что это такое, методика расчета

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

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

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

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

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

Особенности.

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

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

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

О методике расчета токов короткого замыкания.

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

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

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

Токи короткого замыкания от электродвигателей

Общие указания

Увеличение тока в месте к. з. за счет подпитки от синхронных и асинхронных двигателей заметно проявляется в тех случаях, когда мощный двигатель (или группа двигателей) подключен в непосредственной близости к точке повреждения. Такие условия возникают в установках 3-6 кВ собственных нужд тепловых станций или на подстанциях предприятий с двигателями 6-10 кВ.
При внезапном трехфазном к. з. на зажимах двигателя или за малым внешним сопротивлением (например, за кабелем) за счет запасенной электромагнитной энергии двигатель посылает ток к месту повреждения. Этот ток в процессе к. з. у асинхронного двигателя спадает до нуля, а у синхронного — до установившегося значения, определяемого током возбуждения.
Подпитку от двигателей следует учитывать при проверке аппаратов и проводников РУ 3-10 кВ по условиям к. з., а также при расчете релейной защиты оборудования 3-10 кВ. Для указанных целей надо знать сверхпереходный ток двигателя

, ударный ток , периодическую и апериодическую составляющие тока в произвольный момент t переходного процесса и в момент отключения к. з. τ, т. е. .
Общее выражение для периодической составляющей тока асинхронного двигателя спустя время t после начала к. з. имеет вид

где I» — сверхпереходный ток; I‘ — переходный ток; T» и T‘ — постоянные времени затухания сверхпереходного и переходного токов соответственно.
Периодический ток синхронного двигателя содержит установившийся ток

, поэтому для него выражение периодической составляющей будет иметь вид:

Учет двух составляющих свободного тока с постоянными Т» и T’ делает расчет периодического тока двигателя достаточно громоздким. Значения

с приемлемой для практических расчетов точностью можно получить, пользуясь упрощенной формулой, где вместо двух экспонент принята одна экспонента с расчетной постоянной времени (определение см. ниже).
Упрощенное выражение для периодической составляющей тока для асинхронного двигателя имеет вид

для синхронного двигателя

Апериодическую составляющую тока к. з. синхронного или асинхронного двигателя можно представить выражением

где

— постоянная времени апериодического тока.
Наибольший апериодический ток будет при начальном значении , равном

тогда

Приведенные выражения токов справедливы для единичного двигателя. В случае группы двигателей производят замену группы эквивалентным двигателем (см. ниже) и определяют все расчетные токи (

) от группы двигателей как токи от единичного эквивалентного двигателя.

Сверхпереходный ток двигателя

Сверхпереходный ток — это действующее значение периодической составляющей тока в начальный момент к. з. Подставив t=0 в общее выражение тока

найдем:

Ток I» определяют как:

где Е» — сверхпереходная э. д. с. двигателя; х» — сверхпереходное индуктивное сопротивление.
Значение Е» зависит от параметров двигателя и его загрузки до к. з.; его можно найти приближенно по соотношению

где

— напряжение, ток и фазовый угол двигателя в нагрузочном режиме.
Знак «-» соответствует асинхронному двигателю и недовозбужденному синхронному, знак «+»- перевозбужденному синхронному двигателю. При отсутствии исходных данных можно принимать Е»=0,9 для асинхронного двигателя и Е» = 1,1 для синхронного.
Сверхпереходное индуктивное сопротивление х» для асинхронного двигателя в каталоге обычно не приводится, поэтому сверхпереходный ток его определяют по кратности пускового тока :

Для синхронного двигателя и асинхронного двигателя типа ВДД следует принимать

Ударный ток двигателя

Общее выражение ударного тока для двигателя то же, что и для генератора (см. раздел):

Так как постоянные времени затухания периодической и апериодической составляющих тока у двигателя близки друг к другу, то при определении

следует учитывать затухание обеих составляющих, т. е.

где

— действующее значение периодического тока при t=0,01 с, — апериодический ток при t=0,01 с.
Используя приведенную выше упрощенную формулу для тока , получим следующее выражение для ударного коэффициента:

Средние значения

и для разных серий асинхронных двигателей даны в табл. 38-8.
Ударный коэффициент можно приближенно определить по рис. 38-41, где дана зависимость от номинальной мощности асинхронного двигателя.
Для синхронных двигателей ударный коэффициент обычно лежит в пределах 1,75-1,9, причем верхнее значение относится к наиболее мощным двигателям (по 10-12 МВт в единице).

Таблица 38-8 Средние значения постоянных еренени для серий асинхронных двигателей
Серии асинхронных двигателей	Расчетные постоянные времени, с
АО	0,04	0,028
ДАЗО	0,1	0,01
А	0,04	0,04
АТД	0,0006/Sн	0,058
ATM	0,075	0,043
ВДД	0,06	0,07
ДВДА	0,07	0,04
ДАМСО	0,044	0,035

Рис.

38-41.

Значения ударного коэффициента для асинхронных двигателей

Токи двигателя в переходном процессе короткого замыкания. Ток к моменту отключения короткого замыкания

При расчете тока к.з. от двигателей для проверки аппаратов РУ или выбора релейной защиты периодическую составляющую тока от асинхронного двигателя можно определить по упрощенному выражению

где

— расчетная постоянная времени периодического тока; — сверхпереходное индуктивное сопротивление, определяемое по кратности пускового тока; — активное сопротивление ротора при номинальном скольжении, приведенное к статору.
Апериодические составляющие тока синхронного и асинхронного двигателя при наибольшем ее начальном значении определяют по выражению

где

постоянная времени апериодического тока; — активное сопротивление статорной цепи, включая внешнее сопротивление до точки к. з.
При отсутствии точных параметров значения и для асинхронного двигателя следует принимать по табл. 38-8.
Упрощенное выражение для периодической составляющей тока синхронного двигателя без учета форсйровки возбуждения имеет вид

где

— сверхпереходный ток двигателя; — установившийся ток двигателя.
Синхронная э. д. с. примерно пропорциональна току возбуждения в предшествующем режиме:

Для определения периодического и апериодического токов двигателя к моменту отключения к. з. в выражениях токов

и следует подставить t=τ — расчетное время отключения.
Периодический ток двигателя к моменту отключения:
— асинхронный двигатель;
-синхронный двигатель.
Апериодический ток двигателя к моменту отключения

Ток короткого замыкания от группы двигателей

На некоторых установках к шинам 3-10 кВ подключен ряд двигателей, в общем случае различных по типу и мощности. При оценке результирующего влияния всех двигателей на ток к. з. в месте повреждения целесообразно все двигатели или отдельные группы их заменить одним эквивалентным двигателем. При эквивалентировании должны быть выполнены условия; периодическая и апериодическая составляющие тока в момент t переходного процесса от группы двигателей и от эквивалентного двигателя должны быть равны друг другу с допустимой погрешностью. При малой продолжительности к. з. (до 0,2 с) можно эквивалентировать совместно группу из синхронных и асинхронных двигателей. В этом случае условия эквивалентирования группы из n двигателей будут:

Сверхпереходный ток эквивалентного двигателя

определяют как сумму сверхпереходных токов отдельных двигателей:

Постоянные времени

и эквивалентного двигателя следует определять как средневзвешенные величины в зависимости от сверхпереходных токов отдельных двигателей:

Периодическая и апериодическая составляющие тока к. з. от группы двигателей (или эквивалентного двигателя) равны:

При продолжительности к. з. более 0,2 с синхронные двигатели следует учитывать отдельно.

Учет токов короткого замыкания двигателей в установках собственных нужд 3-6 кВ тепловых электростанций

При выборе аппаратов и кабелей сети 3- 6 кВ собственных нужд тепловых станций с мощными блоками следует учитывать подпитку от двигателей с. н. 3-6 кВ. При определенной мощности генератора и пылеугольном топливе состав двигателей с. н. блока примерно одинаков. Это позволяет упростить учет токов к. з. от двигателей с. н.
Использованием изложенного выше метода эквивалентирования двигателей получены параметры эквивалентного двигателя, заменяющего группу двигателей, подключенных к секции с. н. одного блока. Если секция получает питание от трансформатора с расщепленной обмоткой, то учитываются двигатели одной .полусекции, связанные электрически.
В табл. 38-9 приведены параметры эквивалентного двигателя для с. н. блоков 100- 300 МВт. Даны значения ударного коэффициента

и коэффициентов и , характеризующие периодический и апериодический токи двигателя к моменту отключения к. з.

Время отключения принято τ=0,1 с. Суммарная номинальная мощность двигателей и суммарный номинальный ток должны быть известны для конкретной станции. При отсутствии точных данных можно принимать номинальную мощность двигателей с. н. 6 кв блока равной 6-8% мощности блока.
По данным табл. 38-9 ток к. з. от двигателей с. н. секции блока определяют следующим образом.
Сверхпереходный ток

где

— сумма, номинальных токов двигателей с. н. секции.
Ударный ток

Ток к моменту отключения при t=0,1 с (выключатели ВМП-10, ВМГ-133, ВЭМ-6): периодическая составляющая

апериодическая составляющая

Таблица 38-9 Характеристика группы двигателей собственных нужд блока с турбогенератором
Рн блока, МВт
100 150 200 300	5,7 — 5,8 5,5	0,08 0,08 0,09 0,05	0,04 0,03 0,035 —	1,65 1,59 1,65 —	0,29 0,29 0,33 0,14	0,08 0,04 0,06 —

Ток короткого замыкания

: почему это важно?

Анализ токов короткого замыкания является неотъемлемой частью проектирования и безопасной эксплуатации электрических систем. Многие компании провели исследования вспышки дуги и завершили маркировку для повышения электробезопасности, но знаете ли вы, что получение оборудования, должным образом рассчитанного на короткое замыкание, так же важно, как и знание опасности вспышки дуги и ее снижение?

Все в деталях

С точки зрения электротехники короткое замыкание — это когда электрический ток протекает по непреднамеренному пути с очень низким импедансом. Это приводит к чрезвычайно высокому току, протекающему по цепи. Доступное короткое замыкание, рассчитанное в точке системы, представляет собой максимальный ток, который система может подать в эту точку. Затем рассчитывается номинальная мощность короткого замыкания электрического компонента и проверяется максимальный ток, который устройство может безопасно выдержать.

Согласно Национальному электрическому кодексу, вы должны маркировать сервисное оборудование с указанием возможного короткого замыкания. Промышленные панели управления не должны устанавливаться там, где доступный ток короткого замыкания превышает указанный номинал. Системы могут действовать непредсказуемо, когда доступная энергия короткого замыкания превышает указанную номинальную мощность оборудования.

Что может пойти не так? Контакты внутри автоматического выключателя могут перегореть и не позволить выключателю устранить неисправность. Механические нагрузки на шины внутри распределительного щита могут привести к поломке их опор и возникновению дугового разряда. Оборудование в панели управления могло «сгореть» и перестать работать должным образом. В каждом из этих случаев это может поставить под угрозу здоровье оборудования, безопасность персонала и способность установки нормально работать.

Обеспечение безопасности вашего предприятия

Во избежание подобных ситуаций при внесении изменений в электрическую систему учитывайте следующие рекомендации:

• Запасные части должны быть идентичны оригинальным, чтобы не изменить стойкость к короткому замыканию отремонтированного оборудования.
• Проведите элементарный анализ короткого замыкания перед заказом нового оборудования и поработайте с производителем, чтобы получить рейтинг, достаточный для установки.
• Отрегулируйте конструкцию электрической системы, чтобы уменьшить доступный ток короткого замыкания, чтобы привести его в соответствие с номиналами оборудования.

В качестве примера подумайте об объекте, рассматривающем возможность модернизации воздушного компрессора. Анализ короткого замыкания вернет следующие точки данных:

• Трансформатор мощностью 2500 кВА может обеспечить ток короткого замыкания примерно 53 000 А.
• Распределительный щит 3000A рассчитан на ток 65 кА, чтобы соответствовать доступному току системы.
• Рассчитывается, что MDP на 600 А обеспечивает доступный ток короткого замыкания приблизительно 37 000 А, поэтому панель приобретается с номинальным током 42 кА, чтобы соответствовать доступному току системы.
• Рассчитанный допустимый ток короткого замыкания на воздушном компрессоре на 200 А составляет приблизительно 23 000 А, поэтому производитель поставляет воздушный компрессор с номинальным током 30 кА для согласования с доступным током системы вместо типичных номинальных значений 5 кА для этой машины.

Если вы хотите узнать больше о последствиях короткого замыкания и электробезопасности для вашего предприятия, позвоните в Interstate сегодня по телефону 712-722-1662.

Сэм Фопма, ЧП, старший инженер проекта

Этот блог изначально был опубликован в выпуске Current Connections за весну 2021 года.

Какие существуют типы токов короткого замыкания?

elec calc™ может рассчитать различные типы короткого замыкания. Эти данные актуальны, поскольку в зависимости от типа установки, системы заземления и точки, в которой может произойти короткое замыкание, мы точно не знаем, какой из них будет наиболее опасным. Таким образом, средства защиты системы должны быть рассчитаны на то, чтобы они могли работать против любого отказа.

Целью этой статьи является описание различных типов отказов, чтобы лучше понять расчетные значения:

• I _k3 : Соответствует трехфазному короткому замыканию. Три фазы в одной цепи случайно соприкоснулись. Типичными примерами, которые могут вызвать этот сбой, могут быть случайные падения на наши кабели, случайный недосмотр металлического инструмента над неизолированными проводниками… и т. д. Обычно это максимальное значение среди всех типов.

Трехфазное короткое замыкание (*)

• I _k2 : Двухфазное короткое замыкание. Две фазы случайно соприкасаются. Его причины могут быть аналогичны трехфазному отказу, хотя может случиться так, что проводник оторвется от места крепления и придет рядом с ближним, или просто грязь между двумя проводниками, снижающая изоляцию. Этот тип неисправности также может сочетаться с двухфазным коротким замыканием на землю, в этом случае он называется I _kE2E .

Двухфазное и двухфазное короткое замыкание на землю (*)

• I _k1 и I _f : Однофазное и двухфазное короткое замыкание на землю. В этом случае оба типа соединяются вместе, фазный проводник может контактировать с нулевым или заземляющим проводником. В зависимости от используемой системы заземления расчеты производятся по-разному. Это обычно является наиболее вероятным коротким замыканием и может быть вызвано случайным отсоединением проводника, грязью, вызывающей потерю изоляции, мышами, разрушающими оболочку кабеля…

Короткое замыкание фаза-земля (*)

Ток короткого замыкания

Частичные токи короткого замыкания в проводниках и на землю

представляет собой второй отказ короткого замыкания, так как после первого отказа циркуляция тока очень низкая или почти нулевая (хотя это отказ, который должен быть устранен как можно скорее).

Значение токов короткого замыкания

Помимо различной природы короткого замыкания, значения токов не всегда одинаковы. Это связано с тем, что соединительная сеть постоянно изменяется с точки зрения напряжения, уровня нагрузки и т. д., что приведет к тому, что в случае отказа ток короткого замыкания будет колебаться в диапазоне максимальных и минимальных значений.

Максимальные токи короткого замыкания

Они соответствуют работе сети с большей мощностью в точке подключения, в этом случае подходящие токи короткого замыкания будут иметь более высокие значения, и тогда ущерб будет более значительным. Тогда защиты, помимо нормальной работы, должны будут выдерживать эти значения, чтобы избежать постоянных перерывов или повреждений в другом оборудовании, эти значения определяют минимальное требование к отключающей способности устройств.

Минимальные токи короткого замыкания

В этих случаях сеть ведет себя с меньшей мощностью (но, очевидно, в пределах допустимого диапазона). Токи короткого замыкания будут меньше, даже в ряде случаев их порядок величины будет сравним с перегрузками. В любом случае короткое замыкание, даже минимального значения, все равно является неисправностью установки, которую необходимо немедленно устранить. Тогда защита должна срабатывать против таких отказов, в противном случае эффект короткого замыкания будет распространяться на другие точки установки, вызывая несколько повреждений.