Максимальная токовая защита 3 страница
Автоматические выключатели(автоматы) используют для защиты линий, питающих электропотребители, от перегрузок и от токов короткого замыкания. Автомат отключается расцепителем, имеющим определенный ток срабатывания
I н расц.. Если ток в цепи, защищаемой автоматом, равен или превышает ток срабатывания расцепителя, последний освобождает подвижную систему автомата и он отключается.
Применяют расцепители тепловые, электромагнитные и комбинированные.
Комбинированный расцепитель состоит из теплового и электромагнитного элементов, действующих независимо на отключение автомата.
Тепловой расцепитель состоит из биметаллической пластины, выполненной из двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При сильном нагреве током перегрузки эта пластина расцепителя изгибается и освобождает подвижную систему автомата, который отключается.
На том же принципе выполняются и тепловые реле магнитного пускателя.
Автоматы с тепловыми расцепителями и магнитные пускатели с тепловым реле хорошо защищают линии электросети только от перегрузок, но не защищают их от токов короткого замыкания, так как обладают большой тепловой инерцией. Поэтому для защиты от токов короткого замыкания последовательно с такими автоматами включают плавкие предохранители, а последовательно с магнитными пускателями – также предохранители или автоматы с электромагнитными расцепителями.
Электромагнитный расцепитель отключает автомат при токе, равном или превышающем ток срабатывания автомата, причем действует он мгновенно независимо от степени этого превышения. Очевидно, что автомат с электромагнитным расцепителем может защищать линию электросети только от токов короткого замыкания, но не от перегрузок.
Основными достоинствами автоматов и магнитных пускателей по сравнению с плавкими предохранителями является более совершенная защита от перегрузок и токов короткого замыкания, а также одновременное отключение всех трех фаз сети и исключение работы электродвигателей на двух фазах, ведущей к перегреву. Последнее возможно при перегорании предохранителя в одной фазе линии.
Автоматы выбираются согласно условиям:
| IН.А. ³ IН.Р.; | Iн.расц ³ Iр– для линии без ЭД, |
| VН.А. ³ VС ; | Iн.расц. ³ 1,1Iр– для линии с одним ЭД, для автоматов, устанавливаемых вне щитов и сборок, |
| Iн.расц ³ Iр / 0,85 – для автоматов устанавливаемых внутри шкафов и сборок, |
где IН.А. – номинальный ток автомата, А,
Iн.расц – номинальный ток расцепителя автомата, А,
Iр– длительный расчетный ток в линии, А,
VН.А. – номинальное напряжение автомата, В,
VС – напряжение сети, В.
Защита от короткого замыкания осуществляется выбором уставки тока электромагнитного расцепителя:
Iотс ³ IДЛ – для линии без ЭД,
Iотс ³ 1,25Iпуск– для линии с одним ЭД,
Iпуск = К пуск IН.Д,
где Кпуск – кратность пускового тока. Принимается КП = 6,5… 7,5 – для АД,
КП = 2…3 – для СД и МПТ,
I Н.Д – номинальный ток двигателя, А,
Iпуск - пусковой ток, А.
Iотс ³ 1,25IПик - для групповой линии с несколькими ЭД,
где Iотс – ток отсечки, А,
Iпик– пиковый ток, А.
Зная тип, IН.А и число полюсов автомата, выписываются все каталожные данные.
Сечение проводов и кабелей при защите линий электросети автоматами и магнитными пускателями выбирают также по формуле:
,
как и при защите сети предохранителями. Затем, выбранное сечение проводов для силовых сетей проверяют по формуле:
,
где Кз – коэффициент соответствия, зависящий от условий прокладки и надзора за сетью: для промышленных сетей и силовых сетей в жилых зданиях Кз = 1.
Установочные автоматические выключатели проверяют также на динамическую устойчивость по ударному току короткого замыкания:
Iуст ³ iу.
Предохранители на ответвлении к двигателю с магнитным пускателем проверяются на селективность их действия. При коротком замыкании предохранитель должен сработать раньше пускателя
tср. пл < 0, 04 c,
при перегрузках первым должен срабатывать пускатель (тепловое реле).
tср пл > tср тепл .
Для определения tср пл и tср тепл пользуются токовременными характеристиками плавких предохранителей и тепловых реле.
В качестве противоаварийной автоматики в цеховых сетях применяется автоматический ввод резервного питания (АВР) от соседней магистрали или соседней ТП. Для этого используются автоматы и контакторы. Применение АВР позволяет устанавливать в цехе однотрансформаторные ТП вместо двухтрансформаторных.
8 Расход электроэнергии 
Расход электроэнергии разбивается на ряд статей:
- технологическая нагрузка,
- электропривод технологических механизмов,
- электротехнология (электротермия, электросварка, электролиз и др.),
- потребление электроэнергии на вспомогательные производства (вентиляция, водоснабжение, теплоснабжение, кислородные установки, подъемно-транспортные механизмы и др.),
- электрическое освещение и различные потери энергии (в сетях, трансформаторах, преобразователях, электродвигателях, электропечах и других электроустановках, а также в производственных механизмах и установках).
8.1 Расчет расхода электроэнергии
8.1.1 При наличии норм удельного расхода электроэнергии на единицу продукции в натуральном выражении по цехам или предприятию в целом годовой расход энергии может быть найден из выражения
, тыс. кВт∙ч,
где ωУД – удельный расход электроэнергии на единицу продукции, кВт×ч,
М – годовой выпуск продукции в натуральном выражении.
8.1.2 При отсутствии данных об удельных расходах годовой расход электроэнергии может быть определен по выражениям:
Wа,г = α Рсм Тг, тыс. кВт ∙ ч,
Wр, г = α Qсм Тг, тыс. кВАр ∙ ч,
где α – годовой коэффициент энергоиспользования, учитывающий неравномерность нагрузки по сменам, праздничные дни и сезонные колебания нагрузки,
Тг – годовое число часов использования максимума нагрузки, ч.
Таблица 8.1 - Годовое число часов работы предприятия
| Продолжительность смены, ч | Годовое число часов при числе смен | ||
| одна | две | три | |
Для ориентировочных расчетов:
W = Рм Тм, тыс. кВт ∙ ч,
Vp,г = Qм Тм , р, тыс. кВАр ∙ч,
где Тм , Тм , р – годовое число часов использования получасового максимума активной и
реактивной нагрузки, ч.
8.1.3 Годовой расход электроэнергии для освещения:
W осв = Рсм, осв Тм, осв , тыс. кВт ч,
W= Qсм , осв Тм , осв , тыс. кВАр ч,
где Тм , осв – годовое число часов использования максимума осветительной нагрузки, значения которого приведены в таблицах 8.1, 8.2.
8.1.4 Потери энергии в трансформаторах:
ΔW = (Pxx Tп + βТ2 Ркз τ) ∙N, тыс. кВт ∙ч,
, тыс. кВАр ∙ч,
где Тп – полное число часов подключения трансформатора к сети, ч,
τ – число часов использования максимума потерь, ч,
N – количество трансформаторов, шт.
Число часов включения Тв и число часов использования максимума активной нагрузки Тм принимают в зависимости от сменности по таблице 8.2:
Таблица 8.2 - Значение Тв , Тм , τмв зависимости от сменности работы
| Режим работы | Тв | Тм | τм при cos φ | |
| 0,8 | ||||
| Односменный | 1500-2000 | 650-920 | 500-700 | |
| Двухсменный | 2500-4000 | 1250-2400 | 950-2050 | |
| Трехсменный | 4500-6000 | 2900-4550 | 2500-4000 | |
| Непрерывный | 6500-8000 | 5200-7500 | 4500-7000 |
Число часов использования максимума потерь τм зависит от числа часов использования максимума нагрузки Тм и коэффициента мощности нагрузки. Его приближенное значение можно определить по формуле:
, ч.
Коэффициент мощности cosφ можно принимать для участков сети без искусственной компенсации равным 0,8, что даст достаточно обоснованные для практических расчетов значения τм.
Определяем средневзвешенный коэффициент мощности:
.
9 Расчет токов короткого замыкания 
Расчет токов короткого замыкания необходим для выбора и проверки коммутационной аппаратуры, трансформаторов тока и напряжения токоведущих частей, для расчета релейной защиты.
При расчете токов короткого замыкания выше 1000 В могут быть приняты 3 метода расчета:
- метод именованных величин,
- метод относительных величин,
- метод расчета по кривым затухания.
Основные допущения при расчете следующие:
- сопротивление в точке короткого замыкания равно 0,
- напряжение источника питания равно номинальному,
- переходными сопротивлениями коммутационных аппаратов пренебрегаем,
- допускается пренебрегать активным сопротивлением трансформаторов,
- можно пренебрегать активным сопротивлением меньше 1/3 результирующего индуктивного.
Исходной для расчета токов короткого замыкания служит упрощенная схема (однолинейная) электрических соединений, носящая название расчетной. В расчетную схему входят только те элементы установки, которые могут оказать существенное влияние на результаты расчета. Так, в расчетных схемах установок низкого напряжения учитываются переходные сопротивления контактов, сопротивления катушек расцепителей автоматических выключателей, сопротивления обмоток трансформатора тока и др. Пренебрежение этими сопротивлениями в ряде случаев может привести к значительному завышению расчетного тока короткого замыкания и к затруднениям при выборе защитной аппаратуры.
На основании заданной расчетной схемы составляется схема замещения, в которой все элементы цепи показываются связанными электрически. Каждый элемент в схеме обозначается дробью: в числителе – порядковый номер элемента по расчетной схеме, в знаменателе – значения индуктивного и активного (если им не пренебрегают) сопротивлений.
Входящие в расчет величины сопротивлений могут быть выражены либо в именованных, либо в относительных единицах – долях от принятой за основу базисной величины (мощность, ток, напряжение).
При небольшом количестве трансформаций (например, одной) и в том случае, когда большая часть элементов цепи короткого замыкания характеризуется сопротивлениями в именованных единицах (установки до 1 кВ), предпочтительнее метод именованных единиц.
При большом количестве трансформаций и в том случае, когда составляющие цепь короткого замыкания элементы характеризуются относительными (отнесенными к номинальным параметрам) сопротивлениями, предпочтителен метод относительных сопротивлений.
При расчете в относительных единицах сопротивления всех элементов цепи к.з. должны быть приведены к одному базисному напряжению, в качестве которого принимают среднее напряжение той ступени, на которой намечена расчетная точка короткого замыкания.
При расчете в относительных единицах базисные мощность и напряжение выбираются такого порядка, при котором значащие цифры относительных сопротивлений являются числами, отвечающими первым десяткам целых чисел, и дают простые множители при переводе из именованных единиц в относительные:
,кА.
Приведение осуществляется по формулам:
Индуктивное сопротивление внешней сети
,
где SКЗ – мощность отключения короткого замыкания – определяется по мощности отключения выключателя на ГПП, МВА,
Sб - базисная мощность, МВА.
Сопротивление трансформатора находим по следующей формуле:
,
где Uб – базисное напряжение, кВ,
UКЗ - напряжение короткого замыкания трансформатора, %,
SНТ – номинальная мощность трансформатора, МВА.
Сопротивление кабельной линии находим по формуле:
,
,
где L – длина линии, км,
X0 – удельное индуктивное сопротивление, Ом/км,
r0 – удельное активное сопротивление, Ом/км.
Сопротивление реактора находим по формуле:
,
где X0 – удельное сопротивление реактора, Ом.
Результирующее сопротивление цепи для трехфазного короткого замыкания
.
Таким образом, мощность и ток трехфазного короткого замыкания определяется следующим образом:
, МВА,
, кА.
Амплитудное значение ударного тока вычисляется с помощью ударного коэффициента Куд:
, кА,
, кА,
где Куд определяется в зависимости от расположения расчетной точки короткого замыкания в сети и отношения xΣ / rΣ . Для высоковольтных сетей промышленных предприятий без собственных ТЭЦ Куд = 1,4 – 1,2. При наличии ТЭЦ Куд = 1,8 – 1,4. В низковольтных сетях
Куд = 1,3 – 1. Чем ниже мощность трансформаторов, используемых в сети, и чем больше число ступеней трансформации от источников питания до точки короткого замыкания, тем меньше значение Куд.
Таблица 9.1 - Сопротивление трансформаторов, приведение к вторичному напряжению 0,4 кВ
| Номинальная мощность, кВА | ||||||||||||
| Активное, мОм | 38,4 | 10,8 | 9,7 | 5,7 | 4,8 | 3,2 | 2,1 | |||||
| Индуктивное, мОм | 79,2 | 28,9 | 25,8 | 17,2 | 14,9 | 13,4 | 8,5 | 5,4 |
Таблица 9.2 - Активные и индуктивные сопротивления кабелей
| Номинальное сечение, мм2 | Активное сопротивление жил при +20 С0, мОм/м | Индуктивное сопротивление, мОм/м Номинальное напряжение кабеля кВ | |||
| Алюмин. | медь | до 1 | |||
| 7,74 | 4,6 | 0,095 | - | - | |
| 5,17 | 3,07 | 0,090 | - | - | |
| 3,1 | 1,84 | 0,073 | 0,11 | 0,122 | |
| 1,94 | 1,15 | 0,0675 | 0,102 | 0,113 | |
| 1,24 | 0,74 | 0,662 | 0,091 | 0,099 | |
| 0,89 | 0,52 | 0,0637 | 0,087 | 0,095 | |
| 0,62 | 0,37 | 0,0625 | 0,083 | 0,090 | |
| 0,443 | 0,26 | 0,0612 | 0,080 | 0,083 | |
| 0,326 | 0,194 | 0,0602 | 0,078 | 0,083 | |
| 0,256 | 0,153 | 0,0802 | 0,077 | 0,081 | |
| 0,208 | 0,122 | 0,0596 | 0,074 | 0,079 | |
| 0,167 | 0,099 | 0,0596 | 0,073 | 0,077 | |
| 0,129 | 0,077 | 0,0587 | 0,071 | 0,075 |
Таблица 9.3 - Сопротивления шин
| Сечение шин, м | Активное сопротивление при +650С, мОм rш | Индуктивное сопротивление, мОм при Дср, мм Хш | ||||
| алюминий | медь | |||||
| 25´3 | 0,475 | 0,268 | 0,179 | 0,2 | 0,225 | 0,244 |
| 30´3 | 0,394 | 0,223 | 0,163 | 0,189 | 0,206 | 0,235 |
| 30´4 | 0,296 | 0,167 | 0,163 | 0,189 | 0,206 | 0,235 |
| 40´4 | 0,222 | 0,126 | 0,145 | 0,17 | 0,189 | 0,214 |
| 40´5 | 0,177 | 0,1 | 0,145 | 0,17 | 0,189 | 0,214 |
| 50´5 | 0,142 | 0,08 | 0,137 | 0,156 | 0,18 | 0,2 |
| 50´6 | 0,118 | 0,067 | 0,137 | 0,1565 | 0,18 | 0,2 |
| 60´6 | 0,099 | 0,0558 | 0,1195 | 0,1455 | 0,163 | 0,189 |
| 60´8 | 0,074 | 0,0418 | 0,1195 | 0,145 | 0,163 | 0,189 |
| 80´8 | 0,055 | 0,0313 | 0,102 | 0,126 | 0,145 | 0,17 |
| 80´10 | 0,0445 | 0,025 | 0,102 | 0,126 | 0,145 | 0,17 |
| 100´10 | 0,0355 | 0,2 | 0,09 | 0,1127 | 0,133 | 0,157 |
| 120´10 | 0,036 | 0,205 | 0,1 | 0,113 | 0,15 | 0,17 |
| 2 (60´8) | 0,037 | 0,0209 | 0,12 | 0,145 | 0,163 | 0,189 |
| 2 (80´10) | 0,0222 | 0,0125 | - | 0,126 | 0,145 | 0,17 |
| 2 (80´8) | 0,0277 | 0,0157 | - | 0,126 | 0,145 | 0,17 |
| 2 (100´10) | 0,0178 | 0,01 | - | - | 0,138 | 0,157 |
- Дср – среднегеометрическое расстояние между фазами.
- для воздушных линий выше 1 кВ – Х0 = 0,4 Ом/км,
- для кабельных линий 6-20 кВ – Х0 = 0,08 Ом/км,
- активное сопротивление шин:
r0 = 
,Ом, Х0 = 
,Ом, ρ = 0,0315 
.
Для выбора защитной аппаратуры в сетях всех напряжений необходим расчет токов трехфазного короткого замыкания. Для выбора уставок защитной аппаратуры в сетях низкого напряжения необходим расчет величины тока однофазного короткого замыкания на зажимах приемника, наиболее удаленного от источника питания.
Величина тока однофазного короткого замыкания в значительной степени определяется сечением нулевого провода на всех участках сети низкого напряжения, проводимость которого согласно требованиям ПУЭ 1.7.126 должна составлять не менее 50 % проводимости фазного провода (или согласно таблице 1.7.5)
Для проверки обеспечения отключений замыканий между фазным и нулевым проводами согласно ПУЭ 1.7.60 в сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью ток замыкания определяется по формуле:
, А,
где UФ – номинальное фазное напряжение сети, В,
zТ – полное сопротивление трансформатора току замыкания на корпус, Ом,
zП – полное сопротивление петли фазный провод – нулевой провод, Ом.
Для проводов из цветных металлов реактивное сопротивление петли принимается равным 0,6 Ом/км; для четырехжильного кабеля – 0,12 Ом/км.
Для стальных проводов (полос) активное сопротивление rа и внутреннее индуктивное xвнутр определяются при расчетных значениях тока, равных утроенному номинальному току плавкой вставки (3IНВ) или номинальному току расцепителя с обратнозависимой характеристикой времени срабатывания (IНР), в соответствии с типом применяемой защитной аппаратуры.
Внешнее индуктивное сопротивление стальных проводов составляет
0,6 Ом/км. Значения сопротивлений rа и xвнутр стальных проводов различных сечений могут быть рассчитаны по формулам:
, Ом,
xвнутр = 0,6rа, Ом,
где ρ0 = 0,15 Ом · мм 2 / м,
SСТ – сечение стальной полосы, мм 2,
k0 = 2 при толщине полосы 5 мм,
k0 = 1,8 при толщине полосы 4 мм,
k0 = 1,6 при толщине полосы 3 мм.
Таблица 9.4 - Значение сопротивлений автоматических выключателей, рубильников,
разъединителей до 1 кВ
| IН.А, А | Автомат | Рубильник | Разъединитель | ||
| RА, мОм | XА, мОм | Rконт , мОм | R, мОм | R, мОм | |
| 5,5 | 4,5 | 1,3 | - | - | |
| 2,4 | - | - | |||
| 1,3 | 1,2 | 0,75 | 0,5 | - | |
| 0,7 | 0,7 | 0,7 | 0,45 | - | |
| 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,4 | - | |
| 0,25 | 0,17 | 0,4 | 0,2 | 0,2 | |
| 0,2 | 0,13 | 0,25 | 0,15 | 0,15 | |
| 0,16 | 0,1 | 0,15 | 0,08 | 0,08 | |
| 0,14 | 0,08 | 0,1 | - | 0,06 | |
| 0,13 | 0,08 | 0,08 | - | 0,03 | |
| 0,13 | 0,07 | 0,07 | - | 0,03 | |
| 0,12 | 0,07 | 0,06 | - | 0,02 | |
| 0,1 | 0,05 | 0,05 | - | - |
10 Выбор аппаратуры и токоведущих частей электроустановок высокого напряжения 
Требования, предъявляемые к аппаратам, изоляционным конструкциям и проводникам электроустановок высокого напряжения, можно сформулировать следующим образом:
- электрическая прочность изоляции должна обеспечивать надежную и безопасную работу установок в длительном режиме и кратковременных перенапряжениях,
- нагрев проводников токами длительных рабочих режимов не должен превышать допустимого для применяемых материалов уровня,
- конструкция аппаратов и токоведущих частей должна быть устойчивой при термическом и динамическом воздействии на них токов короткого замыкания,
- конструктивное исполнение аппаратов распределительных устройств должно соответствовать условиям окружающей среды и роду установки (наружной или внутренней),