2.4. Расчет токов короткого замыкания при минимальном и максимальном режиме работы источников питания.

Расчет токов короткого замыкания в сетях напряжением до 1 кВ.

Расчет токов короткого замыкания ведем для минимального и максимального режимов работы энергосистемы. Максимальному режиму соответствует нормальная эксплуатационная схема питающей сети энергосистемы и городской сети. Ток короткого замыкания в этом режиме получается наибольшим, что и дало название режиму. В минимальном режиме часть электрических связей отключена (например, выведена в ремонт). Это увеличивает сопротивление между источником питания и точкой короткого замыкания, что приводит к снижению уровня тока короткого замыкания. В ряде случаев в минимальном режиме электроснабжение производится по резервным, относительно слабым связям.

Так как низшее напряжение менее 1 кВ, расчет ведем в именованных единицах. Принимаем за расчетные напряжения напряжения на 5% больше заданных.

Составляем по заданной схеме расчетную схему и по ней – схему замещения и определяем сопротивления ее элементов. В расчетную схему войдет половина заданной схемы, так как секционный выключатель нормально отключен. При составлении схемы замещения учитываем активные и реактивные сопротивления всех элементов. На схеме замещения определяем точки короткого замыкания, обычно на высшей стороне схемы до силового трансформатора и на шинах 0,4 кВ.

Расчет ведем для трехфазного КЗ.

Рис.1. Расчетная схема

Рис.2. Схема замещения

Определяем сопротивления элементов схемы замещения. Сопротивления системы в максимальном и минимальном режиме определяется, исходя из того, даны в задании значения сопротивлений системы (1) или токи КЗ для точки К1 (2)

1. Х_с.макс= ( Ом)

Х_с.мин.= ( Ом)

2. Х_{с мин.} = ( Ом)

Х_смакс. = ( Ом)

Сопротивление кабельной линии

Х_л = х₀*L ( Ом)

R_л = r₀* L ( Ом)

значения удельных сопротивлений кабельной линии х₀ и r₀ определяем, зная сечение кабельной линии по таблице 94 (лит.1)

L – длина линии, км

Сечение питающей линии определяется по экономической плотности тока.

S = I_p/ j_эк

Значение экономической плотности тока определяем по таблице 13, выбрав в п.1.1. тип кабеля и решив, во сколько смен работает предприятие (подстанции обычно работают круглосуточно)

Значение расчетного тока определяется по максимально возможному току силового трансформатора

(А)

Для точки К2 определяем токи короткого замыкания – сверхпереходные токи I_п.о.

I_{п.о.макс.}= (кА)

I_{п.о.мин.}= (кА)

Учитываем подпитку токов КЗ от синхронных или асинхронных двигателей

I_п.о.с.д.= 5,5* (А)

I_п.о.а.д.= 4,5* (А)

и ударные токи i_y.

i_y.макс. = (кА)

i_y.мин.. = (кА)

значение ударного коэффициента для напряжения 35…110 кВ К_у =1,608

Определяем токи для точки короткого замыкания К3. Сначала приводим сопротивления точки К2 к низшему напряжению U_б2 = 0,4 кВ

( Ом)

( Ом)

( Ом)

Определяем сопротивление силового трансформатора по справочным данным по расчету токов КЗ (лит.2), зная мощность трансформатора.

Определяем сопротивления автоматических выключателей по величине расчетного тока (лит.2), причем активное сопротивление учитывает и сопротивление переходных контактов.

Сопротивление шинопровода определяем, выбрав сечение шинопровода по таблице 14. Сечение шинопровода определяется по расчетному току из п.2.1., выбираем однополосные алюминиевые шины прямоугольного сечения

Определяем индуктивное сопротивление шин по формуле

Хш = х₀* L (Ом)

где х₀ – удельное индуктивное сопротивление шин выбранного сечения, определяется по (лит.2), длина шинопровода ориентировочно определяется по числу потребителей, так как считается, что на одного потребителя приходится1 м шинопровода.

Определяем активное сопротивление шин по формуле

R_ш = r₀* L ( Ом)

где r₀ – удельное активное сопротивление шин выбранного сечения,определяется по (лит.2)

Определяем токи короткого замыкания в точке К3.

Сверхпереходные токи

I_{п.о.макс.}= (кА)

где Z= ( Ом)

I_п.о.мин = (кА)

i_y= (кА)

где значения К_у находим по рис.1.(лит.2) по отношению Х/R.

Результаты расчетов сводим в таблицу 12

Таблица 12

Результаты расчетов токов КЗ

Точки КЗ	Iп.о.макс., кА	Iп.о.мин., кА	iy макс, кА	iy мин., кА
К2
К3

Расчет токов короткого замыкания в сетях напряжением свыше 1 кВ.

Рис.3. Схема замещения

Расчет производим в относительных единицах.

Принимаем базовые условия:

S_б= 1000 МВА или 100 МВА.

U_б1 и U_б2 берем на 5% выше заданных напряжений.

Определяем базовые токи:

(кА) (кА)

Находим сопротивления элементов по максимальному и минимальному режиму питания, для точки даны или мощности короткого замыкания (максимальная и минимальная), или токи короткого замыкания.

а) сопротивление системы:

Х_с.макс. = ( Ом)

Х_с.мин.. = ( Ом)

б) сопротивление воздушной линии

где х₀ – удельное сопротивление кабельной линии, определяется по таблице 94 (лит.1), для воздушной линии х₀ = 0,4 Ом/км.

в) сопротивление трансформатора

_{Значения Sн.т. и Uк.з. берется из таблицы технических данных силового трансформатора (таблицы 9)}

Определяем сверхпереходные токи в точке К₂

I _{п.о. макс.} = (кА) I _{п.о. мин..} = (кА)

Ударные токи в точке К2

i _y =

где ударный коэффициент, в сетях 35..110 кВ 1,608

i _{y макс} =

i _{y мин =}

Определяем сверхпереходные токи в точке К3

I _{п.о макс} = (кА)

I _{п.о мин} = (кА)

Ударные токи в точке К3

i _{y макс} = (кА)

i _{y мин} = ( кА)

где в сетях напряжением 6…10 кВ

Результаты расчетов сводим в таблицу 12.

2.5. Выбор токоведущих частей и электрооборудования подстанции.

К токоведущим частям относятся воздушные, кабельные линии и шины распределительного устройства.

Сечение высоковольтных воздушных и кабельных линий выбирается по экономической плотности тока

S_эк = ;

Значение экономической плотности тока выбирается по таблице 13

Таблица 13

Экономическая плотность тока

Проводники	Максимальная плотность тока, А/ при числе часов использования максимума нагрузки в год
	1000-3000	3000-5000	Более 5000
Неизолированные провода медные алюминиевые	2,5 1,3	2,1 1,1	1,8 1,0
Кабели с бумажной изоляцией,провода с резиновой и ПВХ изоляцией с жилами медными алюминиевыми	3,0 1,6	2,5 1.4	2,0 1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с жилами медными алюминиевыми	3,5 1,9	3,1 1,7	2,7 1,6

Тип проводов и кабелей выбирается студентом, при этом следует помнить, что согласно ПУЭ следует применять провода и кабели с алюминиевыми жилами.

Расчетный ток определяется по формуле

I_р = ;

Если значение коэффициента полезного действия не задано, обычно берется значение 0,9 (90%).

Затем по таблицам (лит.1) выбирается стандартное значение сечения провода или кабеля, большее рассчитанного S_эк .

Рассчитанное значение сечений проводов и кабелей необходимо проверить по потере напряжения и сечение кабелей - на термическую стойкость.

Проверка на потерю напряжения .

Расчетная величина потери напряжения

;

Где r и x - удельные значения активного и индуктивного сопротивлений провода или кабеля найденного сечения определяется по таблице 94 (лит.1). Индуктивное сопротивление для воздушных линий принимается равным 0,4 Ом/км.

Значение напряжения берется в вольтах, а длина линии l – в километрах.

Полученное значение сравнивается с допустимым, равным 5 % и делается вывод – прошел ли выбранный кабель или провод проверку. Если получают более 5 %, то выбирают кабель или провод большего сечения и вновь делают проверочный расчет.

Проверка на термическую стойкость

Проверку на термическую стойкость проводят только для кабелей.

Для проверки аппаратов и токоведущих частей на термическую стойкость при коротких замыканиях

1.Необходимо определить величину теплового импульса КЗ – В_к , пропорционального количеству выделяемого при этом тепла.

В_к = I_п.о. * (t_отк+ Т_а),

где I_п.о - сверхпереходной ток короткого замыкания (максимальное значение);

t_отк - действительное время протекания тока КЗ, выбирается студентом. Обычно значение t_отк = 0,2 – 1 с.

Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания. Для напряжения 6…10 кВ Т_а = 0,01с; для напряжения 35…110 кВ Т_а = 0,02с.

2. Определить значение минимального допустимого сечения, которое сможет отвести данный тепловой импульс

S_мин =

Здесь С – термический коэффициент, принимаемый

-для кабелей с алюминиевыми жилами с бумажной изоляцией на 6 кВ – 98; на 10 кВ – 100;

-для кабелей с алюминиевыми жилами и полиэтиленовой изоляцией на 6 кВ – 62 и 10 кВ – 65;

-для алюминиевых шин – 95

S_выбр – стандартное сечение кабеля.

Значение В_к берется в

Выбор сечения шин.

Сечения шин РУ выбирают по условию нагрева длительным рабочим током. Для РУ 6 и 10 кВ обычно применяют алюминиевые шины прямоугольного сечения.

Условия выбора сечения шин – I_дл.доп

Выбранные шины проверяются по условиям термической и динамической стойкости.

Таблица 14

Выбор сечения шинопровода

Размеры шин, мм	Сечение одной полосы,	Допустимый ток одной полосы,А
		медь	алюминий
15*3	45	210	165
20*3	60	275	215
25*3	75	340	265
30*4	120	475	365
40*4	160	625	480
40*5	200	700	540
50*5	250	860	665
50*6	300	955	740
60*6	360	1125	870
60*8	480	1320	1025
60*10	600	1475	1115
80*6	480	1475	1150
80*8	640	1690	1320
80*10	800	1900	1480
100*6	600	1810	1425
100*8	800	2080	1625
100*10	1000	2310	1820
120*8	960	2400	1900
120*10	1200	2650	2070

Проверка шин на термическую стойкость.

Определяется минимально допустимое сечение по нагреву током короткого замыкания

S_мин =

Здесь В_к – расчетная величина теплового импульса;

С – термический коэффициент;

S_выбр – сечение шин, например для шин сечением 60*6мм S_выбр= 60*6=360

Проверка шин на динамическую стойкость

Определяем силу, действующую на шину средней фазы при трехфазном КЗ

F = ; Н

где i_у – максимальный ударный ток на шинах низшего напряжения;

а – расстояние между осями фаз, определяется непосредственно для принятого к установке типа ячейки РУ 6 или 10 кВ; при отсутствии таких данных для ячеек КРУ можно принимать а = 260 мм;

- расстояние между соседними опорными изоляторами, равное размеру ячейки КРУ по фасаду, для КРУ типа КМ-1Ф = 1125 мм, для остальных типов КРУ = 900мм;

К_ф - коэффициент формы шин, для шин прямоугольной формы К_ф =1.

Так как шину можно рассматривать как многопролетную балку, свободно лежащую на опорах, изгибающий момент шин

М = Н* мм

Определяем момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия. Для однополосных шин, расположенных в одной плоскости плашмя, момент сопротивления равен

W =

Где b и h – размеры шин , b – меньшая сторона; h – большая сторона

Напряжение в материале шин, возникающее при воздействии изгибающего момента, равно

( Мпа)

Сравниваем значения расчетного напряжения и допустимого напряжения

Допустимое напряжение в зависимости от типа сплава шин меняется от 41 до 82 МПА. Если значение расчетного напряжения менее допустимого, шины прошли проверку на динамическую стойкость.

Выбор оборудования подстанции

В электроснабжении промышленных предприятий и городов находят широкое применение комплектные трансформаторные подстанции, которые изготавливаются и поставляются полностью собранными или в виде законченных узлов, подготовленных для сборки с соседними узлами. Подстанции выполняются с одним или двумя трансформаторами различной мощности для внутренней, наружной и комбинированной установок. Комбинированная установка имеет наружную установку трансформаторов и шкафов высшего напряжения и внутреннюю установку шкафов низшего напряжения. Комбинированная установка имеет ряд преимуществ, связанных с лучшими условиями охлаждения трансформаторов, выносом маслонаполненного оборудования из производственных помещений, удобным обслуживанием аппаратов низшего напряжения.

Основой для выбора КТП являются используемое напряжение и тип силового трансформатора. В справочных материалах для курсового проектирования имеются данные различных типов КТП, выбираются они по напряжениям ГПП, ПГВ или ТП и типу выбранного силового трансформатора и в виде таблицы приводятся в данном пункте курсового проекта.

Затем в виде таблиц выбирается оборудование, отсутствовавшее в таблицах КТП – трансформаторы тока и напряжения для высшего и низшего напряжений и проверяются по рассчитанным ранее данным выключатели (низшего напряжения и, если они применяются в схеме подстанции – высшего напряжения).