Лекция 12. Расчет параметров проводки и защитных приборов с точки зрения короткого замыкания
Содержание лекции:
- проверкапараметров проводки с точки зрения максимальных и минимальных токов короткого замыкания.
Цель лекции:
- ознакомление с расчетами параметровпроводки и защитных приборов с точки зрения короткого замыкания.
Расчет параметров проводки с точки зрения короткого замыкания
Проводки (проводники и кабели) и приборы, включенные в цепь, должны выдержать максимальный ток короткого замыкания, который в проводке может появиться. Это ток, который возникает в результате короткого замыкания в начале проводки, до того не нагружаемой, также электрическое сопротивление считывается минимальным. На эти максимальные возможные токи короткого замыкания, которые различны в зависимости от того, в какой точке сети мы рассчитываем их, проверяются как проводки, так и приборы. Кроме того, необходимо проверить, способны ли защитные приборы срабатывать и при самых малых токах короткого замыкания, которые в цепи возникнут.
Здесь необходимо осознать:
- что функция защитных приборов вызывается током короткого замыкания и он, если слишком малый, не будет толчком для отключения защитного прибора;
- и также, что и эти «небольшие» токи короткого замыкания могут в течение более продолжительного времени воздействия повредить приборы, провода, кабели и электрические компоненты, включенные в цепь с коротким замыканием.
Проводки проверяются с точки зрения максимальных токов короткого замыкания. Для каждого кабеля указано значение кратковременно выдерживаемого тока для времени 0,1 с, т. е. Icw (0,1s). Это значение тока короткого замыкания, которое может проходить кабелем в течение 0,1 с, без нагревания кабеля до температуры, которая выше температуры, допустимой при коротком замыкании. Определим, почему это значение приводят для времени короткого замыкания 0,1с? Дело в том, что это самое продолжительное время, которое указано в продуктовых стандартах для автоматических выключателей, за которое автоматические выключатели должны отключить короткое замыкание, и, следовательно, это самое продолжительное время прохождения ожидаемого тока короткого замыкания кабелем. Как правило, однако продолжительность короткого замыкания бывает короче. Обычные автоматические выключатели отключают короткое замыкание существенно раньше в течение 0,1 с (небольшие автоматические выключатели в течение порядка нескольких миллисекунд, силовые автоматические выключатели - в течение десяток миллисекунд).
Указанная величина выведена из предположения, что все тепло, которое образуется в результате прохождения тока короткого замыкания, также и поглощается этим проводом и нагревает его. Это предположение оправдано по той причине, что в течение короткого времени прохождения тока короткого замыкания не будет иметь место существенная передача тепла в окружающую среду. В любом случае, однако, неисправность, которая возникнет пренебрежением передачи тепла в окружающую среду, направлена в сторону безопасности. Действительный ток, значит, мог бы быть даже незначительно выше тока, рассчитанного на основании указанного предположения. При использовании расчетных программ выполняется перерасчет действительного тока короткого замыкания 
(начального) на эквивалентный ток повышения температуры провода для 0,1 с 
. Это ток, который проходил бы проводником в течение 0,1 с и имел бы одинаковое воздействие, как действительный ток короткого замыкания, который проходит там в течение времени Ttr (от начала короткого замыкания до отключения). Этот ток сравнивается с 
, и он должен быть меньше , т. е. 
. Важно то, что значение Icw для времени 0,1 с можем рассчитать просто на основании материала и сечения проводника.
Расчет параметров защитных приборов с точки зрении короткого замыкания.
С одной стороны требуется проверка с точки зрения максимальных токов короткого замыкания, т. е. выдержат ли защитные приборы, и с другой стороны также проверка с точки зрения минимальных токов короткого замыкания, т.е. отключатся ли данные приборы.
Проверка с точки зрения максимальных токов короткого замыкания.
Приборы, которые включены в цепь, где имело место короткое замыкание, должны выдержать это короткое замыкание. У автоматических выключателей с одной стороны важно то, чтобы они реагировали на ток короткого замыкания, с другой стороны важно и то, чтобы они были способны осуществить отключение короткого замыкания. Поэтому приборы проверяются и с точки зрения прохождения тока короткого замыкания. У небольших автоматических выключателей (MCB) приводится один параметр - номинальная отключающая способность 
, у силовых автоматических выключателей приводится две отключающие способности, а именно: номинальная предельная отключающая способность 
и номинальная рабочая отключающая способность 
. Гарантировано, что автоматический выключатель выдержит прохождение тока , и что он отключит его. Потом, однако, уже не гарантировано, что автоматический выключатель будет выполнять все должные требования. Иначе говоря - уже не гарантировано, что он отключит такой ток во второй раз. Что касается тока , то для него гарантировано, что ток равный выключатель не только отключит, но и останется далее работоспособным, и что после этого отключения он будет удовлетворять соответствующим параметрам. Значит, после короткого замыкания его не нужно заменять.
Ток отключения короткого замыкания 
, т.е. ток короткого замыкания в момент отключения, который состоит с одной стороны из своей переменной составляющей 
, и с другой стороны из постоянной составляющей 
( 
), сравнивается со значениями и автоматического выключателя или со значением плавкого предохранителя (его номинальной отключающей способностью). Ток короткого замыкания должен быть меньше . Если, однако, нужно, чтобы автоматический выключатель остался далее работоспособным и после короткого замыкания, то ток короткого замыкания должен быть меньше .
Проверка с точки зрения минимальных токов короткого замыкания - защита от опасного прикосновения к частям, не ведущим ток. Одним из самых используемых способов обеспечения защиты от опасного прикосновения к частям, не ведущим ток (более правильно: защиты при неисправности) является защита автоматическим отключением от источника. В случае неисправности (пробоя изоляция между токоведущей частью и частью, не ведущей ток) обеспечено отключение цепи пригодным защитным прибором.
Максимальный ожидаемый ток короткого замыкания — это ток на линейных зажимах устройства защиты от короткого замыкания, который может быть рассчитан, когда известны параметры сети питания и параметры электроустановки со стороны питания до места установки устройства защиты.
Минимальный ожидаемый ток короткого замыкания — это ток, соответствующий короткому замыканию в самой отдаленной точке защищаемой цепи, при коротком замыкании между фазой и нейтралью или, если нейтраль не распределена, между фазами. В случае питания установки от нескольких источников рассматривается только один источник, имеющий максимальное внутреннее полное сопротивление.
При отсутствии достаточно определенной информации для расчета минимальных токов короткого замыкания могут быть сделаны следующие упрощающие допущения:
принимается, что сопротивление электропроводки увеличено на 50% по отношению к его значению при 20°С из-за нагрева проводников током короткого замыкания;
если полное сопротивление цепи со стороны источника питания неизвестно, то принимается, что напряжение источника питания снижено до 80 % номинального напряжения.
Расчет минимального тока КЗ производится по следующим формулам.
Для трехфазных цепей с нераспределенной нейтралью (КЗ между фазами):
(1)
где I — ожидаемый ток короткого замыкания, А;
U — линейное напряжение источника питания, В;
— электрическое удельное сопротивление жилы кабеля, Ом мм2/м, при 20°С;
L — длина защищаемой проводки, м;
S — площадь поперечного сечения жилы кабеля, мм2.
Для трехфазных цепей с распределенной нейтралью с уменьшенным или неуменьшенным поперечным сечения (КЗ между фазой и нейтралью):
(2)
где U0 — номинальное напряжение источника питания между фазой и нейтралью, В;
m — отношение между сопротивлением нейтрального проводника и сопротивлением фазного проводника (или отношение между ,,площадью поперечного сечения фазного проводника и площадью поперечного сечения нейтрального проводника, если они сделаны из одного и того же материала — меди или алюминия).
Примечание: принимается 0,018 для меди и 0,027 для алюминия; для проводников с площадью поперечного сечения выше 95 мм2 должно учитываться реактивное сопротивление; коэффициент 1,5 учитывает увеличение сопротивления проводников вследствие превышения температуры.
Расчетные токи короткого замыкания используют для определения требуемой отключающей способности устройства защиты при коротком замыкании.
По минимальному току короткого замыкания выбирают ток мгновенного отключения автоматического выключателя, который должен быть не менее расчетного минимального тока короткого замыкания.
Рабочие условия могут, однако, потребовать выбора устройства защиты по наибольшей отключающей способности при КЗ, например, если устройство располагается на главном вводе электроустановки.
Программы «GUEXPERT» и «GUSELECT» используются ведущими проектными институтами России, СНГ и Прибалтики и во многих энергосистемах. «GUEXPERT» - расчет коротких замыканий в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ в соответствии с ГОСТ Р 50270-92 и ГОСТ 28895-91 (МЭК 949-88). Вычисляются токи, напряжения, температуры кабелей, при симметричных и несимметричных металлических и дуговых коротких замыканиях с учетом подпитки от асинхронных двигателей.