Сила тока короткого замыкания

Каждая электрическая цепь в общих чертах представляет собой источник тока с подключенной нагрузкой, обладающей каким-то сопротивлением. Получается своеобразный контур, по которому протекает электрический ток. Однако, под влиянием различных факторов, две разные точки этого контура начинают контактировать между собой, что и приводит к короткому замыканию.

Содержание

Короткое замыкание при постоянном и переменном токе

На практике причиной КЗ может послужить любой токопроводящий предмет. Его сопротивление по сравнению с нагрузкой будет во много раз ниже, поэтому вся сила тока короткого замыкания устремляется именно с это место. Ее значение стремительно повышается, что вызывает мгновенный нагрев проводов до температуры плавления, после чего они перегорают. Толстые проводники расплавляются медленнее, и за это время они успевают воспламенить все горючие элементы, расположенные поблизости.

Как уже отмечалось, сопротивление нагрузки при коротком замыкании будет стремиться к нулю. В соответствии с законом Ома, сила тока, при этом, будет увеличиваться в сторону бесконечности. На практике такого бесконечного роста не получится, поскольку существует ограничение, вызванное сопротивлением источника тока. Тем не менее, сила тока короткого замыкания будет достаточно высокой, чтобы разогреть проводник. В этом случае рассматривается квадратичная зависимость, когда при увеличении тока в 10 раз, выделение тепла увеличится в 100 раз. Именно в этом и состоит главная опасность данного явления, приводящего к пожарам.

Под действием высокого тока проводники раскаляются и отдают тепловую энергию окружающим предметам и конструкциям. В случае соприкосновения фазного и нулевого проводников – источник тока замыкается коротко сам на себя. Как правило, возгорание начинается с изоляции, пришедшей в негодность после длительной эксплуатации или пострадавшей от механических повреждений. Величина негативных последствий определяется не только силой тока, но и продолжительностью нагрева и особенностями схемы данной цепи. Эти ситуации носят общий характер и затрагивают в основном цепи с постоянным током.

Большинство замыканий происходит в сетях переменного тока на 220 или 380В, широко используемых на объектах жилого и промышленного назначения. В отличие от постоянного, переменному току создаются препятствия в виде дополнительных реактивных сопротивлений – индуктивного и емкостного. Они отклоняются от вектора активного тока на 90 градусов: индуктивный отстает, а емкостный ток опережает его на указанную величину.

Физические процессы и ударный ток

Понять воздействие тока можно только через физику самого процесса. На первый взгляд можно подумать, что все совершается в одно мгновение: гудение, вспышка, после чего тока в сети уже нет. Однако, если рассмотреть этот процесс с точки зрения физики и мысленно разбить его на отдельные фазы, можно заметить, что на каждом этапе ток ведет себя по-разному.

До момента возникновения аварии в цепи наблюдается стабильное установившееся значение тока, находящееся в рамках номинала. Далее происходит внезапное резкое снижение полного сопротивления до величины, стремящейся к нулю. Если в цепи находится оборудование с индуктивным сопротивлением, например, электродвигатели и трансформаторы, то они своими физическими свойствами замедляют рост электрического тока.

В связи с этим, в первое мгновение, не превышающее 0,01 с, сила тока КЗ источника напряжения практически не изменяется, и даже немного понижается в начале переходного процесса. При этом ЭДС источника постепенно доходит до нуля и пройдя через эту отметку, принимает стабильное значение, при котором может протекать высокий ток аварийного режима. На переходном этапе сам ток будет состоять из суммы, включающей периодическую и апериодическую составляющую. Все происходящие процессы можно проанализировать по форме графика и вычислить постоянное значение временной величины, зависящей от сопутствующих факторов.

Следует коротко остановиться на так называемом ударном токе короткого замыкания. Прежде всего, эта величина не столь страшная, как ее название, и не связана напрямую с поражающим фактором электрического тока. Этот показатель, прежде всего, характеризует максимальную отметку тока КЗ, до которой он доходит в течение половины периода после начала аварии. Целый период длится 0,2 с, следовательно, его половина составит 0,1 с. Именно в этот момент проявляется наибольшая интенсивность взаимодействия проводников, расположенных рядом. Для определения ударного тока существует специальная формула, широко используемая специалистами при выполнении расчетов.

Взаимосвязь короткого замыкания и силы тока

Рассмотрев физику процесса, можно с большей точностью установить взаимную связь силы тока и короткого замыкания в различных ситуациях. Любое устройство или оборудование, подключенное к источнику тока, создает ситуацию, близкую к короткому замыканию. Каждый прибор обладает сопротивлением и берет на себя всю нагрузку, за счет чего и обеспечивается его нормальная работа. Однако, при заметном снижении сопротивления, сила тока сразу же заметно возрастет. Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока определяется законом Ома.

Для участка цепи существует упрощенная формула, которая будет выглядеть следующим образом: I=U/R. В ней соответственно I будет силой тока, U – сетевым напряжением и R – электрическим сопротивлением. Проводники на этом участке условно имеют однородную структуру, а сама цепь дополнена резистором. Параметры источника тока в расчет не берутся.

В самом упрощенном варианте ток при КЗ можно вычислить следующим образом: I_кз = Е/_r, где Е – ЭДС источника тока, r – сопротивление нагрузки. Из этой формулы хорошо видно, как при сниженном сопротивлении будет расти сила тока. Сама по себе данная ситуация не представляет какой-либо угрозы, но здесь дополнительно вступает в действие закон Джоуля-Ленца. Он указывает на выделение тепла во время течения по проводнику электрического тока и определяется не только количественной, но и временной характеристикой. Суть этого закона заключается в том, что с повышением силы тока за единицу времени будет выделено и большее количество теплоты.

Сила тока КЗ батареи

Все положения, рассмотренные выше, подходят и к случаям короткого замыкания источников питания. Типичным примером служит аккумуляторная батарея, в состав которой входит отрицательный электрод – анод и положительный – катод. Один от другого их отделяет твердый или жидкий электролит. Происходящие внутри устройства химические реакции, формируют электрический заряд, обеспечивающий работу подключенного прибора.

По сути, батарею можно считать своеобразным участком цепи, на которых распространяются все установленные правила. Следовательно, нарушенная изоляция, также приводит к короткому замыканию и последующим процессам. Многократный рост силы тока приводит к выделению тепла, под действием которого источник электроэнергии перегревается и разрушается, с одновременным закипанием и разбрызгиванием электролита.

Защита цепей и оборудования

После того как электротехника получила толчок к своему интенсивному развитию, возникла серьезная проблема по защите от короткого замыкания и его последствий. Особую актуальность она приобрела с повышением мощности электродвигателей, генераторов, осветительных приборов и другого оборудования.

Простейшим решением стала последовательная установка вместе с нагрузкой плавких одноразовых предохранителей. В случае превышения током установленного значения, выделяемое резистивное тепло воздействовало на них. В результате, предохранители разрушались, прерывали цепь и процесс короткого замыкания прекращался. Подобные элементы до сих пор пользуются спросом из-за своей надежности, простоты и низкой стоимости.

Единственным недостатком такой конструкции является возможность замены плавкой вставки различными металлическими предметами – проволокой, гвоздями или скрепками. Они обладают совершенно другими параметрами и уже неспособны защитить от перегрузок и коротких замыканий.

Ситуация совершенно изменилась, когда на смену одноразовым устройствам пришли автоматические защитные средства. Вначале они стали активно использоваться в промышленности, а потом нашли свое применение в квартирных электрощитах. Автоматика гораздо удобнее в пользовании, поскольку такие устройства не требуют замены. После устранения причин короткого замыкания тепловые элементы остывают, и прибор вновь готов к использованию. Подгоревшие контакты нежелательно чистить или ремонтировать. В случае необходимости они легко заменяются новыми.

Использование эффекта короткого замыкания на практике

Многократно увеличенная сила тока при коротком замыкании приводит к выделению большого количества тепла. Поэтому данный режим нередко вызывает возгорания, разрушения проводки, прекращение электроснабжения потребителей. Довольно часто появление электромагнитных колебаний может существенно нарушить работу чувствительной электронной аппаратуры.

Тем не менее, несмотря на множество негативных факторов, эффект короткого замыкания успешно применяется в сфере промышленного производства. Конечно, для этого необходимо обеспечить надежную защиту и безопасные условия труда для работников.

Типичным примером служит сварочная аппаратура, особенно дуговая, в которой используется принцип короткого замыкания электрода и заземления. В месте контакта сила тока кратковременно возрастает, металл приходит в расплавленное состояние, обеспечивая надежное соединение деталей. Поскольку такой режим действует в течение очень короткого времени, трансформатор вполне способен выдержать перегрузки.

причины, последствия и защита от негативного явления, расчет силы тока

Напряжение короткого замыкания — значение напряжения, которое подается на одну из обмоток трансформатора, чтобы в цепи возник электрический ток. Остальные обмотки в это время должны быть закорочены. Это значение определяет падение напряжения на трансформаторе, его внешнюю характеристику и ток непреднамеренного замыкания. Выражается оно в процентном отношении к номинальному напряжению.

• Причины возникновения
• Опасные последствия
• Определение силы тока
• Методы защиты
• Использование замыкания проводников

Причины возникновения

Замыкание в цепи считается незапланированным, нештатным соединением проводников, при котором возникают разрушающие токи. Любое подключение электрическрго прибора в розетку тоже считается коротким замыканием, но уже плановым. Источник потребления электроэнергии является сопротивлением, которое воспринимает всю нагрузку короткого замыкания.

Если значение этого сопротивления будет стремиться к нулю, то, согласно закону Ома, для электрической цепи, ток возрастает до такой величины, что происходит сильный нагрев и разрушение проводников. Причины возникновения негативного явления:

1. Кратковременное повышение напряжения приводит к пробою изоляции проводов или электрической схемы. Происходит рост силы тока до значения короткого замыкания с появлением дугового разряда.
2. Старая, пришедшая в негодность изоляция становится причиной возникновения спонтанных закорачиваний проводников.
3. Механические повреждения изоляции тоже приводят к нештатным ситуациям. Например, часто сами жильцы во время ремонта нарушают целостность изоляции.
4. Попадание посторонних предметов, мелких животных, элементов соседних узлов вызывают негативное соединение проводов между собой.
5. Удар молнии вызывает кратковременное повышение напряжения в электрической цепи.

Основными признаками такого явления считается появление запаха гари, искрение и горение изоляции проводов. Кроме того, происходит отключение электрической цепи или ее участков.

Опасные последствия

Одним из самых опасных последствий замыкания проводов считается риск появления очага возгорания. Причиной его возникновения становится выделение большого количества тепла, разрушение изоляции и появление открытого огня.

При дуговом кратковременном замыкании, когда проскакивает мощнейший электрический заряд, воспламеняются окружающие вещи и предметы. Кроме того, к негативным последствиям относятся:

• механические и термические повреждения электроустановок;
• снижение значения напряжения, которое приводит к потере производительности или полной остановке электрических механизмов;
• отдельные генераторы и электростанции выпадают из синхронной работы системы, что приводит к созданию аварийной ситуации;
• появление электромагнитных волн, которые влияют на линии связи и коммуникаций.

Эти результаты будут наблюдаться только непосредственно в месте замыкания или рядом с ним, так как по мере удаления от этого участка величина тока будет ослабевать. При планировании и монтаже любой электроустановки принимаются необходимые меры защиты от негативного явления.

Определение силы тока

Чтобы рассчитать ток короткого замыкания, следует обратиться к закону Ома для электрической цепи. Он гласит, что его сила прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

В случае короткого замыкания значение сопротивления очень мало

, поэтому отношение напряжения к нему вырастает в несколько раз. Например, в однофазной домашней электрической сети напряжение — 220 В. Если принять, что сопротивление во время короткого замыкания падает до 0,04 Ом, то получается сила тока — 5500 А.

Так как стандартная розетка рассчитана на 16 А, то становится очевидным, что она просто сгорит. Это расчет примерный, так как для других видов этого явления он более сложный. Кроме однофазных, в трехфазных сетях возможны замыкания:

• двухфазное;
• между фаз на землю;
• трехфазное.

При определении значения тока в этих случаях во внимание принимаются: сопротивление всей электрической магистрали, отдельных участков, дополнительного оборудования сети, дуги замыкания проводников и другое. Поэтому его суммарное значение будет гораздо выше, чем в приблизительном расчете.

Методы защиты

Основной метод защиты от этого негативного явления основан на разрыве электрической цепи. Для этого в ней применяются плавкие предохранители. Обычно они представляют собой проводник, который рассчитан на определенный предельный ток.

Предохранители считаются самым слабым звеном в схеме, поэтому, как только значение тока увеличится, то проводник перегорает и разрывает цепь. Таким способом защищаются остальные элементы цепи. Для защиты квартирных и домовых электрических контуров применяются автоматические выключатели.

Главным отличием автоматов от плавких предохранителей считается многоразовое использование. В конструкцию автомата входит расцепитель, который и обеспечивает срабатывание прибора в нештатной ситуации. Выпускается несколько видов этих приборов:

• электромагнитные;
• термические;
• полупроводниковые;
• смешанные.

Во время образования тока критической величины автомат отключается с помощью теплового или электромагнитного расцепителя. Для защиты от высокого тока нельзя использовать устройство защитного отключения, так как у него совсем другие задачи.

Другим методом защиты является использование токоограничивающего реактора. Этот агрегат устанавливается в цепях с высоким напряжением, где сила тока может достигнуть больших размеров, и невозможно подобрать соответствующее защитное устройство.

Реактор представляет собой катушку индуктивности, которая последовательно подключается в электрическую сеть. При аварийной ситуации этот агрегат принимает на себя всю силу тока.

Использование замыкания проводников

Кроме отрицательных свойств, это негативное явление приносит пользу. Существует немало устройств, работающих на высоких значениях тока. Самым популярным из них считается сварочный агрегат. При его работе образуется электрическая дуга между сварочным электродом и заземляющим контуром.

Принцип работы аппарата основан на снижении напряжения и увеличении силы тока, которая может достигать до 250 А. Температура дуги составляет до нескольких тысяч градусов, что позволяет расплавлять свариваемые детали в месте касания.

Такие режимы используются кратковременно, а мощность сварочного агрегата позволяет выдержать перегрузки. Это использование замыкания проводников при сварочных работах позволяет получить прочные и надежные металлические конструкции.

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 %, использованным 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, я бы сказал, что в большинстве случаев коммунальное предприятие, меняющее трансформатор ввода-вывода, 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.

Базовый расчет тока короткого замыкания | ЭКиМ

Основная электрическая теорема гласит, что количество тока, которое будет протекать через короткое замыкание, зависит от двух переменных величин: напряжения системы и подключенного полного сопротивления пути прохождения тока от источника до места повреждения.

Типичные системные напряжения хорошо знакомы всем нам. Однако связанное полное сопротивление пути протекания тока короткого замыкания требует небольшого пояснения. Этот импеданс обычно включает в себя сопротивление и реактивное сопротивление фидерных проводников, импедансы любых трансформаторов (идущих от места повреждения обратно к источнику энергии) и любое другое оборудование, подключенное на пути протекания тока.

Рис. 1 представляет собой очень простую однолинейную схему со следующим: источник питания, трансформатор и устройство защиты от перегрузки по току (OCPD), имеющее определенный номинал отключения тока короткого замыкания.

Сначала поговорим об источнике питания. Во многих примерах расчета тока короткого замыкания вы увидите такие ссылки, как «Предположим, что источник питания имеет бесконечную мощность» или «Источник имеет бесконечную шину». Что это значит и почему важно проводить выборочный расчет? Все, что говорится, это то, что напряжение источника не имеет внутреннего импеданса. В результате расчет выборки становится очень консервативным. Поскольку предполагалось, что источник не имеет собственного импеданса, соответствующий ток короткого замыкания будет в наихудшем случае.

Теперь давайте посмотрим на трансформатор. Полное сопротивление, определяющее величину тока короткого замыкания на его вторичной обмотке, состоит из двух отдельных импедансов: его собственное полное сопротивление плюс полное сопротивление вторичных проводников до места повреждения. Собственное сопротивление трансформатора — это величина его сопротивления протекающему через него току короткого замыкания.

Теперь у всех трансформаторов есть импеданс, и обычно он выражается в процентах напряжения. Это процент нормального номинального первичного напряжения, который должен быть приложен к трансформатору, чтобы обеспечить протекание номинального тока полной нагрузки во вторичной обмотке с коротким замыканием. Например, если трансформатор 480/120 В имеет импеданс 5 %, это означает, что 5 % от 480 В или 24 В, приложенные к его первичной обмотке, вызовут протекание номинального тока нагрузки во вторичной обмотке. Если 5 % первичного напряжения вызовут такой ток, то 100 % первичного напряжения вызовут 20-кратный (100, разделенный на 5) вторичный ток полной нагрузки, протекающий через сплошное короткое замыкание на его вторичных клеммах. Очевидно, что чем ниже импеданс трансформатора данной номинальной мощности, тем больший ток короткого замыкания он может обеспечить.

Возьмем другой пример для пояснения. Предположим, у нас есть два трансформатора, каждый мощностью 500 кВА. Поскольку они имеют одинаковый номинал, каждый из них имеет одинаковый номинальный вторичный ток нагрузки. Предположим, что один из блоков имеет импеданс 10%. Таким образом, он может подавать 10-кратный (100, разделенный на 10) номинальный ток вторичной нагрузки при коротком замыкании на своих вторичных клеммах. Теперь предположим, что второе устройство имеет импеданс 2%. Это устройство может подавать на короткое замыкание на своих вторичных клеммах кратное своему номинальному току вторичной нагрузки: 50-кратное (100, разделенное на 2) это значение. Сравнивая оба блока, последний трансформатор может обеспечить в пять раз больший ток короткого замыкания, чем первый блок.

Пример расчета Теперь, когда мы понимаем основные переменные, определяющие токи короткого замыкания, давайте проведем пример расчета. Как показано на рис. 2, предположим, что у нас есть простая распределительная система с аварийным состоянием. Для ясности и упрощения предположим, что полное сопротивление линии между вторичной обмоткой трансформатора и местом повреждения незначительно.

Шаг 1. Определите вторичный ток полной нагрузки (IsubS). IsubS = 100 000 ВА/240 В = 417 А

Шаг 2. Определите ток короткого замыкания (IsubSC) на клеммах вторичной обмотки трансформатора по его полному сопротивлению. IsubSC * (100% / %ZsubT) x IsubS = (100/2,5) * 417 = 16 680 А

Следовательно, OCPD должен быть способен безопасно отключать этот ток вместе с асимметричным значением тока (обычно множитель, умноженный на симметричное значение).