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.

Ток короткого замыкания — формула и методы расчета

Направленное движение обладающих зарядом частиц под воздействием электромагнитного поля называют током. Формула короткого замыкания (КЗ) — явления, при котором величина его силы достигает наибольшего значения, была получена эмпирическим путём, а после выведена на основании закона Ома. Стоит отметить, что КЗ часто приводит к опасным ситуациям.

Содержание

• Общие сведения
• Суть процесса
• Измерение тока КЗ
• Явления при замыкании

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

• существование свободных носителей заряда;
• создание электромагнитного поля;
• замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием. Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

• однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
• двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
• трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Следует отметить, что КЗ возникнет лишь в том случае, если соединение будет иметь наименьшее сопротивление на замкнутом участке цепи, чем предусмотренное нормальным режимом работы. Определяется же он согласно ГОСТ и правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции. Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

• метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
• способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
• измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R² + (Xl + Xc)²). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un ²/Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Явления при замыкании

Как оказалось, ток короткого замыкания непостоянен во времени. Существует 2 понятия, описывающие процесс становления ТКЗ: ударный ток и установившийся. Они определяют поведение протекания процесса. Ударный возникает в первый момент времени при замыкании проводников. Он представляет собой импульс с максимальной амплитудой. Затем сила тока спадает, её значение становится постоянным. При расчётах процесс представляют суммой двух коэффициентов: апериодическим и периодическим. То есть считают, что ток постоянен на всём протяжении времени.

Если рассмотреть эквивалентную схему, становится понятным, почему при КЗ происходит просадка напряжения в сети. Ток, проходя через все элементы, которые находятся между ним и источником, вызывает потери. В точке КЗ напряжение становится минимальным, а во всей сети резко уменьшается. Причём чем дальше находится генератор, тем снижение весомее.

Это явление опасно тем, что на шинах генераторного напряжения происходит перевозбуждение обмоток. В них возникает большой нагрев, что в итоге приводит к пробою. Причём он часто сопровождается появлением искры. Чем дальше возникает КЗ от электростанции, тем его значение меньше. Если в высоковольтных цепях происходит существенное выделение тепла и возникновение искр, ближе к потребителю обычно возникает только дуга или маленькая вспышка. С другой стороны, на этом явлении построена работа аналогового сварочного трансформатора.

Однако методика вычисления остаётся неизменной. Но вместе с этим, чтобы точно убедиться, насколько правильно выбран автоматический предохранитель от КЗ, выполняют измерение сопротивление петли фаза-ноль. Считается, что безопасность выполнима, если измерения удовлетворяют следующему неравенству: Z ≤ 2 * U 0 / 3 * Ia, где:

• Z — измеренное значение петли в омах;
• U0 — напряжение фазы в вольтах;
• I0 — ток срабатывания автомата в соответствии с условиями, приведёнными в ГОСТ 50571 .16−99.

Вычисления можно выполнить и на так называемых онлайн-калькуляторах. Найти с их использованием ТКЗ не представляет трудностей даже человеку, слабо разбирающемуся в процессах, возникающих при замыкании.

Чтобы определить, чему он будет равен, нужно на сайте заполнить предлагающиеся графы и нажать кнопку «Расчёт». Через несколько секунд результат будет выведен на экран.

Предыдущая

ФизикаДоклад на тему: «Искусственные спутники Земли» — виды, функции и значение

Следующая

ФизикаРеферат на тему: «Жидкие кристаллы и их применение» — свойства, строение и структура

Электрический ток. Закон Ома

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю .

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю . Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + 12.

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

По закону Ома

Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной .

По закону Ома для неоднородного участка,

Сложив оба равенства, получим:

Но Δφ_cd = Δφ_ba = – Δφ_ab. Поэтому

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то Δφ_ba = – Δφ_ab = , т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I, разность потенциалов на ее полюсах становится равной

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электрическая сила и – сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

Это условие означает, что ток I_B = Δφ_cd / R_B, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφ_cd / R₁, который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Расчет тока короткого замыкания (базовый метод кВА)

Рассчитайте ток короткого замыкания на каждом этапе следующей электрической системы SLD, имея подробные данные.

• Основное входное напряжение питания ВТ составляет 6,6 кВ.
• Уровень неисправности на входном источнике питания HT составляет 360 МВА.
Мощность трансформатора
• составляет 2,5 МВА.
• Полное сопротивление трансформатора составляет 6 %.

• Сначала рассмотрим базовые KVA и KV для стороны HT и LT.
• Базовая мощность кВА для стороны ВТ (высоковольтный выключатель и первичная обмотка трансформатора) составляет 6 МВА
• Базовое значение кВ для стороны ВТ (высоковольтный выключатель и первичная обмотка трансформатора) составляет 6,6 кВ
• Базовая мощность кВА для стороны НТ (вторичная обмотка трансформатора и нижний поток) составляет 2,5 МВА
• Базовое значение KV для стороны НТ (вторичная обмотка трансформатора и нижний поток) составляет 415 В

• Высоковольтный кабель, используемый от высоковольтного входа к высокотемпературному автоматическому выключателю, имеет длину 5 ветвей, 50 метров, 6,6 кВ, 3 жилы, 400 кв. мм, алюминиевый кабель, сопротивление кабеля 0,1230 Ом/км, реактивное сопротивление кабеля 0,0990 Ом/км.
• Общее сопротивление кабеля (R) = (длина кабеля X сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее сопротивление кабеля = (0,05X0,1230) / 5
• Общее сопротивление кабеля = 0,001023 Ом
• Общее реактивное сопротивление кабеля (X) = (длина кабеля X реактивное сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее реактивное сопротивление кабеля = (0,05X0,0990) / 5
• Суммарное реактивное сопротивление кабеля = 0,00099 Ом
• Общее сопротивление кабеля (Zc1)=√(RXR)+(XxX )
• Общий импеданс кабеля (Zc1)=0,0014235 Ом———(1)
• U Реактивное сопротивление при В.Т. Входные клеммы выключателя (X Pu) = уровень неисправности / базовая кВА
• U Реактивное сопротивление при В.Т. Входные клеммы выключателя (X Pu) = 360 / 6
• U. Реактивное сопротивление при В.Т. Входные клеммы выключателя (X Pu) = 0,01666 PU——(2)
• Общее сопротивление до высоковольтного автоматического выключателя (Z Pu-a)= (Zc1)+ (X Pu) =(1)+(2)
• Общий импеданс до высоковольтного автоматического выключателя (Z Pu-a)=0,001435+0,01666
• Общий импеданс до высоковольтного автоматического выключателя (Z Pu-a)=0,0181 Ом.——(3)
• Неисправность MVA на высоковольтном автоматическом выключателе = базовая MVA / Z Pu-a.
• Ошибка MVA высоковольтного автоматического выключателя = 6 / 0,0181
• Ошибка МВА на высоковольтном выключателе = 332 МВА
• Ток ошибки = Ошибка MVA / Base KV
• Ток неисправности = 332/6,6
• Ток короткого замыкания на высоковольтном автоматическом выключателе = 50 кА

• Высоковольтный кабель, используемый от высоковольтного автоматического выключателя до трансформатора, имеет 3 жилы, 400 м, 6,6 кВ, 3 жилы, 400 кв. мм, алюминиевый кабель, сопротивление Кабель 0,1230 Ом/км и реактивное сопротивление кабеля 0,0990 Ом/км.
• Общее сопротивление кабеля (R) = (длина кабеля X сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее сопротивление кабеля = (0,4X0,1230) / 3
• Общее сопротивление кабеля = 0,01364 Ом
• Общее реактивное сопротивление кабеля (X) = (длина кабеля X реактивное сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее реактивное сопротивление кабеля = (0,4X0,0990) / 5
• Суммарное реактивное сопротивление кабеля = 0,01320 Ом
• Общее сопротивление кабеля (Zc2)=√(RXR)+(XxX )
• Общий импеданс кабеля (Zc2)=0,01898 Ом———(4)
• U Полное сопротивление на первичной стороне трансформатора (Z Pu)= (Zc2 X База кВА) / (База KV x База KVx1000)
• U Полное сопротивление на первичной стороне трансформатора (Z Pu)= (0,01898X6) /(6,6×6,6×1000)
• U Полное сопротивление на первичной стороне трансформатора (Z Pu)= 0,0026145 PU——(5)
• Общий импеданс (Z Pu) = (4) + (5)
• Общий импеданс (Z Pu)=0,01898+0,0026145
• Общий импеданс (Z Pu)=0,00261——(6)
• Общий импеданс до первичной обмотки трансформатора (Z Pu-b)= (Z Pu)+(Z Pu-a) =(6)+(3)
• Общий импеданс до первичной обмотки трансформатора (Z Pu-b) = 0,00261+0,0181
• Общий импеданс до первичной обмотки трансформатора (Z Pu-b)=0,02070 Ом.
  —–(7)
• Неисправность MVA на первичной стороне трансформатора = Базовая MVA / Z Pu-b.
• Ошибка MVA на первичной стороне трансформатора = 6 / 0,02070
• Неисправность МВА на первичной стороне трансформатора = 290 МВА
• Ток неисправности = MVA неисправности / базовый KV
• Ток неисправности = 290/6,6
• Ток неисправности на первичной стороне трансформатора = 44 КА

• Номинальная мощность трансформатора составляет 2,5 МВА, а импеданс трансформатора составляет 6 %.
• % Реактивное сопротивление при базовой кВА = ( Базовая кВА x % импеданса при номинальной кВА) / Номинальная кВА
• % реактивного сопротивления при базовом кВА = (2,5X6)/2,5
• % Реактивное сопротивление при базовом кВА =6%
• U. Реактивное сопротивление трансформатора (Z Pu) = % реактивного сопротивления /100
• U. Реактивное сопротивление трансформатора (Z Pu)= 6/100=0,06 Ом—–(8)
• Всего ед. импеданс до вторичной обмотки трансформатора(Z Pu-c)=(Z Pu)+(Z Pu-b)=(7)+(8)
• Всего ед. импеданс до вторичной обмотки трансформатора (Z Pu-c)=0,06+0,02070
• Всего ед. импеданс до вторичной обмотки трансформатора (Z Pu-c)=0,0807 Ом——(9)
• Неисправность MVA вторичной обмотки трансформатора = базовая MVA / Z Pu-c
• Неисправность MVA вторичной обмотки трансформатора = 2,5/0,0807
• Неисправность МВА вторичной обмотки трансформатора =31 МВА
• Ток неисправности = MVA неисправности / базовый KV
• Ток неисправности = 31 / (1,732×0,415)
• Ток повреждения вторичной обмотки трансформатора = 43 кА

• Кабель НТ, используемый от вторичной обмотки трансформатора к главной панели НТ, составляет 13 отрезков , 12 метров, 1 кВ, 3,5C x 400 кв. мм алюминиевый кабель, сопротивление кабеля 0,1230 Ом/км и реактивное сопротивление кабеля 0,0618 Ом/км.
• Общее сопротивление кабеля (R) = (длина кабеля X сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее сопротивление кабеля = (0,012X0,1230) / 13
• Общее сопротивление кабеля = 0,00009 Ом
• Общее реактивное сопротивление кабеля (X) = (длина кабеля X реактивное сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее реактивное сопротивление кабеля = (0,012X0,0618) / 13
• Общее реактивное сопротивление кабеля = 0,00006 Ом
• Общее сопротивление кабеля (Zc3)=√(RXR)+(XxX )
• Общий импеданс кабеля (Zc3)=0,00011 Ом———(10)
• U Полное сопротивление на главной низкотемпературной панели (Z Pu)= (Zc3 X базовая кВА) / (базовая KV x базовая KVx1000)
• U Полное сопротивление на главной низкотемпературной панели (Z Pu)= (0,00011X2,5×1000)/(0,415×0,415X1000)
• P P.
  U Полное сопротивление на главной низкотемпературной панели (Z Pu)= 001601 Ом ——(11)
• Общий импеданс до главной низкотемпературной панели (Z Pu-d)= (Zc3)+ (Z Pu-c) =(11)+(9)
• Общий импеданс до главной низкотемпературной панели (Z Pu-d) = 0,001601 +0,0807
• Общий импеданс до главной низкотемпературной панели (Z Pu-d) = 0,082306 Ом.——(12)
• Неисправность MVA на главной низкотемпературной панели = Базовая MVA / Z Pu-a.
• Ошибка MVA на главной низкотемпературной панели = 2,5/0,082306
• Неисправность МВА на главной низкотемпературной панели = 30 МВА
• Ток неисправности = MVA неисправности / базовый KV
• Ток ошибки = 30 / (1,732X0,415)
• Ток неисправности на главной панели Lt = 42 кА

• Кабель LT, используемый от основной панели LT к дополнительной панели, представляет собой 2 нитки, 160 метров, 1 кВ, алюминиевый кабель 3,5C x 400 кв. мм, сопротивление кабеля 0,1230 Ом/км и реактивное сопротивление кабеля 0,0618 Ом/км.
• Общее сопротивление кабеля (R) = (длина кабеля X сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее сопротивление кабеля = (0,160X0,1230) / 2
• Общее сопротивление кабеля = 0,008184 Ом
• Общее реактивное сопротивление кабеля (X) = (длина кабеля X реактивное сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее реактивное сопротивление кабеля = (0,160X0,0618) / 2
• Общее реактивное сопротивление кабеля = 0,004944 Ом
• Общее сопротивление кабеля (Zc4)=√(RXR)+(XxX )
• Общий импеданс кабеля (Zc4)=0,0095614 Ом———(13)
• U Полное сопротивление на подпанели (Z Pu)= (Zc4 X База кВА) / (База KV x База KVx1000)
• U Полное сопротивление на подпанели (Z Pu)= (0,0095614 X2,5×1000)/(0,415×0,415X1000)
• P P.U Полное сопротивление на подпанели (Z Pu)= 13879 Ом ——(14)
• Общий импеданс до подпанели (Z Pu-e)= (Zc4)+ (Z Pu-d) =(14)+(12)
• Общий импеданс до подпанели (Z Pu-e) = 0,13879 +0,082306
• Общий импеданс до подпанели (Z Pu-e)=0,2211 Ом. ——(15)
• Неисправность MVA на вспомогательной панели = базовая MVA / Z Pu-a.
• Ошибка MVA на вспомогательной панели = 2,5/0,2211
• Неисправность МВА на вспомогательной панели = 11 МВА
• Ток неисправности = MVA неисправности / базовый KV
• Ток ошибки = 11 / (1,732X0,415)
• Ток неисправности на вспомогательной панели = 16 кА

• LT Кабель, используемый от вспомогательной панели к панели управления двигателем, 6 жил, 150 метров, 1 кВ, 3,5C x 400 кв. мм, алюминиевый кабель, сопротивление кабеля 0,1230 Ом/км и реактивное сопротивление кабеля составляет 0,0739 Ом/км.
• Общее сопротивление кабеля (R) = (длина кабеля X сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее сопротивление кабеля = (0,150X0,1230) / 6
• Общее сопротивление кабеля = 0,003075 Ом
• Общее реактивное сопротивление кабеля (X) = (длина кабеля X реактивное сопротивление кабеля) / количество кабелей.
• Общее реактивное сопротивление кабеля = (0,150X0,0739) / 6
• Общее реактивное сопротивление кабеля = 0,0018475 Ом
• Общее сопротивление кабеля (Zc5)=√(RXR)+(XxX )
• Общий импеданс кабеля (Zc4)=0,003587 Ом———(16)
• U Полное сопротивление на панели управления двигателем (Z Pu)= (Zc5 X базовый кВА) / (базовый KV x базовый KVx1000)
• U Полное сопротивление на панели управления двигателем (Z Pu)= (0,003587 X2,5×1000)/(0,415×0,415X1000)
• P P.U Полное сопротивление на панели управления двигателем (Z Pu)= 05207 Ом ——(17)
• Полное сопротивление до панели управления двигателем (Z Pu-f)= (Zc5)+ (Z Pu-e) =(17)+(15)
• Общий импеданс до панели управления двигателем (Z Pu-e) = 0,13879 +0,2211
• Общий импеданс до панели управления двигателем (Z Pu-e)=0,27317 Ом.——(15)
• Неисправность MVA на Панель управления двигателем = База MVA/Z Pu-a.
• Ошибка MVA на панели управления двигателем = 2,5/0,27317
• Неисправность МВА на панели управления двигателем = 9 МВА
• Ток неисправности = MVA неисправности / базовый KV
• Ток ошибки = 9 / (1,732X0,415)
• Ток неисправности на панели управления двигателем = 13 кА

Оценить:

Нравится:

Нравится Загрузка. ..

Рубрика: Без рубрики

О Jignesh.Parmar (BE, Mtech, MIE, FIE, CEng)
Jignesh Parmar закончил M.Tech (управление энергосистемой), BE (электрика). Он является членом Института инженеров (MIE) и CEng, Индия. Членский номер: M-1473586. Он имеет более чем 16-летний опыт работы в области передачи-распределения-обнаружения хищения электроэнергии-электротехнического обслуживания-электрических проектов (планирование-проектирование-технический анализ-координация-выполнение). В настоящее время он работает в одной из ведущих бизнес-групп в качестве заместителя менеджера в Ахмадабаде, Индия. Он опубликовал ряд технических статей в журналах «Electrical Mirror», «Electrical India», «Lighting India», «Smart Energy», «Industrial Electrix» (Australian Power Publications). Он является внештатным программистом Advance Excel и разрабатывает полезные электрические программы на основе Excel в соответствии с кодами IS, NEC, IEC, IEEE. Он технический блоггер и знаком с английским, хинди, гуджарати и французским языками. Он хочет поделиться своим опытом и знаниями и помочь техническим энтузиастам найти подходящие решения и обновить себя по различным инженерным темам.

4 шага для расчета номинального тока короткого замыкания в промышленных панелях управления

номинального тока короткого замыкания

Daniel Lightsey
ABB Ability(TM), Smart Power
—
Marcelo E. Valdes
PE, IEEE Fellow Applications Eng. Manager
ABB Electrification Products Industrial Solutions

Номинальный ток короткого замыкания (SCCR) является критически важной характеристикой при проектировании промышленных панелей управления. Определение подходящего SCCR фактически не требует вычислений. Вместо этого существует простой четырехэтапный процесс.

Стандарт UL по безопасности для промышленных панелей управления, UL 508A, включает инструкции по расчету номинального тока короткого замыкания панели (SCCR), но у многих возникают проблемы с выполнением этого процесса. Точное определение SCCR необходимо для обеспечения безопасности людей, работающих на энергетическом оборудовании или рядом с ним. Панель с неправильно рассчитанным SCCR может выйти из строя или вызвать вспышку дуги, что может привести к серьезным травмам или смерти, а также к значительному повреждению объекта.

Люди ссылаются на «расчет» SCCR панели, но на самом деле расчеты не требуются. Скорее, идентификация SCCR требует только того, чтобы вы исследовали неисправность компонентов в цепи панели. Имея на руках список этих значений, вам нужно определить компонент с наименьшей емкостью, который буквально является самым слабым звеном в цепи. SCCR всей панели в сборе — это мощность этого компонента.

Панели должны быть рассчитаны на доступный ток короткого замыкания во время их установки и на будущие потенциальные потребности, если они могут быть выше в будущем.

Что такое SCCR?
Вместо того, чтобы «вычислять» SCCR панели, на самом деле требуется только исследовать мощность отказа соответствующих компонентов, а затем определить компонент с наименьшей мощностью … самое слабое звено в цепи. SCCR этого компонента является SCCR всей панели в сборе.

До 2005 г. NEC требовала, чтобы на электрических панелях промышленного оборудования была указана только мощность отключения основного устройства защиты от перегрузки по току. Это, однако, не гарантировало адекватной защиты электрического щита от коротких замыканий. Новый стандарт включает всю комбинированную силовую цепь при определении требований SCCR.

Определение SCCR панели
Как рассчитывается SCCR? Процесс состоит из трех этапов:
Этап 1. Определите номинальный ток короткого замыкания (SCCR) каждого компонента или комбинации в силовой цепи. (SB4.2)
Шаг 2 – Определите, ограничивают ли компоненты фидерной цепи ток короткого замыкания (SB4.3) устройства защиты цепи, такие как предохранитель.
Шаг 3 – Определите общий номинальный ток короткого замыкания для промышленной панели управления (SB4.4.).
Шаг 4. Перечислите маркировку SCCR на паспортной табличке панели управления (SB5. 1).

Ниже приведена более подробная информация о каждом шаге.

Шаг 1. Определите номинальный ток короткого замыкания каждого компонента в силовой цепи
Первым шагом является определение SCCR каждого компонента или комбинации компонентов, который обычно указан на этикетке компонента или в руководстве по эксплуатации. Вам не нужно включать SCCR для силовых трансформаторов.

Другим источником информации SCCR является предполагаемый максимальный номинальный ток короткого замыкания для немаркированных компонентов, таблица SB4.1 стандарта UL 508A. Это также называется стандартной ошибкой. Все компоненты должны иметь стандартный номинальный ток короткого замыкания, и он обычно очень низкий.

Доступны ресурсы, которые предоставляют рейтинги устройств для распознаваемых компонентов, включая файл UL компонента и инструкции производителя по установке. Кроме того, на веб-сайте UL есть таблица номинальных токов короткого замыкания для компонентов комбинированного контроллера двигателя. Эти компоненты, как правило, должны использоваться с другим компонентом для получения желаемого коэффициента

Компоненты фидерной цепи, которые изменяют ток короткого замыкания, включают:

• Силовые трансформаторы
• Токоограничивающие автоматические выключатели
• Токоограничивающие предохранители

Вам необходимо найти эти детали и включить их в рассмотрение SCCR.

В ответвленной цепи необходимо учитывать номинальные параметры трансформатора. Для трансформаторов с номинальной мощностью 10 кВА или менее вторичной обмотке трансформатора назначается доступный ток 5 кА, а все компоненты вторичной стороны в силовой цепи должны иметь SCCR 5 кА или выше. На первичной стороне только первичная защита от перегрузки по току относится к общему SCCR панели. Примером могут служить предохранители класса CC, используемые на первичной стороне трансформатора, которые имеют SCCR 100 кА.

Ответвленные цепи должны иметь SCCR, равный или превышающий пропускной ток фидерной цепи. Если это не так, общий рейтинг для панели является более низким рейтингом панели или ответвленной цепи.

Шаг 2. Определите, ограничивают ли компоненты фидерной цепи ток короткого замыкания
После того, как вы определили SCCR для компонентов, следующим шагом будет определение того, ограничивают ли компоненты фидерной цепи, в частности устройства защиты цепи, такие как предохранители, ток короткого замыкания Текущий.

Автоматические выключатели должны иметь маркировку «Ограничение тока», чтобы использовать SB4.3.2. Пропускной ток выключателя не превышает установленного значения. Применяется одно из двух условий:
1. Если устройства на стороне нагрузки этого выключателя имеют более высокое значение SCCR, чем отключающая способность выключателя, то можно использовать отключающую способность автоматического выключателя. Это также может быть комбинация, проверенная производителем или магазином панелей.
2. Если устройства имеют более низкий SCCR, чем отключающая способность автоматического выключателя, SCCR для этой цепи имеет более низкое значение.

Максимальная пропускная способность автоматического выключателя определяется производителем. Для предохранителей это определяется стандартом, позволяющим использовать Таблицу SB4 «Пиковые пропускаемые токи, IP и I2T отключения для предохранителей».

При определении SCCR панели, SCCR на стороне линии любого токоограничивающего автоматического выключателя не может превышать SCCR любой защиты параллельных цепей или отключающей способности автоматического выключателя. Максимальный допустимый ток не может превышать SCCR для любой ответвленной цепи на стороне нагрузки. В основном это означает, что устройство на стороне нагрузки этого выключателя может выдерживать пропускаемую энергию и ток выключателя.

Для предохранителей используйте значения из таблицы SB4.2 «Пиковые пропускаемые токи, IP и отключение, I2T для предохранителей», чтобы получить I2T и IP для предохранителя, используемого в комбинированной цепи. Можно использовать любой предохранитель с более низким значением как для I2T, так и для IP. Если номинал предохранителя не указан, используйте следующее большее значение в таблице.

Шаг 3. Определение общего номинального тока короткого замыкания с
По завершении исследования компонентов у вас есть информация, необходимая для определения SCCR панели. Вы делаете это, определяя три разных SCCR. Самая нижняя из трех — это панель SCCR.

Необходимо определить три значения:

• Для каждой защищаемой ответвленной цепи в панели определите наименьший SCCR для компонентов силовой цепи на стороне нагрузки защитного устройства ответвленной цепи. (SB4.4.1)
• Определите самый низкий SCCR всех компонентов фидера.
• Если токоограничивающие компоненты питаются в фидерной цепи, определите модифицированный SCCR для фидерного компонента и всех ответвленных цепей [из пункта A выше], подключенных к стороне нагрузки. (SB4.3), см. шаг 2 выше.

Сравните эти значения на этой панели. SCCR является самым низким из трех.

Шаг 4. Перечислите маркировку SCCR на паспортной табличке панели управления (SB5.1)

Значение из шага 3 должно быть указано на паспортной табличке панели или на паспортной табличке. Маркировка заводской таблички должна включать симметричное среднеквадратичное значение SCCR в кАмперах при номинальном напряжении.

Знай свою панель

Люди, которые проектируют и строят промышленные панели управления питанием, должны понимать требуемый уровень защиты от тока короткого замыкания для людей, которые владеют, эксплуатируют и обслуживают эти панели. Номинальный ток короткого замыкания является ключевой информацией для обеспечения надлежащего уровня защиты. Производители панелей полагаются на этапы, изложенные в стандарте UL 508A, для расчета/определения SCCR своей продукции и предоставления этой информации.

Ссылки
[1] 2008 г., PanelBoard and Switchboard Short Circuit Ratings, Underwriters Labratories, https://legacy-uploads. ul.com/wp-content/uploads/2014/04/ul_PanelboardShortCircuitRatings.pdf
[2 ] UL 508A, третье издание, стандарт для промышленных панелей управления

Сопутствующее содержание

Серия автоматических выключателей в литом корпусе (MCCB) SACE Tmax XT спроектирована таким образом, чтобы максимально упростить использование, интеграцию и возможность подключения, а также надежно обеспечить безопасность и качество. . Подробнее, SACE Tmax XT: новые горизонты

Пример расчета короткого замыкания постоянного тока

Аннотация: В приведенном ниже примере показано, как создать однолинейную схему шахтной энергосистемы, предварительно назначить один коэффициент MVA короткого замыкания для каждого основного компонента в энергосистеме на основе импеданса, который он добавляет к системе, запрограммировать один линейную диаграмму в калькулятор короткого замыкания, запустить анализ, интерпретировать результаты, рассчитать значения переменного и постоянного тока короткого замыкания на стороне переменного и постоянного тока комбинации трансформатор-выпрямитель.

Создание однолинейной схемы системы распределения

Разработайте комплексную однолинейную радиальную схему анализируемой энергосистемы. Рекомендуется использовать копию той же однолинейной схемы, которая применяется при компоновке распределительной системы (рис. 1 а).

Рисунок 1a

Рисунок 1b

Каждому базовому компоненту в промышленной системе распределения электроэнергии предварительно назначается один коэффициент MVA короткого замыкания (SC MVA) на основе импеданса, который он добавляет к системе (рис. 1b). Генераторам, двигателям и трансформаторам обычно присваиваются собственные номинальные значения МВА, отношения X/R и импеданса [типичные номиналы X/R и импеданса]. МВА короткого замыкания каждого из них равен его рейтингу МВА, деленному на его собственный импеданс на единицу. Например, трансформатор мощностью 2000 кВА, 5,75% Z имеет КЗ МВА = номинальная МВА / Z = 2 / 0,0575 = 34,8 МВА, где Z — импеданс трансформатора в о.е. Для фидера, где напряжение задано и известен его импеданс или реактивное сопротивление, его MVA короткого замыкания равен кВ ^ 2, деленному на его импеданс в омах. Например, медный кабель длиной 14000 футов, соединяющий вторичную обмотку трансформатора мощностью 2000 кВА с номинальным напряжением 4160 В, с первичной обмоткой комбинации трансформатор/выпрямитель, полное сопротивление равно 0,9.2 / 0,99 = 17,5 станд. Типичное сопротивление комбинации трансформатора-выпрямителя мощностью 300 кВт и напряжением 300 В равно 10% [1], а номинальные значения МВА при коротком замыкании будут равны 0,3 МВА / 0,1 = 3,0 SCMVA. Нагрузкам, не влияющим на ток короткого замыкания системы, присваивается значение SC MVA, равное 0.

Разработка иерархического дерева с точки зрения записей базы данных

	ID	* Этикетка	СК МВА	Погрешность, %	Х/Р	Ошибка, %	Описание	Родительский	?
1	Utility	500.00	1	12.00	5	500MVA 22kV Utility System	0
2	TRSFRM 1	34. 80	1	12.00	5	2МВА 5,75%Z, 4,16 кВ Вторичная	1
3	CABLE 1	17.50	1	0.83	5	14000 ft 4/0 Cu Cable, Mag duct	2
4	TRSF/REC	3.00	1	6.00	5	300kW Transformer/Rectifie 10%Z	3
5	CABLE 2	0.76	1	0.46	5	1000 ft 1/0 Cu Cable, Магистральный канал	4
6	TROLLEY	0.00	1	0.00	5	Trolley System contributes 0 MVA	5

% В столбцах указан предел погрешности для значений из столбцов SC MVA и X/R.
столбец p_id содержит родительский идентификатор (идентификатор вышестоящего оборудования)

Дерево системного оборудования должно быть разбито на уровни, причем каждый уровень должен быть более сфокусирован, чем предыдущий. Дерево состоит из узлов, соединенных друг с другом ветвями. Обратите внимание, что узел может иметь один или несколько детей , но может иметь только одного родителя . Родительский идентификатор оборудования равен идентификатору вышестоящего устройства, питающего оборудование. TRSFRM 1 питается от Utility . TRSFRM 1 назначается родительский идентификатор «1», который равен значению идентификатора Utility . Утилита является корнем, питающим систему, его родительский идентификатор по умолчанию равен «0». Вам понадобится справочная таблица, аналогичная приведенной выше, для ввода информации о вашей системе, необходимой для анализа короткого замыкания переменного / постоянного тока с использованием онлайн-калькулятора короткого замыкания ARCAD.

Запустите программу и посмотрите на результаты

Программа выведет иерархическое дерево оборудования системы с расчетной МВА короткого замыкания в каждом узле.

Результаты расчетов SC MVA:

• Полезность [ 500(12X/R) +  0 =  500 (12X/R) ]
  • TRSFRM 1[ 32,9/9(12X/R) + 3 2,0. R) ]
    • КАБЕЛЬ 1 [ 12,3(1X/R) + 0 = 12,3 (1X/R) ]
      • TRSF/REC[ 2,46(4X/R) + 0 = 2,46 (4X/R) ]
        • КАБЕЛЬ 2 [0,62(0,8X/R) + 0,00 = 0,62 (0,8X/R)]
          • ТЕЛЕЖКА[0.00]

  Короткие замыкания, вызванные вышестоящим (красный цвет) и нижестоящим (синим цветом) оборудованием, перечислены для каждого узла. Приведенные выше значения восходящего и нисходящего потоков содержат на одну значащую цифру больше, чем требуется по правилам анализа ошибок. Эта цифра выпадает из конечного результата (выделена зеленым цветом). Таким образом эффективно предотвращается явление, известное как «ошибка округления». Рисунок 2 ниже показывает расчетную MVA короткого замыкания, перенесенную на исходную однолинейную схему.

  фигура 2

  Разделите общие значения MVA SC на 1,73 * кВ _LL , чтобы получить значения трехфазного тока короткого замыкания в кА на стороне переменного тока.