некоторые уравнения для изучения студентом.

Доступный ток короткого замыкания

Максимально доступный ток короткого замыкания является важным параметром для каждой системы распределения электроэнергии, поскольку он обеспечивает точку данных, необходимую для обеспечения того, чтобы оборудование применялось в пределах его номинальных характеристик, а система работала в соответствии с ожиданиями. Доступный ток короткого замыкания также используется во многих других приложениях.

Национальный электротехнический кодекс требует эту точку данных для обеспечения соблюдения таких разделов, как 110.9, Номинальные параметры прерывания; 110.10 Полное сопротивление цепи, номинальные токи короткого замыкания и другие характеристики; и 110.24 Доступный ток отказа. Независимо от того, являетесь ли вы проектировщиком, установщиком или инспектором, в какой-то момент своей карьеры вы столкнетесь с расчетом доступного тока короткого замыкания. Понимание математики, лежащей в основе этого, и того, как используются расчетные токи короткого замыкания, может только расширить знания и понимание. Это также может помочь нам осознать, что эти расчеты должен производить квалифицированный специалист. Итак, ради понимания, я предлагаю эту статью, чтобы помочь вам.

Основы расчета тока короткого замыкания

Все, что вам нужно знать о расчете тока короткого замыкания, вы узнали на уроках схем 101, тригонометрии и базовых математических дисциплин. На рис. 1 показана простая однолинейная схема, которая вполне может быть вашим основным служебным входом для коммерческой или промышленной установки.

Рисунок 1. Однолинейная схема

Рисунок 2 представляет собой базовую принципиальную схему того, что представлено на рисунке 1, и которая будет использоваться для расчета доступного тока короткого замыкания в любой точке приведенной выше простой однолинейной схемы. Инженеры назовут то, что вы видите на Рисунке 2, диаграммой импеданса, поскольку она в основном преобразует каждый компонент на Рисунке 1 выше в значения импеданса. Для тех из вас, кто знаком со схемой 101, то, что вы видите ниже, когда все импедансы сложены вместе, представляет собой схему «эквивалента Thevanin», которая включает в себя импеданс и источник напряжения. Эта базовая схема будет использоваться на протяжении всей этой статьи.

Рисунок 2. Диаграмма импеданса (цепь)

Для расчетов и упрощения нашей работы над этим документом необходимо сделать допущения.

Предположения для трансформатора, который будет использоваться как часть примера для этой статьи, будут включать следующее. Эта информация должна быть доступна при чтении паспортной таблички трансформатора.

Трансформатор кВА               1500
Первичное напряжение                  4 160 В
Вторичное напряжение              480 В
% Полное сопротивление                      5,75 %

Предположение относится к доступному току короткого замыкания электросети. Для этого упражнения будет использовано 50 000 ампер. Перед проведением исследования с коммунальным предприятием связываются для получения этой информации. Они могут обеспечить доступный ток короткого замыкания одним из нескольких различных способов. Наиболее простыми и, вероятно, наиболее часто встречающимися данными от утилиты будет доступный ток короткого замыкания в кА. Некоторые утилиты вместо этого могут предоставлять данные в виде короткого замыкания MVA. В этой статье будут представлены уравнения для обеих форм входа, но с расчетом на допустимый ток короткого замыкания 50 кА.

Что касается импеданса проводника, то в следующих расчетах сопротивление проводника игнорируется, а используется только реактивное сопротивление. Это сделает две вещи ради этой статьи. Во-первых, это приведет к более высокому току короткого замыкания, чем было бы рассчитано, если бы мы приняли во внимание как сопротивление, так и реактивное сопротивление. Во-вторых, это упростит математику. В заключительном разделе этой статьи будут представлены результаты анализа, включающие сопротивление и реактивное сопротивление проводников и электросети. Используемые методы повторяют методы, используемые такими программами, как SKM Systems Analysis A-Fault.

В этой статье также не предполагается участие двигателя. Максимально доступный ток короткого замыкания должен включать все источники короткого замыкания. Мы не включаем этот вклад в эту работу для простоты.

Основные расчеты трансформатора

Самым первым шагом этого процесса является расчет тока полной нагрузки (FLA) для трансформатора. Еще один базовый расчет, который профессионалу-электрику придется выполнять в какой-то момент своей карьеры, а некоторые делают это много раз в день. Уравнения для расчета FLA приведены ниже:

FLA вторичный	= кВА
	(√3)×(кВсек)

FLA вторичный	= 1500
	[(√3)×(0,480)] = 1804 Ампер

Этот трансформатор мощностью 1500 кВА имеет вторичную полную нагрузку 1804 ампер. Этот параметр необходим для выбора вторичных проводников для данного трансформатора. На основании этого FLA и использования Таблицы 310.15(B)(16) от NEC 2014, проводники, используемые на вторичной обмотке трансформатора, будут состоять из 5-500 проводников MCM на фазу.

Расчет тока короткого замыкания на вторичной обмотке главного трансформатора

Существует два подхода к расчету доступного тока короткого замыкания на вторичной обмотке трансформатора. Мы можем рассчитать максимальное количество, которое пропускает трансформатор, как если бы установка по производству электроэнергии была подключена непосредственно к стороне линии трансформатора, или мы можем рассчитать доступный ток короткого замыкания, учитывая предоставленный доступный ток короткого замыкания от коммунальной службы. Первый подход, который приводит к максимальной величине тока короткого замыкания, который пропускает трансформатор, называется расчетом «бесконечной шины». Цепь на рис. 2 можно перерисовать, включив в нее нулевой импеданс для коммунальной сети, что снизит общий импеданс цепи и, таким образом, увеличит значение расчетного тока короткого замыкания. Рисунок 3 показывает максимально допустимый ток короткого замыкания, который может обеспечить трансформатор.

Рис. 3. Эквивалентная схема Infinite Bus

На рис. 3 представлен только импеданс трансформатора. Уравнение для расчета максимально доступного тока короткого замыкания, который может обеспечить трансформатор, выглядит следующим образом:

Isc	= ( Трансформатор кВА) × 100
	(√3)×(Вторичное кВ)×(%Z трансформатор)

Используя приведенную выше информацию для трансформатора мощностью 1500 кВА, максимально допустимый ток короткого замыкания, который пропускает этот конкретный трансформатор, составляет 31 378 ампер и рассчитывается следующим образом:

Искр	= 1500 × 100
	(√3)×(0,480)×(5,75) = 31 378 ампер

Это говорит нам о том, что вторичная обмотка трансформатора не может подвергаться большему току короткого замыкания, чем мы рассчитали. НИКАКИХ изменений на стороне электросети, которые могут повлиять на этот доступный ток короткого замыкания до точки, где он превысит 31 378 ампер. Единственный способ, которым эта услуга будет потреблять более 31 378 ампер, — это если мы заменим трансформатор, и новый трансформатор, который предположительно будет таким же по всем остальным характеристикам, будет иметь другой % импеданса. На рис. 4 представлена таблица, включающая результаты изменения импеданса рассматриваемого трансформатора на +/- 20 % с шагом 5 % по сравнению со значением импеданса 5,75 %, используемым в этом примере. Это показывает, как изменение импеданса трансформатора повлияет на максимально допустимый ток короткого замыкания, который он может пропустить.

Как показано на рис. 4, замена трансформатора и изменение его импеданса могут оказать существенное влияние на систему. Если бы я рискнул предположить, то сказал бы, что в большинстве случаев коммунальная служба, меняющая служебный трансформатор, будет распознаваться предприятием. Задача владельца объекта или местных сотрудников будет заключаться в том, чтобы понять, как это изменение может повлиять на их систему распределения электроэнергии. Когда вносятся изменения, ярлыки, подобные включенным в Раздел 110.24 NEC , следует обновить.

Рис. 4. Влияние изменения импеданса (+/– 20 %) трансформатора мощностью 1500 кВА

В этом расчете не учитывается импеданс источника электросети и не учитываются какие-либо проводники на стороне нагрузки. Теперь давайте рассмотрим влияние добавления в сеть доступного тока короткого замыкания.

Расчет тока короткого замыкания, включая доступный ток неисправности сети

Как и в большинстве ситуаций, мы используем консервативные методы, консервативные с точки зрения безопасности, до тех пор, пока не возникнут ситуации, требующие углубления в детали. Приведенный выше способ расчета тока короткого замыкания является консервативным, поскольку в нем НЕ учитывался доступный ток короткого замыкания, который дает максимальное значение. При рассмотрении отключающих и других подобных номиналов устройства и оборудование, которые могут выдерживать это консервативное значение тока короткого замыкания, не требуют дальнейшего изучения. Когда новое или существующее оборудование не может справиться с этим консервативно высоким доступным током короткого замыкания, может быть проведен дальнейший подробный анализ или оборудование может быть заменено или подобрано соответствующим образом. Далее будет рассмотрено добавление утилиты при наличии доступного тока короткого замыкания. В частности, 50 кА доступны от утилиты. Это показывает, что таким образом можно уменьшить расчетные 31 378 ампер.

Ниже приведены два уравнения, которые относятся к случаям, когда доступно значение kA и когда доступно короткое замыкание MVA. Для этого примера мы будем использовать приведенное ниже уравнение, которое предполагает, что коммунальная служба предоставила вам доступный ток короткого замыкания в кА.

Принципиальная схема теперь выглядит так, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема, включающая полное сопротивление трансформатора и источника питания.

В первую очередь требуется преобразовать предоставленную коммунальным предприятием доступную информацию о токе короткого замыкания (50 кА) в импеданс источника.
Когда кА предоставляется коммунальным предприятием:

%Z Коммунальное предприятие	= трансформатор кВА × 100
	(Isc Utility) × (√3) × (кВ Первичная)

Когда короткое замыкание MVA предоставляется коммунальной службой:

%Z коммунальная служба	= кВА Трансформатор
	Короткое замыкание кВА инженерной системы

Для заданного допустимого тока утечки 50 кА %Z сети рассчитывается следующим образом

%Z Утилита	= 1500 × 100
	(50 000) × (√3) × (4,160) = 0,420

На рис. 6 приведены значения импеданса источника электросети для различных доступных токов короткого замыкания сети для этого конкретного примера. Как отмечалось выше, ключевую роль в этих значениях будут играть кВА трансформатора и первичное напряжение.

Рис. 6. Значения импеданса источника сети для различных уровней допустимого тока короткого замыкания сети

Уравнение для расчета доступного тока короткого замыкания на вторичной обмотке трансформатора, которое включает импеданс сети, выглядит следующим образом:

Isc	= (Трансформатор кВА) × 100)
	(√3) × (Вторичный KV) × [(%Zтрансформатор)+(%Z Утилита)]

Вводя все известные переменные, новый доступный ток короткого замыкания рассчитывается следующим образом:

Искр	= 1500 × 100
	(√3)×(0,480)×[(5,75)+(0,4164)] = 29 259 Ампер

Если мы сравним расчет бесконечной шины и расчет, который включал импеданс источника (доступный ток короткого замыкания 50 000 ампер), мы увидим, что доступный ток короткого замыкания снизился с 31 378 ампер до 29 259 ампер, т. е. снижение на 6,8%. в доступном токе короткого замыкания (2119 ампер).

Влияние переменного доступного тока короткого замыкания показано на рис. 7. В этой таблице показано, как расчетный доступный ток короткого замыкания изменяется при изменении значений тока короткого замыкания в сети. В качестве значения, с которым сравниваются изменения, используется доступный ток короткого замыкания 50 кА. Интересно отметить, что увеличение доступного тока короткого замыкания от сети, при начальной точке 50 кА, не имеет такого большого влияния, как можно было бы подумать. Например, удвоение допустимого тока короткого замыкания от сети с 50 кА до 100 кА увеличивает доступный вторичный ток короткого замыкания трансформатора только на 3%, или 1022 ампера. Для большинства применений устройств защиты от перегрузки по току это изменение не должно быть значительным. Я слышал, что некоторые говорят, что мы не должны маркировать оборудование служебного входа, потому что утилита может внести изменения в переключение на стороне линии, что повлияет на номер на этикетке. Рисунок 7 — хороший пример, показывающий, что даже если бесконечная шина не использовалась, изменения на стороне электросети не оказывают такого значительного влияния на ток короткого замыкания, как можно было бы подумать.

Рис. 7. Влияние различных доступных токов короткого замыкания на систему распределения электроэнергии.

Следующее, что мы должны рассмотреть, это проводник на вторичной обмотке трансформатора. Это еще больше снизит доступный ток короткого замыкания.

Расчет – После длины проводника

Проводники могут оказывать значительное влияние на доступный ток короткого замыкания. Давайте продолжим анализ этого примера трансформатора мощностью 1500 кВА, добавив параллельные проводники 500MCM на стороне нагрузки.

Эквивалентная схема уже представлена на рисунке 1. Теперь давайте рассмотрим влияние длины проводника на доступный ток короткого замыкания. Нам нужно следующее уравнение:

Данные, необходимые для этого примера, получены из Национального электротехнического кодекса . Из таблицы 9 стандарта NEC 2014 для проводника сечением 500 мкм в стальном кабелепроводе Xl (реактивное сопротивление) составляет 0,048 Ом/1000 футов. Для этого примера, как указано ранее, мы используем только значение реактивного сопротивления, что приведет к несколько более высоким значениям тока короткого замыкания и сделает математические расчеты для этой публикации более приемлемыми. Для трансформатора мощностью 1500 кВА с током полной нагрузки 1804 ампер нам понадобится 5-500 мкМ проводников, соединенных параллельно на фазу. Расчет производится следующим образом:

уравнение для расчета доступного тока короткого замыкания выглядит следующим образом:

Введя все известные переменные, мы рассчитали ISC следующим образом: , выглядит следующим образом:

Подводя итог,

Как видно здесь, включение большего количества деталей снижает доступный ток короткого замыкания. В этом случае ток короткого замыкания был снижен с 31 378 ампер до 26 566 ампер, примерно на 15,3%.

Рис. 8. Сводка расчетов и сравнение с другими инструментами для расчета доступного тока короткого замыкания.

Окончательная калибровка

Итак, мы выполнили расчет доступного тока короткого замыкания для оборудования ввода в эксплуатацию. Мы показали, как короткие замыкания приводят к консервативным доступным токам короткого замыкания, которые с целью оценки номиналов отключения и / или номиналов SCCR обеспечивают коэффициент безопасности для конструкции. Мы также показали, как можно снизить доступные токи короткого замыкания с помощью более подробного анализа, но это требует больше усилий и опыта. Давайте посмотрим на приведенный выше пример с точки зрения других инструментов, которые могут быть доступны.

В нашем распоряжении есть различные инструменты для расчета доступного тока короткого замыкания. Некоторые из них довольно дороги, и для их использования требуются обученные специалисты. К ним относятся такие программные приложения, как инструменты системного анализа SKM. Эти приложения действительно очень тщательны и производят очень подробные отчеты. Существуют также бесплатные инструменты, такие как калькулятор короткого замыкания Eaton Bussmann FC2. На рис. 8 показано, что мы сделали выше, И дано сравнение с SKM и приложением Bussmann FC2. Калькулятор Bussmann FC2 бесплатен и доступен в Интернете или для любого IPHONE или ANDROID через любой из продуктов App Store. Посетите сайт www.cooperbussmann.com/fc2 для получения дополнительной информации. Вы заметите, что результат программного обеспечения SKM использует как реальный, так и реактивный компонент проводника. Значения импеданса были взяты прямо из таблицы 9.в NEC 2014 для медных проводников в стальных кабелепроводах.

Опять же, ни один из примеров, приведенных выше и включенных в эту статью, не учитывает моторный вклад. Это упражнение предназначалось для того, чтобы дать некоторую основу для обсуждения токов короткого замыкания, поэтому простота была нашим другом. Вклад двигателя может быть очень важным для этих расчетов. С точки зрения математики и/или системной схемы, когда вы включаете вклад двигателя, импеданс параллелен импедансу источника питания, импедансу трансформатора и импедансу проводника. Это снижает общий импеданс в цепи на рис. 2 и, следовательно, увеличивает расчетный ток короткого замыкания. Сброс остается за учеником. (Я всегда хотел это сказать.)

Заключение

Доступный ток короткого замыкания является очень важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании, установке и проверке. На рынке доступны инструменты, которые помогают рассчитать доступный ток короткого замыкания. Используйте эти ресурсы для выполнения требований стандарта NEC и применения продукта.

Как всегда, ставьте безопасность на первое место и убедитесь, что вы и окружающие вас люди доживут до нового дня.

Что такое анализ короткого замыкания и зачем он проводится?

Анализ короткого замыкания используется для определения величины тока короткого замыкания, которую система способна производить, и сравнивает эту величину с номиналом отключения устройств защиты от перегрузки по току (OCPD). Поскольку номиналы отключения основаны на стандартах, методы, используемые при проведении анализа короткого замыкания, должны соответствовать процедурам, установленным для этой цели организациями, разрабатывающими стандарты. Американский национальный институт стандартов (ANSI) публикует как стандарты для оборудования, так и руководства по применению, в которых описываются методы расчета.

Токи короткого замыкания — это токи, которые вносят в энергосистему большое количество разрушительной энергии в форме тепла и магнитной силы. Короткое замыкание иногда называют неисправностью. Это особый вид тока, который вводит большое количество энергии в энергосистему. Оно может быть в виде тепла или в виде магнитной силы. По сути, это путь энергии с низким сопротивлением, который пропускает часть цепи и заставляет обходную часть цепи перестать работать. Надежность и безопасность систем распределения электроэнергии зависят от точных и полных знаний о возможных токах короткого замыкания, а также от способности защитных устройств удовлетворительно прерывать эти токи. Знание вычислительных методов анализа энергосистем необходимо для инженеров, ответственных за планирование, проектирование, эксплуатацию и устранение неисправностей распределительных систем.

Токи короткого замыкания представляют наиболее серьезную общую опасность для компонентов системы распределения электроэнергии и являются главной проблемой при разработке и применении систем защиты. К счастью, токи короткого замыкания относительно легко рассчитать. Применение трех или четырех фундаментальных концепций анализа цепей позволит выявить основную природу токов короткого замыкания. Эти концепции будут сформулированы и использованы в пошаговой разработке.

Токи трехфазного короткого замыкания с болтовым замыканием являются основными справочными величинами в системном исследовании. Во всех случаях требуется знание значения трехфазного короткого замыкания, которое необходимо выделить для независимого лечения. Это установит шаблон, который будет использоваться в других случаях.

Устройство, прерывающее ток короткого замыкания, представляет собой устройство, подключенное к электрической цепи для обеспечения защиты от чрезмерных повреждений при возникновении короткого замыкания. Он обеспечивает эту защиту, автоматически прерывая большое значение протекающего тока, поэтому устройство должно быть рассчитано на прерывание и остановку протекания тока короткого замыкания без повреждения устройства защиты от перегрузки по току. OCPD также обеспечивает автоматическое отключение токов перегрузки.

Расчеты короткого замыкания необходимы для применения и согласования защитных реле и оценки оборудования. Все типы отказов могут быть смоделированы. Исследование короткого замыкания, проведенное Carelab, предоставляет подробный отчет с указанием номинальных характеристик выключателя, функций автоматического выключателя, обсуждений и рекомендаций по обнаруженным недостаткам

Риски, связанные с токами короткого замыкания

Здание/сооружение может быть недостаточно защищено от токов короткого замыкания. Эти токи могут повредить или испортить оборудование. Неправильно защищенные токи короткого замыкания могут травмировать или убить обслуживающий персонал. В последнее время были предприняты новые инициативы, требующие от объектов правильной идентификации этих опасных точек в системе распределения электроэнергии объекта.

Чем опасно короткое замыкание?

Ток короткого замыкания может быть очень большим. Если необычно высокие токи превышают возможности защитных устройств (предохранителей, автоматических выключателей и т. д.), это может привести к большим и быстрым выбросам энергии в виде тепла, интенсивных магнитных полей и даже, возможно, к взрывам, известным как дуговой разряд. Тепло может повредить или разрушить изоляцию проводки и электрические компоненты. Взрыв дуги создает ударную волну, которая может переносить испаренный или расплавленный металл и может быть фатальной для незащищенных людей, находящихся поблизости.

Расчет тока короткого замыкания необходим для правильного выбора типа, номинала отключения и характеристик срабатывания автоматических выключателей и предохранителей силовых и осветительных систем. Результаты расчетов тока короткого замыкания также используются для определения требуемых номиналов короткого замыкания компонентов системы распределения электроэнергии, включая переключатели шины, приводы с регулируемой скоростью, распределительные щиты, центры нагрузки и панели управления. При расчете максимального тока короткого замыкания необходимо определить общий вклад всех генераторов, которые могут быть подключены параллельно, и вклад двигателя от асинхронных и синхронных двигателей.

Анализ короткого замыкания выполняется для определения токов, протекающих в энергосистеме в условиях отказа. Если мощность короткого замыкания системы превышает мощность защитного устройства, возникает опасная ситуация. Поскольку рост энергосистемы часто приводит к увеличению доступного тока короткого замыкания, необходимо проверить моментальные и отключающие характеристики нового и существующего оборудования в системе, чтобы убедиться, что оборудование может выдерживать энергию короткого замыкания (см. Оценка устройства). Принимаются во внимание вклады неисправностей для источников коммунальных услуг, двигателей и генераторов.

Анализ короткого замыкания поможет обеспечить защиту персонала и оборудования путем установления надлежащих номиналов отключения защитных устройств (автоматический выключатель и предохранители). Если электрическая неисправность превышает мощность отключения защитного устройства, последствия могут быть разрушительными. Это может представлять серьезную угрозу для жизни человека и может привести к травмам, серьезному повреждению оборудования и дорогостоящим простоям.

В больших системах требуется анализ короткого замыкания для определения как номинальных характеристик коммутационного устройства, так и настроек реле. Никакое оборудование подстанции не может быть установлено со знанием полных значений короткого замыкания для всей системы распределения электроэнергии. Расчеты короткого замыкания должны поддерживаться и периодически обновляться для защиты оборудования и жизни. Небезопасно предполагать, что новое оборудование правильно оценено.

Результаты анализа короткого замыкания также используются для выборочной координации электрических защитных устройств.

Что такое анализ короткого замыкания?

Анализ короткого замыкания по существу состоит из определения установившегося решения линейной сети со сбалансированным трехфазным возбуждением. Такой анализ обеспечивает токи и напряжения в энергосистеме во время неисправности. Эта информация необходима для определения требуемой отключающей способности автоматических выключателей и для проектирования надлежащей системы релейной защиты. Чтобы получить достаточно информации, различные типы неисправностей моделируются в разных местах, и исследование повторяется. Обычно при анализе короткого замыкания пренебрегают всеми параметрами шунта, такими как нагрузки, проводимость заряда извести*. Тогда линейная сеть, которую необходимо решить, состоит из

Сеть передачи
Генераторная система и
Ошибка. Правильно комбинируя представления этих компонентов, мы можем решить проблему короткого замыкания

Carelabs позволяет выполнять поединичные расчеты в любой системе, с которой вы работаете. Мы автоматически преобразуем всю систему (панели управления, трансформаторы, генераторы, моторизованные элементы и кабели) в уникальную единицу импеданса, из которой вы можете получить номинальный ток короткого замыкания в любой заданной точке. Процесс прост, эффективен и сэкономит вам деньги и время.

Carelabs обеспечивает расчеты коротких замыканий для одиночных и множественных сбоев, а также ряд вариантов отчетов. Поскольку расчеты короткого замыкания необходимы для различных целей, расчеты короткого замыкания в Carelabs поддерживают различные представления и методы расчета, основанные на ряде международных стандартов, а также метод наложения (также известный как полный метод),

Что такое болтовые, искрение и замыкания на землю?

Неисправность с болтовым соединением обычно возникает в результате ошибки изготовления или сборки, в результате которой два проводника с разным напряжением «скреплены болтами» или источник питания напрямую соединен (скреплен болтами) с землей. Поскольку разъемы прочно закреплены болтами, дуга не образуется, а большой ток быстро приводит в действие защитное устройство, ограничивающее ущерб.

Дуговое замыкание — это замыкание, при котором возникает дуга. Дуга представляет собой поток электричества между двумя проводниками, которые не находятся в контакте. Результирующий сильный нагрев может привести к пожару, значительному повреждению оборудования и, возможно, к вспышке или взрыву дуги, что может привести к серьезным травмам.

Замыкание на землю — это когда электричество находит непреднамеренный путь с низким сопротивлением к земле. Когда этот путь проходит через тело человека, возникающее тепло может вызвать серьезные ожоги, а удар током может нарушить работу сердца человека (фибрилляция).

Что такое симметричные и асимметричные токи?

Многофазная система может иметь симметричную или асимметричную неисправность. Симметричный ток короткого замыкания – это ток, который одинаково влияет на все фазы. Если затронуты только некоторые фазы или фазы затронуты неодинаково, то ток короткого замыкания асимметричен.

Симметричные разломы относительно просто анализировать, однако они составляют очень мало реальных разломов. Только около 5% разломов являются симметричными. Асимметричные разломы сложнее анализировать, но они являются более распространенным типом разломов.

Что такое защитные устройства для анализа короткого замыкания?

Защитные устройства предназначены для обнаружения неисправности и отключения электрического тока до того, как произойдет значительное повреждение. Существует несколько различных типов защитных устройств, два из которых наиболее распространены:

Предохранители и автоматические выключатели

Предохранители и автоматические выключатели используются для защиты электрической цепи от перегрузки по току, обычно возникающей в результате короткого замыкания. цепи, отключив питание. Предохранители можно использовать только один раз. Автоматические выключатели можно сбрасывать и использовать несколько раз.

Прерыватель замыкания на землю (GFI)

Это устройство определяет, когда ток в проводнике под напряжением не равен обратному току в нейтральном проводнике. GFI защищает людей, быстро отключая ток, предотвращая травмы в результате удара током. Прерыватели замыкания на землю обычно используются в домах для ванных комнат, кухонь и наружных электрических розеток. GFI обычно встраивается в электрическую розетку.

GFI не обеспечивает защиту от перегрузки по току, а цепь, включающая GFI, также включает предохранитель или автоматический выключатель.

В дополнение к предохранителям, автоматическим выключателям и защитным устройствам существуют электрические защитные устройства, которые:

обнаруживают изменения уровней тока или напряжения
контролировать соотношение напряжения к току
обеспечивают защиту от перенапряжения
обеспечивают защиту от пониженного напряжения
обнаружение обратного тока
обнаружить инверсию фазы

Когда необходим Анализ короткого замыкания N ?

Первый анализ короткого замыкания должен быть выполнен при первоначальном проектировании энергосистемы, хотя это не должно быть единственным случаем. Эти исследования необходимо проводить при любом расширении объекта или при добавлении любого нового электрического оборудования, такого как автоматические выключатели или новые трансформаторы и кабели. Без каких-либо новых дополнений или изменений исследования короткого замыкания по-прежнему необходимо проводить на регулярной основе, по крайней мере, каждые 5-6 лет.

Как рассчитывается ток короткого замыкания?

Расчеты короткого замыкания необходимы для правильного применения оборудования в соответствии со стандартами NEC и ANSI. В зависимости от размера и подключения к инженерным сетям количество деталей, необходимых для выполнения этих расчетов, может сильно различаться. Анализ короткого замыкания Carelabs будет включать расчеты, выполненные в соответствии с последними стандартами ANSI.

Выключатели, предохранители и выключатели, которые должны прерывать или замыкаться в случае неисправности, вызывают особую озабоченность. Кабели и шинопроводы также имеют ограничения по стойкости к короткому замыканию, и в ходе тщательного исследования будет изучено бесперебойное оборудование, а также выключатели и выключатели. В таких стандартах, как ANSI C37.010 и C37.13, излагаются общепризнанные методы расчета для этих оценок оборудования.

Эти исследования коротких замыканий выполняются с использованием программного обеспечения системы электропитания в соответствии со стандартами IEEE. Для более крупных систем эти расчеты короткого замыкания должны выполняться как для номиналов коммутационных аппаратов, так и для настроек реле. Знание вычислительных методов анализа энергосистем необходимо для инженеров, ответственных за планирование, проектирование, эксплуатацию и устранение неполадок распределительных систем. Исследование короткого замыкания — это анализ электрической системы, который определяет величину токов, протекающих во время электрической неисправности. Сравнение этих расчетных значений с номиналами оборудования является первым шагом к обеспечению надежной защиты энергосистемы. Как только известны ожидаемые токи короткого замыкания, проводится исследование координации защиты для определения оптимальных характеристик, номинальных значений и настроек защитных устройств энергосистемы.

NEC 110 требует проведения анализа короткого замыкания для всего электрического оборудования и панелей. Двумя наиболее распространенными стандартами для расчета тока короткого замыкания являются стандарт ANSI/IEEE C37.010-1979 и стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC) 60909.

Стандарт ANSI C37.010 предназначался для использования при выборе силового автоматического выключателя, но он предоставляет информацию, необходимую для обязательной маркировки NEC 110. Стандарт IEC 60909-3:2009 является более общим. Он предназначен для предоставления общих рекомендаций по анализу короткого замыкания любого асимметричного короткого замыкания в трехфазной электрической системе переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц.

Можно использовать метод расчета короткого замыкания по ANSI или IEC. Их сравнили и обнаружили, что они дают схожие результаты. Метод ANSI обычно используется в программном обеспечении для расчета тока короткого замыкания.

Наша служба анализа коротких замыканий:

Выполняется при поддержке стандартов и методов IEC 60909 (включая издание 2016 г. ), IEEE 141/ANSI C37, VDE 0102/0103, G74 и IEC 61363
Расчет токов короткого замыкания в сетях постоянного тока в соответствии с IEC 61660 и ANSI/IEEE 9.46
Мы используем метод полной суперпозиции, включая динамическую поддержку напряжения генераторов, подключенных через силовую электронику
Анализ множественных неисправностей любого типа, в т.ч. однофазный обрыв, межцепные замыкания, развертка по линиям и т. д.

Диакоптическая модель для анализа короткого замыкания (используем ли мы это?

При анализе короткого замыкания обычно пренебрегают нагрузками и другими параметрами шунтирования на землю. При этом условии представление импеданса для сети передачи с землей в качестве ссылки не существует.Однако соединение с землей устанавливается на шинах генератора, представляя генератор как источник постоянного напряжения за соответствующим реагентом.Поэтому давайте рассмотрим комбинированную сеть передачи-генератора и, разрывая сеть, пусть Мы должны убедиться, что каждая подсеть имеет по крайней мере один генератор. На практике это не должно вызывать затруднений, так как сети большой энергосистемы 84 обычно состоят из разных областей, имеющих генерацию в каждой области.

Neplan

Анализ короткого замыкания выполняется таким образом, чтобы характеристики существующего и нового оборудования были достаточными, чтобы выдержать доступный ток короткого замыкания. Этот анализ короткого замыкания можно выполнить либо с помощью ручных вычислений, либо с помощью известного программного обеспечения, такого как NEPLAN.

Используя NEPLAN, мы можем быстро и эффективно проводить исследования коротких замыканий в электрических системах в четыре этапа.

Сбор данных и подготовка SLD
Расчеты короткого замыкания
Координационные исследования эстафеты
Анализ потока нагрузки

Почему мы выбрали Carelabs для анализа короткого замыкания ?

В Carelabs мы отличаемся от конкурентов размерами и структурой, что позволяет нам быстрее реагировать на изменения.