1.4 Расчет параметров короткого замыкания

Расчет параметров цепи короткого замыкания (КЗ) необходимо для дальнейшей проверки выбранных токоведущих частей и оборудования подстанции по режиму КЗ на термическую и динамическую стойкость и для проверки чувствительности релейной защиты.

Последствиями термического и электродинамического воздействия токов КЗ могут быть:

- механическое разрушение сборных шин, частей аппаратуры, токоведущих частей генераторов и трансформаторов;

- перегрев и расплавление проводов;

- оплавление контактов коммутационных аппаратов;

- поломка изоляторов в местах крепления жестких токоведущих частей.

Для предотвращение возникновения КЗ и обеспечение надежности электроснабжения следует делать правильный выбор:

- схемы электрических соединений электроустановки;

- оборудования, стойкого против термических и динамических действий токов КЗ;

- средства ограничения токов КЗ;

- надежность релейной защиты;

- заземляющих устройств.

В настоящее время наиболее перспективным методом расчета параметров цепи КЗ является метод относительных единиц при базисных условиях, дающий результаты, наиболее приближенные к реальности.

По этому методу расчетов параметров при трехфазном КЗ выполняются в следующей последовательности:

1. На основании заданной схемы внешнего электроснабжения составляется расчетная схема.

2. Определяются базисные условия (параметры) для всех расчетных точек КЗ.

3. На основании рабочей схемы составляется схема замещения.

4. Производиться расчет относительных сопротивлений схемы замещения.

5. Преобразование схемы замещения и приведение ее к наиболее простому виду с одновременным расчетом относительных сопротивлений для каждой вновь составленной схемы.

6. После определения результирующих относительных сопротивлений до всех точек КЗ производиться расчет параметров цепи КЗ.

В данной последовательности производиться расчет параметров цепи КЗ в максимальном и минимальном режимах.

Расчетная схема – это упрощенная схема внешнего электроснабжения, на которой указываются только те элементы и их параметры которые влияют на режим КЗ проектируемой подстанции и потому должны быть учтены при выполнении расчетов.

Для составления схемы расчетной схемы в минимальном режиме, которая требуется для расчета токов КЗ для проверки чувствительности релейной защиты, необходимо из расчетной схемы для максимального режима исключить все параллельные соединения. При этом источники питания остаются неизменными, т.е. схема рассматривается в ремонтном режиме.

Система величин, которая положена в основу расчетов параметров цепи КЗ, называется базисной. В базисную систему величин входят базисная мощность базисное напряжение базисные токи

За базисную мощность удобно принять мощность одного из источников питания. Если известна мощность генераторов, то за базисную мощность можно принять суммарную мощность генераторов (случай районной подстанции РП-1), МВА

Базисная мощность принимается одной и той же для всех ступеней напряжения цепи КЗ.

Для каждой ступени напряжения схемы внешнего электроснабжение в качестве базисного напряжения для расчета сопротивлений принимают среднее напряжение, т.е. которое превышает номинальное напряжение приемников.

Для ступеней напряжения, где указаны точки КЗ рассчитываются базисный ток, кА

- базисная мощность

- средние напряжение ступеней:

- базисные токи:

для точки

На рисунке 1.2 приведена электрическая схема замещения

Рисунок 1.2 - Эквивалентная электрическая схема замещения

Расчет относительных сопротивлений элементов цепи КЗ

Трехобмоточные трансформаторы в схему замещения вводятся тремя сопротивлениями. Для трехобмотчных трансформаторов задаются в паспорте напряжения КЗ пар обмоток, %:

- высшего – среднего напряжения

- высшего – низшего напряжения

- среднего – низшего напряжения

Для того чтобы определить сопротивление каждой обмотки трехобмоточного трансформатора, необходимо вначале определить их напряжение КЗ, %,по формуле:

После того как схема замещения составлена и определены сопротивления, она преобразуется к наиболее простому виду.

Преобразование схемы выполняется в направлении от источника питания к месту КЗ.

Рассчитаем относительные сопротивления схем замещения для максимального и минимального режимов.

Максимальный режим

Линии электропередачи 110 кВ

Рисунок 1.3 - Преобразование схемы замещения максимального режима двухобмоточного трансформатора подстанции

Рисунок 1.4. – Эквивалентная схема замещения

= 0,76 0,7 = 1,46;

Минимальный режим

Проведем преобразование схемы для минимального режима, и определим результирующие относительные сопротивления до точек КЗ в этом режиме. Ход рассуждений аналогичен тем, что были приведены для максимального режима. Значения сопротивлений в схеме для соответствующих номеров сопротивлений берутся из схем замещения для максимального режима. Нумерация эквивалентных сопротивлений продолжается после нумерации эквивалентных сопротивлений схем преобразования максимального режима

Рисунок 1.5 - Преобразование схемы замещения минимального режима

двухобмоточного трансформатора подстанции

Рисунок 1.6 - Эквивалентная схема замещения

Для удобства анализа относительные сопротивления, соответствующие максимальным и минимальным токам КЗ, необходимо свести в таблицу 1.6

Таблица 1.6 - Относительные сопротивления до расчетных точек КЗ

Точки КЗ	Максимальный режим	Минимальный режим
	1,4	4,37
	1,4	4,4

Расчет параметров цепи КЗ

По рассчитанным значениям результирующих сопротивлений до каждой точки КЗ производиться расчет параметров цепи КЗ для всех точек:

- периодическая составляющая точка КЗ, кА,

где базисный ток для той ступени напряжения, где находится точка КЗ, кА;

результирующее сопротивление до расчетной точки КЗ;

Расчет для максимального режима,

Расчет для минимального режима,

- мощность трехфазного КЗ, МВА

где базисная мощность.

Расчет для максимального режима,

- ударный ток КЗ, который обычно имеет место через 0,01с после начала КЗ.

Его значение определяется, кА

где ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Расчет для максимального режима,

- тепловой импульс тока КЗ,

где постоянная время затухания апериодической составляющей тока КЗ, которая для установок напряжением выше 1000 В с относительно малым активным сопротивлением равна 0,05с;

полное время отключения тока КЗ, образующееся из трех составляющих:

где время выдержки срабатывания релейной защиты;

собственное время срабатывания защиты;

собственное время отключения выключателя с приводом.

Расчет для максимального режима

Расчет токов КЗ в тяговой сети постоянного тока 3,3 кВ

Расчет выполняют, используя именованные единицы сопротивлений, Ом. Установившийся максимальный ток КЗ на шинах 3,3 кВ, кА

где номинальный ток одного выпрямительного преобразователя подстанции, А;

количество выпрямительных преобразователей на подстанции;

номинальная мощность всех трансформаторов выпрямительных преобразователей, МВА;

мощность КЗ на шинах, от которых питаются трансформаторы выпрямительных преобразователей, МВА;

напряжение КЗ этих трансформаторов, %.

Установившийся ток КЗ в случае большого удаления места КЗ от тяговой подстанции:

где фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямительного преобразователя, равное 3,02 и 1,52 кВ;

расстояние до места КЗ, км;

сопротивление 1 км рельсов, длиной 25 м равно 0,014 Ом/км;

сопротивление 1 км контактной подвески одного пути участка постоянного тока.

Расчет токов КЗ на низкой стороне (до 1000 В) трансформатора собственных нужд

Последовательность расчета так же, как и при вычислении тока КЗ в распределительных устройствах выше 1000 В.

На основании расчетной схемы составляется схема замещения, при этом в установках до 1000 В учитывают сопротивление обмоток трансформатора собственных нужд и всех элементов цепи, присоединенной к его вторичной обмотке: кабелей переходных сопротивлений контактов коммутационной аппаратуры (рубильников, автоматических выключателей, катушек автоматических выключателей и трансформаторов тока). Расчет сопротивлений ведется в именованных единицах – миллиомах, мОм.

Для определения сопротивлений элементов цепи КЗ предварительно рассчитывается максимальный рабочий ток вторичной обмотки трансформатора, А

где номинальная мощность трансформатора собственных нужд, кВА;

номинальное напряжения вторичной обмотки понижающего трансформатора, кВ;

коэффициент допустимой перегрузки трансформатора, равный 1,4.

По этому значению тока выбирают марку кабеля и сопротивления всех элементов вторичной цепи трансформатора собственных нужд.

Трансформатор присоединяется к шинам 0,4/0,23 кВ тремя кабелями

Таблица 1.7 - Сопротивление понижающих трансформаторов, приведенные к вторичному напряжению 400/230 В (схема соединения обмоток «звезда – звезда с выведенной нейтралью»)

Номинальная мощность кВА	Номинальное первичное напряжение, кВ		r, мОм	x,мОм
250	10	4,5	9,4	27,2	28,7	100

Активное и индуктивное сопротивление кабеля определяется в зависимости от выбранного типии кабеля и его длины, мОм

= 30 0,167 = 5,01

= 30 ∙ 0,059 = 1,77

где длина кабеля от ТСН до автоматического выключателя, м;

и индуктивное и активное сопротивление трехжильного кабеля с поясной изоляцией,

Таблица 1.8 - Сопротивление трехжильных кабелей с поясной изоляцией

Площадь сечения жилы,	Активное сопротивление жил при 20 Ом/км	Индуктивное сопротивление, Ом/км, при напряжении кабеля
	Алюминий	До 1 кВ
6	5,17	0,90

В некоторых случаях вторичная обмотка может быть соединена несколькими кабелями с автоматическим выключателем.

где количество параллельно включенных кабелей;

длительно допустимый ток одного выбранного кабеля, А;

коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения кабеля, проложенного рядом с другими кабелями, равный 0,85.

Таблица 1.9 – Средние сопротивление автоматических выключателей и рубильников (разъединителей)

Номинальный ток, А	Сопротивление катушек автоматических выключателей, мОм			Переходное активное сопротивление контактов мОм
			Автоматических выключателей		Рубильников	Разъединителей
600	0,9	0,1	0,08		0,03	0,08

Таблица 1.10 - Сопротивление первичных обмоток катушечных трансформаторов тока

Сопротивление	Значение сопротивлений, мОм, при номинальном токе, А
	600
	0,03
	0,05

Схема замещения преобразуем, и при этом определяется суммарные активные и индуктивные сопротивления, мОм

Полное сопротивление до точки КЗ, мОм

где сумма активных сопротивлений всех элементов цепи КЗ;

сумма индуктивных сопротивлений всех элементов цепи КЗ.

Периодическая составляющая тока КЗ в первый период трехфазного КЗ, кА

где линейное напряжение ступени КЗ, В;

полное сопротивление до точки КЗ, мОм;

коэффициент, учитывающий возможность допустимого повышения напряжения на 5%.

Ударный ток КЗ, кА

где ударный коэффициент, приближенное значение которого можно принять равный 1,2

Действующее значение полного тока КЗ в первый период КЗ, кА

Ток однофазного КЗ на шинах 0,4 кВ, получающих питание от понижающего трансформатора, кА

где фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В;

полное сопротивление трансформатора при однофазном КЗ, мОм (значения сопротивления приведен в таблице .1.7).

После расчета токов КЗ на всех требуемых по заданию присоединениях электрической подстанции можно переходить к выбору и проверке по режиму КЗ токоведущих частей и оборудования электрической подстанции.