Расчет токов короткого замыкания для выбора и проверки аппаратуры и защитных аппаратов
По электрической сети и электрооборудованию в нормальном режиме работы протекают токи, допустимые для данной установки. При нарушении электрической плотности изоляции проводов или оборудования в электрической сети внезапно возникает аварийный режим короткого замыкания, вызывающий резкое увеличение токов, достигающих огромных значений, которые представляют большую опасность для элементов электрической сети и оборудования, так как они вызывают чрезмерный нагрев токоведущих частей и создают большие механические усилия.
Значения токов короткого замыкания (КЗ) необходимы для выбора оборудования, расчета и проверки релейной защиты, выбора устройств грозозащиты и заземления подстанции.
Расчет токов короткого замыкания начинается с составления схемы замещения (рис. 3.2, б), на которой указываются марки и сечения проводов, длины участков, мощности трансформаторов.
Принято, что в сетях 0,38 кВ, питаемых от системы электроснабжения, напряжение на высшей стороне понижающего трансформатора 10/0,4 кВ неизменно и равно номинальному значению. Таким образом, при определении результирующего сопротивления 
до точки КЗ учитывают активные и индуктивные сопротивления лишь трансформаторов и проводов линий 0,38 кВ.
Расчеты сводятся, как правило, к определению максимального тока трехфазного КЗ на шинах 10 и 0,4 кВ трансформатора и тока однофазного КЗ в наиболее удаленной точке линии. Значение тока трехфазного КЗ на шинах 10 кВ необходимо для проверки устойчивости аппаратуры, а также согласования действия защит трансформатора и линий 0,38 кВ; трехфазного тока КЗ на шинах 0,4 кВ - для выбора и проверки автоматических выключателей отходящихлиний 0,38 кВ; а однофазного тока КЗ в концелинии для проверки эффективности системы зануления.
а)
б)
Рисунок 3.2 – Схемы однофазного короткого замыкания в сети напряжением 0,38 кВ: а) – принципиальная; б) – замещения.
Расчет токов КЗ в сетях 0,38 кВ, как правило, проводят в именованных единицах.
Ток трехфазногокороткого замыкания на шинах 0,4 кВ равен (точка KЗ1 на рис. 3.2, а, б):
, (22)
где UК – напряжение короткого замыкания трансформатора 10/0,4 кВ, % [1, с.634, таблица 19.2].
Ток трехфазногоКЗ (шин 0,4 кВ), приведенный к напряжению 10 кВ:
, (23)
Значение ударного тока КЗ используемое для проверки аппаратуры на динамическую стойкость:
, (24)
где ky – ударный коэффициент, при КЗ в сети 10 кВ и 0,38 кВ ky = 1.
Токи двухфазного и однофазного КЗ в сетях 0,38 кВ, необходимые дляоценки чувствительности защиты, рассчитывают по формулам:
, 
, (25)
где Uф – фазное напряжение сети, кВ; 
– полное сопротивление короткого замыкания трансформатора, Ом [1, с.167, таблица 4.13]; Zп – полное сопротивление петли «фазный - нулевой провод линии», Ом.
Полное сопротивление петли «фазный - нулевой провод линии»:
, (26)
где l – длина линии 0,38 кВ от шин ТП до места однофазного КЗ, км; 
– удельные активные сопротивления токопроводящих и нулевой несущей жил, Ом/км, (таблица 3.5); 
– удельные внутренние индуктивные сопротивления токопроводящих и нулевой несущей жил,Ом/км, (таблицы 3.5 и 3.7); 
– удельное внешнее индуктивное сопротивление петли «фазный - нулевой провод линии», принимаемое для проводов из цветных материалов равным = 0,6 Ом/км [1].
Когда площади поперечного сечения проводов вдоль линии различны, нужно найти полное сопротивление каждого участка и результаты сложить.
Если ток КЗ недостаточен для срабатывания защиты, увеличивают площадь поперечного сечения проводов, либо берут трансформатор большей мощности.
3.9 Выбор электрооборудования ТП 10/0,4 кВ
Электрооборудование комплектных трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ в условиях работы сельских электрических сетей с малыми токами КЗ (по сравнению с промышленными подстанциями) как правило, отвечает всем требованиям. Однако в целях приобретения профессиональных навыков в курсовом проекте необходимо выбрать: разъединитель (QS1), предохранитель (F), рубильник (QS2), счетчики активной электроэнергии (Wh) и автоматические выключатели, защищающие отходящие от ТП линии 0,38 кВ (QF1-QF3) (рис. 3.3).
Согласно источнику [2] электрические аппараты выбирают по роду тока, номинальному току и напряжению и проверяют на динамическую и термическую устойчивости.
Рисунок 3.3 – Принципиальная однолинейная схема ТП 10/0,4 кВ
Для коммутаций отходящих линий 0,38 кВ и защиты их от КЗ, на подстанции со стороны напряжения 0,4 кВ устанавливаются автоматические выключатели типов А3700, АВ, АП и др.
Номинальное напряжение UН.А и ток IН.А автоматов должны соответствовать условиям нормального режима:
, 
, (27)
где 
– номинальное напряжение сети, В; 
– максимальный расчетный ток защищаемой линии, А.
Предельно допустимый ток отключения автомата должен соответствовать условию:
, (28)
Номинальный ток теплового расцепителя должен соответствовать следующему условию:
. (29)
Ток срабатывания электромагнитного расцепителя (отсечки) определяется следующим образом:
- для линийбез двигательной нагрузки:
; (30)
- для линий с двигательной нагрузкой:
, (31)
где 
– пусковой ток электродвигателя максимальной мощности.
Коэффициенты чувствительности определяют для каждого расцепителя в отдельности:
, 
, (32)
где 
, 
– минимальные значения тока однофазного КЗ в наиболее удаленной точке линии и тока двухфазного КЗ в месте установки автомата, соответственно.
Важно согласовать выбранный автоматический выключатель отходящей линии 0,38 кВ с предохранителем серии ПКТ, установленном на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ со стороны 10 кВ.
Необходимо, чтобы при КЗ в точке КЗ1 (рис. 3.4) сработал и отключил аварийный режим автоматический выключатель отходящей линии (в данном случае выключатель А3700), а в случае несрабатывания выключателя, через ступень выдержки времени (не менее 0,6÷0,7 с) сработал кварцевый предохранитель ПКТ-10.
Рисунок 3.4 – Согласование работы автоматического выключателя и плавкого предохранителя
Таким образом выбор номинального тока плавкой вставки предохранителя зависит от результата согласования времени его срабатывания со временем действия автоматов в линиях 0,38 кВ.
Согласование защит по времени обычно выполняется по карте селективности. Для этого в координатах время - ток наносят характеристику срабатывания выбранного автоматического выключателя для наиболее нагруженной отходящей линий затем на ампер - секундной характеристике автомата, например, А3700 [1, с.343, рис. 10.10] фиксируют ток трёхфазного КЗ на шинах 0,4 кВ ТП 10/0,4 кВ.
От характеристики срабатывания автомата при токе 
откладывают ступень выдержки времени 0,6÷1 с и наносят контрольную точку, ниже которой не должна проходить характеристика ПКТ-10. Из всего множества характеристик ПКТ-10 следует выбрать ту, которая ближе всего к контрольной точке, но не ниже ее. Номинальный ток, соответствующий этой характеристике, и является искомой величиной.
При согласовании ампер - секундную характеристику ПКТ-10 [1, с.352, рис. 10.18] приходится переносить на карту селективности. При этом токи характеристики предохранителя следует пересчитать с напряжения 10 кВ на напряжение 0,38 кВ по формуле:
. (33)
Время срабатывания выбранного плавкого предохранителя проверяется при минимальном токе короткого замыкания.