Выбор точек и расчет токов короткого замыкания

Расчёт токов короткого замыкания (токов КЗ) необходим для последующего выбора устойчивого к действиям токов КЗ оборудования и проводящих частей, а также для выбора установок релейной защиты и защитных аппаратов.

Для расчёта токов трёхфазного КЗ составляем расчётную схему (рис. 2.3), учитываем источник питания и все элементы схемы, которые влияют на значения с указанием их параметров. Сечения проводников и коммутационные аппараты предварительно выбраны по номинальному току. По расчётной схеме составляем схему замещения, в ней указываем сопротивления всех элементов и намечаем точки для расчёта токов КЗ.

Рассчитаем сопротивления элементов цепи КЗ, приняв за основную величину напряжения 1в = 400 В.

Определим токи однофазного, двухфазного и трехфазного короткого замыкания для двух точек К1 и К2. Составим схемы замещения для точки К1:

Рис.3. Схема замещения для точки К1

Определим полное сопротивление линии:

(27)

(28)

(29)

где γ – удельная проводимость материала, для меди γ=50 м/(Ом*мм²);

S – сечение проводника, мм².

(30)

где x₀– удельное индуктивное сопротивление, мОм/м.

Сопротивления трансформатора равны:

Определим значение трехфазного тока КЗ:

(31)

где U– напряжение в точке КЗ, В;

Z_k- полное сопротивление до точки КЗ.

Ударный коэффициент равен

(32)

Ударный ток КЗ равен:

Действующее значение ударного тока равно:

(33)

- коэффициент действующего значения ударного тока.

Двухфазный ток КЗ:

(34)

Однофазный ток КЗ равен:

(35)

где Z_П– полное сопротивление петли «фаза-нуль» до точки КЗ.

(36)

Для точки К2:

Рис.4. Схема замещения для точки К2

Определим полное сопротивление линии:

Сопротивления трансформатора равны:

Определим значение трехфазного тока КЗ:

Ударный ток КЗ равен:

Двухфазный ток КЗ:

Однофазный ток КЗ равен:

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.4.

Таблица 2.4 – Сводная ведомость токов КЗ по точкам.

№ точек КЗ	Трехфазные токи КЗ	Двухфазные токи КЗ	Однофазные токи КЗ
Xл, мОм	Rл, мОм	Zп, мОм	Iк(3), кА	Ку	iу, кА	q	Iу, кА	Ik(2), кА	Xп, мОм	Rп, мОм	Zп, мОм	Iк(1), кА
К1	0,48	0,27	18,54	11,8		16,63		11,8	10,14	0,96	0,27	0,99	5,7
К2	1,71	0,27	19,9	11,04		15,56		11,04	9,5	3,42	0,27	3,52	5,54

2.6 Расчет и выбор питающих и распределительных линий

Выбор питающей кабельной линии будем производить по экономической плотности тока в нормальном режиме, по длительно допустимому току нагрузки в аварийном режиме (при повреждении одного из кабелей), с последующей проверкой на термическую устойчивость токам КЗ и на падение напряжения.

Для выполнения прямых участков линий служат прямые секции, для поворотов – угловые, для присоединений – присоединительные. Соединение шин на месте монтажа производят болтовыми соединениями. На каждые 3 м секции шинопровода может быть установлено до 8-ми ответвительных коробок (по 4 с каждой стороны). В ответвительных коробках устанавливают автоматические выключатели или рубильники-предохранители. Крепление шинопроводов выполняют кронштейнами к колоннам на высоте 4 метров от уровня пола.

Спуск кабелей, проводов от шинопровода к распределительным шкафам или отдельным электроприёмникам осуществляется по стенам в трубах. Участки кабелей питающих отдельные электроприемники проложены в трубах заделанных в чистовой пол.

Распределение внутри производим кабельными линиями:

а) Схема внутреннего электроснабжения

Рис. 5. Радиальная схема электроснабжения

б) Расчёт цеховой питающей сети радиальной схемы:

Сечение линии определяется по экономической плотности тока jэ:

(37)

где I_р - расчетный ток кабельной линии в нормальном режиме, А;

j_э - экономическая плотность тока, А/мм² , принимаем j_э = 1,4 А/мм²

(38)

Выбирается кабель 2АCБ-10-3×16, для него: I_дл.доп = 75 А; R₀ = 1,94 Ом/км; X₀ = 0,113 Ом/км.

Выбранное сечение проверяется:

Проверка кабеля по условию нагрева в нормальном режиме:

Определяется расчетный ток одного кабеля

(39)

где - число запараллеленых кабелей в одну линию

А

Определяется ток одного кабеля в послеаварийном режиме:

(40)

А;

Определяется длительно - допустимый ток кабеля с учётом прокладки:

(41)

где k_п – поправочный коэффициент на количество кабелей, проложенных в одной траншее;

k_t – поправочный коэффициент на температуру окружающей среды;

k_п = 0,92;

k_t = 1.

Проверяется выполнение условия нагрева в нормальном режиме:

I'_дл.доп ≥ I_рк;

I'_дл.доп = 69 А > I_рк = 9,34 А – условие выполняется.

Проверка кабеля по условию нагрева в послеаварийном режиме:

Определяется коэффициент аварийной перегрузки в зависимости от вида прокладки кабеля, коэффициент начальной загрузки и длительности максимума:

(42)

Определяется допустимый ток кабеля в послеаварийном режиме:

(43)

Проверяется выполнение условия нагрева в послеаварийном режиме:

I'_ав ≥ I_ав;

I'_ав = 93,15 А > I_ав = 18,7 А – условие выполняется.

Проверка выбранного сечения по допустимой потере напряжения:

ΔU ≤ ΔU_доп

ΔU_доп=5 %· U_н;

ΔU_доп = 0,05·10 = 0,5кВ

= , (44)

где r_о - удельное активное сопротивление кабеля, Ом/км;

х_о - удельное реактивное сопротивление кабеля, Ом/км;

l - длина кабельной линии, км.

В

ΔU_доп = 500В > ΔU = 4,34В - условие выполняется.

Производится проверка сечения на термическую стойкость:

F_т= , (45)

где С – коэффициент изменения температуры;

t_пр – приведённое время КЗ, с (t_пр = 1,075);

F_т = мм²;

F_р > F_т

F_р = 16 < F_т = 50,2 – это условие не выполняется.

Окончательно принимается стандартное сечение жил кабеля и кабель марки 2АСБ-10-3×50 сечением 50 мм², для которого I_дл.доп. = 145 А [3,с.274].

в) Определяется сопротивление линии от ТП до РП-1 формула:

(46)

где - сопротивление одного километра кабеля определяется по формуле:

(47)

γ-для алюминия равна 30÷35

г) Определяются потери мощности в данной линии формула:

(48)

д) Определяются потеря напряжения в данной линии формула:

(49)

Аналогично производится расчёт для остальных РП, данные заносятся в таблицу 2.5.

Таблица 2.5 – Технико-экономические характеристики кабелей.

Наименование кабеля	Iнарг, А	Тип и сечение кабеля	Iдоп, А	L, км	R0, Ом/км	R, Ом	ΔP, кВт	ΔU, %
ТП-РП1		АВВГ4х150		0,042	0,22	0,009	1,2	0,8
ТП-РП3	116,7	АВВГ4х70		0,042	0,447	0,018	1,7	0,84
ТП-РП2	164,5	АВВГ4х95		0,025	0,329	0,008		0,51
ТП-РП4	47,8	АВВГ4х16		0,014	1,95	0,027	0,09	0,52
итого							4,99	2,67

Для приёма и распределения электроэнергии к группам потребителей переменного тока промышленной частоты напряжением 380 В применяют силовые распределительные пункты.

В качестве распределительных пунктов используются шкафы с предохранителями, либо с автоматическими выключателями. Шкафы с предохранителями имеют на вводе рубильник. Шкафы с автоматическими выключателями выполнены с зажимами на вводе. Технические характеристики шкафов представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 Распределительные пункты

№ РП	Тип шкафа	Номинальный ток шкафа IНш, А	Количество отходящих линий	Номинальный ток предохранителя, автомата Iн, А	Тип предохранителя	Тип автоматического выключателя
РП1	ПР8501-003				-	ВА51-33
РП2	ПР8501-003				-	ВА51Г-31
РП3	ШР11-73708-22У				ПР-2-200	-
РП4	ШР11-73708-54У				ПР-2-350	-
РП5	ПР8501-003				-	ВА51Г-25
РП6	ПР8501-013				-	ВА51-33
РП7	ПР8501-013				-	ВА51-33
РП8	ШР11-73708-22У				ПР-2-200	-

Пример распределительного пункта (РП8):

Рис. 6. Распределительный пункт РП8

2.7 Выбор основного оборудования на подстанции и аппаратов защиты

В сетях до 1 кВ защиту электрооборудования выполняют плавкими предохранителями и расцепителями автоматических выключателей.

а) Выбор предохранителей.

Плавкий предохранитель предназначен для защиты электрических установок от коротких замыканий и перегрузок. Основными его характеристиками являются ток плавкой вставки I_{ном вст}, номинальный ток предохранителя I_{ном пр}, номинальное напряжение предохранителя U_{ном пр}, номинальный ток отключения предохранителя I_{ном откл}, защитная (времятоковая) характеристика предохранителя.

Наибольшее распространение в сетях до 1 кВ получили предохранители типа НПН (насыпной неразборный) и типа ПН2 (насыпной разборный).

Выбор предохранителей производится по следующим условиям:

U_ном.пр ≥ U_c, (50)

I_ном.пр ≥ I_p.max, (51)

Где U_c –номинальное напряжение сети;

I_p.max – максимальный рабочий ток.

Плавкая вставки для безинерционных предохранителей выбирается следующим образом:

I_{ном.вст} ≥ I_p.max, (52)

I_{ном.вст} ≥ i_n./К_пер, (53)

Где i_n – пусковой ток одного двигателя.

К_пер – 2,5 коэффициент перегрузки для легких условий пуска [3,с.284]

Выбор предохранителей для станка №27:

U_c= 0.4 кВ; I_p.max =7,47 А; i_n./К_пер=7,5·7,47/2,5=22,41А.

Выбираем предохранитель типа НПН2-60 с током плавкой вставки I_{ном вст} = 63А.

Аналогично выбираются предохранители для остальных ЭП, результаты представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 Выбор предохранителей

Номер ЭП на плане	Ip, A	Марка предохранителя	in/Kпер, А	Iвст, А
1,4	62,26	ПН2-250	186,78
	47,02	ПН2-250	141,06
3,9,13,16,41	19,1	НПН2-60	57,3
5-7	34,53	ПН2-250	103,59
8,10	35,66	ПН2-250	106,98
11,12,14,15	22,92	ПН2-250	68,76
17,21,44,46	40,75	ПН2-250	122,25
18-20	134,06	ПН2-600	402,18
22-26,28	22,08	ПН2-250	66,24
27,35,37-39	7,47	НПН2-60	22,41
	7,73	НПН2-60	23,19
30,34	7,28	НПН2-60	21,84
31-33,36	13,58	НПН2-60	40,74
	24,62	ПН2-250	73,86
42,43	19,56	НПН2-60	58,68
	1,74	НПН2-60	5,22

б) Выбор автоматических выключателей.

Наряду с плавкими предохранителями в установках напряжением до 1 кВ широко применяют автоматические воздушные выключатели, выпускаемые в одно-, двух- и трехполюсном исполнении, постоянного и переменного тока.

Автоматические выключатели снабжают устройством релейной защиты, которое в зависимости от типа выключателя выполняют в реле токовой отсечки, максимальной токовой защиты или двухступенчатой токовой защиты. Для этого используют электромагнитные и тепловые реле. Эти реле называют расцепителями. Конструктивно автоматические выключатели намного сложнее предохранителей и представляют собой сочетание выключателя и расцепителя.

При выборе установок тока срабатывания автоматических выключателей необходимо учитывать различия в характеристиках и погрешности в работе расцепителей выключателей. Существуют следующие требования к выбору автоматических выключателей:

- Номинальное напряжение выключателя не должно быть ниже напряжения сети;

- Отключающая способность должна быть рассчитана на максимальные токи КЗ, проходящие по защищаемому элементу:

- Номинальный ток расцепителя должен быть не меньше наибольшего расчетного тока нагрузки, длительно протекающего по защищаемому элементу.

I_{ном.рас}≥ I_p.max (54)

Автоматический выключатель не должен отключаться в нормальном режиме работы защищаемого элемента, поэтому ток установки замедленного срабатывания регулируемых расцепителей следует выбирать по условию:

I_{ном.рас} ≥(1,1: 1,3) I_p.max (55)

При допустимых кратковременных перегрузках защищаемого элемента автоматический выключатель не должен срабатывать; это достигается выбором уставки мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя по условию

I_{ном.рас} ≥(1,25: 1,35)· i_пик; (56)

где I_пик – пиковый ток.

Пиковый ток рассчитывается по формуле:

i_пик= i_п.max+(I_p-k_и∙i_ном.max) (57)

где i_п.max – наибольший из пусковых токов двигателей группы приемников;

I_р – расчетный ток группы приемников;

k_и – коэффициент использования, характерный для двигателя, имеющего наибольший пусковой ток;

i_ном.max – номинальный ток двигателя с наибольшим пусковым током.

Выбор автоматического выключателя, защищающего РЩ1:

I_p.max=68,65 A,

I_пик.= 7,5∙62,26+(68,65-0,16∙62,26)=525,64А,

1,2· I_p.max =1,2·68,65=82,38 А

1,25·i_пик=1,25∙525,64=657,05А

Выбираем автоматический выключатель марки ВА-88-32 [1,табл.А.6]:

I_ном.а =100 A; U_ном.а =0,4 кВ; I_{ном.рас} =125 A; I _{рас.ном.э} =1250 A

Аналогично выбираем остальные автоматические выключатели, результаты показаны в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Выбор автоматических выключателей

Защищаемый элемент	Iр, А	1,2·Iр, A	Выключатель	Iном, А	Iрас.ном, А	iпик, А	1,25∙iпик, А	Iрас.ном.э,А
ГРЩ1	734,02	880,824	ВА-88-43			1718,02	2147,53
РЩ1	68,65	82,38	ВА-88-32			525,64	657,05
РЩ2	274,64	329,568	ВА-88-37			1258,64	1573,30
РЩ3	22,94	27,528	АЕ2046МП-100	31,5		166,51	208,14
РЩ4	32,73	39,276	АЕ2046МП-100			331,84	414,79
РЩ5	72,65	87,18	ВА-88-32			529,64	662,05
РЩ6	32,97	39,564	АЕ2046МП-100			201,20	251,50
ЩО	30,35	36,42	АЕ2046МП-100			30,35	37,94

Выбранные выключатели должны удовлетворять требованиям чувствительности: минимальный ток КЗ в самой удаленной точке защищаемой линии должен быть больше номинального тока расцепителя замедленного срабатывания не менее чем в 3 раза [3,с.291]:

I_откл > I⁽³⁾_п0, (58)

Условие, также соблюдается во всех выключателях в таблице 2.8.

Таблица 2.8 Проверка автоматических выключателей

Точка КЗ	Выключатель	Iрас.ном, А	3·Iрас.ном, А	Iоткл.кА	I(3)п0 кА
ГРЩ1	ВА-88-43				1,91
ЭП-34	АЕ2046МП-100			4,5	0,46

2.8 Расчет и выбор элементов релейной защиты трансформатора

а) Выбор сечения магистрального шинопровода.

Выбираем магистральный шинопровод по максимальному току (учитываем аварийный режим) ШМА4-1000-32-1УЗ - магистральный шинопровод, состоящий из 4 шин сечением 32 мм2, I_ном=1000 А, пожаробезопасность 1, для умеренного климата, для внутренней установки.

Выбираем магистральный шинопровод по максимальному току (учитываем аварийный режим) ШМА4-630-32-1УЗ - магистральный шинопровод, состоящий из 4 шин сечением 32 мм2, I_ном=630 А, пожаробезопасность 1, для умеренного климата, для внутренней установки.

б) Выбор кабелей и магнитных пускателей

Защита электродвигателя от перегрузок осуществляется тепловым реле РТ. Объясняется это тем, что тепловое реле имеет большую тепловую инерцию.

При коротком замыкании ток может повредить цепи раньше, чем сработает тепловое реле. Кроме того, контакты магнитных пускателей не рассчитаны на отключение токов короткого замыкания.

Поэтому в случае применения магнитных пускателей (с тепловым реле для защиты от перегрузок) для защиты от токов короткого замыкания, необходимо устанавливать последовательно с тепловым реле автоматы с электромагнитными расцепителями.

Магнитный пускатель отключает двигатель от сети при исчезновении напряжения или его понижении. Согласно ПУЭ автоматические выключатели устанавливаются только на РП отделений, для защиты от больших токов КЗ. На каждом распределительном щите устанавливается по одному магнитному пускателю на каждое ответвление к электроприемнику. Потери напряжения рассчитываются по формуле:

ΔU-√3·I_p·(r_удcosφ+x_удsinφ)·L/1000, (58)

где I_p- расчетный ток в кабеле, А;

r_уд, х_уд- удельное активное и индуктивное сопротивление кабеля;

L – Длина кабельной линии

Определяем потерю напряжения в проводе ЭП 34, который является наиболее удаленным от ТП:

ΔU=√3·13,58·(12,5·0,5+0,116·0,8)·12/1000=1,8 В,

Складывая данное значение с аналогично найденными потерями в кабельной линии от ТП к ГРЩ1 (1,3В) и в РЩ4 (3,5В), получаем наибольшую потерю напряжения в размере 6.6, что составляет 1,7% при допустимых 5%. Следовательно, кабель, питающий РЩ, и кабель к ЭП 34 успешно прошли проверку по допустимой потере напряжения.

б) Проверка выбранных сечений кабелей по условию соответствия выбранному аппарату МТЗ.

Принятые сечения проводов и жил кабелей должны соответствовать защитному устройству:

I_дл.доп.≥_Iз·k_защ, (59)

где I_з – параметр защитного устройства (ток срабатывания, номинальный ток);

k_защ – коэффициент защиты [3,табл.7.6].

Проверка выполнения условия сделана в таблицах 2.9 и 2.10 из которых хорошо видно, что это условие везде соблюдается.

Таблица 2. 9 Согласование питающих кабелей и выключателей

КЛ	Выключатель	kзащ	Iрас.ном,А	Iдл.доп.для кабеля,А	Iрас.ном∙kзащ
ТП-ГРЩ1	ВА-88-43	0,66
ГРЩ1-СП1	ВА-88-32	0,66
ГРЩ1-СП2	ВА-88-37	0,66
ГРЩ1-СП3	АЕ2046МП-100	0,66	31,5		20,79
ГРЩ1-СП4	АЕ2046МП-100	0,66			26,4
ГРЩ1-СП5	ВА-88-32	0,66
ГРЩ1-СП6	АЕ2046МП-100	0,66			26,4
ГРЩ1-ЩО	АЕ2046МП-100	0,66			26,4

Таблица 2.10 Согласование сечений проводов и предохранителей у ЭП

Номер ЭП на плане	Провод(кабель)	Iдл.доп.	Предохранитель	Iвст, А	kзащ	Iвст kзащ
1,4	АВВГ-3х35		ПН2-250		0,33	24,75
	АВВГ-3х16		ПН2-250		0,33	18,15
3,9,13,16,41	АВВГ-3х4		НПН2-60		0,33	6,93
5-7	АВВГ-3х10		ПН2-250		0,33	12,54
8,10	АВВГ-3х10		ПН2-250		0,33	12,54
11,12,14,15	АВВГ-3х10		ПН2-250		0,33	12,54
17,21,44,46	АВВГ-3х16		ПН2-250		0,33	18,15
18-20	АВВГ-3х95		ПН2-600		0,33	54,45
22-26,28	АВВГ-3х10		ПН2-250		0,33	12,54
27,35,37-39	АВВГ-3х2,5		НПН2-60		0,33	5,28
	АВВГ-3х2,5		НПН2-60		0,33	5,28
30,34	АВВГ-3х2,5		НПН2-60		0,33	5,28
31-33,36	АВВГ-3х2,5		НПН2-60		0,33	5,28
	АВВГ-3х10		ПН2-250		0,33	12,54
42,43	АВВГ-3х4		НПН2-60		0,33	6,93
	АВВГ-3х2,5		НПН2-60		0,33	5,28

Выбираем реле тока ТО типа РТМ.

Выбираем РТМ-IV, I_ср=100А

Выбираем реле МТЗ типа РТВ.

Выбираем РТВ-I, I_ср=5А