Výpočet zkratových proudů pro začínající elektrikáře

Při navrhování jakéhokoli energetického systému analyzují speciálně vyškolení elektrotechnici pomocí technických referenčních knih, tabulek, grafů a počítačových programů činnost obvodu v různých režimech, včetně:

2. jmenovité zatížení;

3. nouzové situace.

Nebezpečný je zejména třetí případ, kdy dojde k poruchám v síti, které mohou poškodit zařízení. Nejčastěji jsou spojeny s „kovovým“ zkratem napájecího obvodu, kdy jsou mezi různými potenciály dodávaného napětí náhodně zapojeny elektrické odpory zlomků ohmu.

Takové režimy se nazývají zkratové proudy nebo zkráceně „zkrat“. Vyskytují se, když:

• poruchy automatizace a ochrany;
• chyby servisního personálu;
• poškození zařízení v důsledku technického stárnutí;
• spontánní dopady přírodních jevů;
• sabotáže nebo činy vandalů.

Zkratové proudy výrazně převyšují jmenovité zátěže, pro které je elektrický obvod navržen. Proto jednoduše vypálí slabá místa ve vybavení, zničí je a způsobí požáry.

Kromě tepelné destrukce mají také dynamický efekt. Jeho projev je jasně ukázán ve videu:

Aby se zabránilo rozvoji takových havárií během provozu, začínají proti nim bojovat již ve fázi tvorby návrhu elektrického zařízení. K tomu teoreticky vypočítejte možnost výskytu zkratových proudů a jejich velikost.

Tato data slouží k další tvorbě projektu a výběru výkonových prvků a ochranných zařízení obvodu. Během provozu zařízení s nimi neustále pracují.

Proudy možných zkratů jsou vypočteny teoretickými metodami s různou přesností přijatelnou pro spolehlivé vytvoření ochrany.

Jaké elektrické procesy jsou základem pro výpočet zkratových proudů?

Nejprve se zaměřme na skutečnost, že jakýkoli typ použitého napětí, včetně stejnosměrného, ​​střídavého sinusového, pulzního nebo jakéhokoli jiného náhodného, ​​vytváří nouzové proudy, které opakují obraz tohoto tvaru nebo jej mění v závislosti na použitém odporu a působení vedlejší faktory. To vše musí projektanti zajistit a zohlednit ve svých výpočtech.

Výskyt a působení zkratových proudů lze posoudit:

• Ohmův zákon;
• velikost výkonové charakteristiky výkonu aplikovaného ze zdroje napětí;
• struktura elektrického obvodu použitého pro elektrickou instalaci;
• hodnota celkového aplikovaného odporu ke zdroji.

Působení Ohmova zákona

Základem pro výpočet zkratů je princip, který určuje, že proudovou sílu lze vypočítat z přiloženého napětí, pokud je děleno hodnotou připojeného odporu.

Platí také při výpočtu jmenovitého zatížení. Jediný rozdíl je v tom, že:

• při optimálním provozu elektrického obvodu se napětí a odpor prakticky stabilizují a mírně se mění v rámci provozních technických norem;
• V případě nehod probíhá proces spontánně a náhodně. Lze ji však předvídat a vypočítat pomocí vyvinutých metod.

Napájení zdroje napětí

S jeho pomocí se posuzuje výkonový a energetický potenciál provádění destruktivní práce zkratovými proudy, analyzuje se doba jejich toku a velikost.

Uvažujme příklad, kdy byl stejný kus měděného drátu o průřezu jeden a půl čtverečního mm a délce půl metru nejprve připojen přímo ke svorkám baterie Krona a po nějaké době byl vložen do fázový a nulový kontakt domácí zásuvky.

V prvním případě poteče vodičem a zdrojem napětí zkratový proud, který zahřeje baterii do takového stavu, že poškodí její výkon. Výkon zdroje nestačí na spálení připojené propojky a přerušení obvodu.

V druhém případě bude fungovat automatická ochrana. Předpokládejme, že jsou všechny vadné a zaseknuté. Poté zkratový proud projde domovní elektroinstalací, dostane se do vstupního panelu v bytě, vchodu, budovy a kabelem nebo nadzemním vedením se dostane do napájecí trafostanice.

V důsledku toho je k vinutí transformátoru připojen poměrně dlouhý obvod s velkým počtem vodičů, kabelů a jejich spojovacích bodů. Výrazně zvýší elektrický odpor našeho zkratu. Ale i v tomto případě je velká pravděpodobnost, že nevydrží aplikovaný výkon a prostě shoří.

Konfigurace elektrického obvodu

Při napájení spotřebitelů se jim napětí dodává různými způsoby, například:

• přes potenciály kladných a záporných svorek zdroje konstantního napětí;
• fáze a neutrál jednofázové domácí sítě 220 voltů;
• třífázový obvod 0,4 kV.

V každém z těchto případů může na různých místech dojít k poruchám izolace, které způsobí, že jimi budou protékat zkratové proudy. Pouze u třífázového střídavého obvodu jsou možné zkraty mezi:

• všechny tři fáze současně – nazývané třífázové;
• libovolné dvě fáze mezi sebou – fáze-fáze;
• libovolná fáze a nula – jednofázová;
• fáze a země – jednofázové vůči zemi;
• dvě fáze a země – dvoufázové vůči zemi;
• tři fáze a zem – tři fáze proti zemi.

Při vytváření projektu napájení zařízení je třeba vypočítat a vzít v úvahu všechny tyto režimy.

Vliv odporu elektrického obvodu

Délka vedení od zdroje napětí k místu, kde dojde ke zkratu, má určitý elektrický odpor. Jeho hodnota omezuje zkratové proudy. Přítomnost vinutí transformátoru, tlumivek, cívek a kondenzátorových desek přidává indukční a kapacitní odpory, které tvoří aperiodické složky, které zkreslují symetrický tvar základních harmonických.

Stávající metody výpočtu zkratových proudů umožňují jejich výpočet s dostatečnou přesností pro praxi s využitím předem připravených informací. Skutečný elektrický odpor již sestaveného obvodu lze měřit metodou fázově nulové smyčky. Umožňuje upřesnit výpočet a provést úpravy výběru ochrany.

Základní dokumenty o výpočtu zkratových proudů

1. Metodika výpočtu zkratových proudů

Dobře je prezentována v knize A.V Belyaeva „Výběr zařízení, ochrany a kabelů v sítích 0,4 kV“, kterou vydal Energoatomizdat v roce 1988. Informace pokrývají 171 stran.

• posloupnost výpočtu zkratových proudů;
• zohlednění účinku elektrického oblouku omezujícího proud v místě poškození;
• zásady pro výběr ochranných prostředků na základě vypočtených hodnot proudu.

Kniha obsahuje základní informace o:

• jističe a pojistky s rozborem charakteristik jejich ochranných vlastností;
• výběr kabelů a vybavení, včetně instalací pro ochranu elektrických motorů, energetických sestav, vstupních zařízení pro generátory a transformátory;
• nedostatky v ochraně určitých typů jističů;
• vlastnosti použití vzdálené reléové ochrany;
• příklady řešení konstrukčních problémů.

2. Směrnice RD 153—34.0—20.527—98

Tento dokument definuje:

• metody výpočtu zkratových proudů v symetrických a asymetrických režimech v elektrických instalacích s napětím do a nad 1 kV;
• metody zkoušení elektrických zařízení a vodičů na tepelnou a elektrodynamickou odolnost;
• metody testování spínací kapacity elektrických zařízení.

Pokyny nepokrývají problematiku výpočtu zkratových proudů ve vztahu k reléovým ochranným a automatizačním zařízením se specifickými provozními podmínkami.

3. GOST 28249-93

Dokument popisuje zkraty, ke kterým dochází ve střídavých elektrických instalacích a metodiku jejich výpočtu pro systémy s napětím do 1 kV. Na území Běloruska a Kyrgyzstánu je v platnosti od 1. ledna 1995. Moldavsko, Rusko, Tádžikistán, Turkmenistán a Ukrajina.

Státní norma definuje obecné metody pro výpočet zkratových proudů v počátečním a libovolném libovolném časovém bodě pro elektrické instalace se synchronními a asynchronními stroji, reaktory a transformátory, nadzemní a kabelová elektrická vedení, přípojnice, komplexní zatěžovací uzly.

Technické normy pro projektování elektrických instalací jsou určeny současnými státními normami a schváleny Mezistátní radou pro normalizaci, metrologii a certifikaci.

Stáhnout GOST 28249-93 (2003). Zkraty v elektrických instalacích. Metody výpočtu v elektrických instalacích střídavého proudu s napětím do 1 kV naleznete zde: GOST pro výpočet zkratových proudů

Posloupnost návrhářských akcí pro výpočet zkratových proudů

Nejprve byste měli připravit informace potřebné pro analýzu a poté provést výpočty. Po instalaci zařízení, procesu jeho uvádění do provozu a za provozu se kontroluje správná volba a provozuschopnost ochran.

Sběr počátečních dat

Jakýkoli diagram lze zredukovat do zjednodušené podoby, pokud se skládá ze dvou částí:

1. zdroj napětí. Pro síť 0,4 kV hraje jeho roli sekundární vinutí výkonového transformátoru;

2. napájecí vedení.

Jsou pro ně shromážděny potřebné vlastnosti.

Údaje transformátoru pro výpočet zkratových proudů

• hodnota zkratového napětí (%) – Us;
• zkratová ztráta (kW) – Pk;
• jmenovitá napětí na vinutí vysoké a nízké strany (kV. V) – Uin, Unn;
• fázové napětí na spodním vinutí (V) – Eph;
• jmenovitý výkon (kVA) — Snt;
• celkový odpor proti jednofázovému zkratovému proudu (mOhm) – Zt.

Data napájecího vedení pro výpočet zkratových proudů

• značka a počet kabelů udávající materiál a průřez žil;
• celková délka trasy (m) – L;
• indukční reaktance (mOhm/m) – X0;
• celkový odpor pro smyčku fáze-nula (mOhm/m) – Zpt.

Tyto informace pro transformátor a vedení jsou soustředěny v referenčních knihách. Také se tam bere koeficient rázu Kud.

Sekvence výpočtu

Na základě zjištěných charakteristik vypočítejte pro:

• transformátor – činný a indukční odpor (mOhm) – Rt, Xt;
• vedení – aktivní, indukční a impedanční (mOhm).

Tyto údaje umožňují vypočítat celkový aktivní a indukční odpor (mOhm). A na jejich základě můžete určit celkový odpor obvodu (mOhm) a proudy:

• třífázová porucha a ráz (kA);
• jednofázový zkrat (kA).

Na základě hodnot nejnovějších vypočtených proudů jsou vybrány jističe a další ochranná zařízení pro spotřebitele.

Konstruktéři mohou vypočítat zkratové proudy ručně pomocí vzorců, vyhledávacích tabulek a grafů nebo pomocí speciálních počítačových programů.

Na skutečných energetických zařízeních uváděných do provozu jsou všechny proudy včetně jmenovitých a zkratových zaznamenávány automatickými osciloskopy.

Tyto oscilogramy umožňují analyzovat průběh havarijních stavů, správnou činnost energetických zařízení a ochranných zařízení. Podle nich jsou přijímána účinná opatření ke zlepšení spolehlivosti spotřebičů elektrického obvodu.

Informace zveřejněné na této webové stránce jsou prezentovány pouze pro informační účely; správa stránek není odpovědná za použití těchto informací.

V souladu s článkem 3.1.8. Elektrické sítě PUE musí mít ochranu proti zkratovým proudům, zajišťující co nejkratší dobu vypnutí, přičemž je uvedeno, že ochrana musí být zkontrolována ve vztahu k nejnižší jmenovitý zkratový proud (dále jen zkratový proud) na jmenovitý proud pojistkové vložky nebo spouště jističe. (Další informace o výběru ochrany proti zkratovým proudům naleznete v článku: Výpočet elektrické sítě a výběr ochranných zařízení)

V sítích 0,4 kV s pevně uzemněným neutrálem je nejmenším zkratovým proudem jednofázový zkratový proud, jehož způsob výpočtu je uveden v tomto článku.

Základní pojmy a princip výpočtu

Vzorec pro výpočet zkratového proudu je jednoduchý, pochází z Ohmova zákona pro úplný obvod a má následující tvar:

• U_ф — fázové napětí sítě (230 voltů);
• Z_f-o — celkový odpor smyčky (obvodu) fáze-nula v ohmech.

Co je smyčka fáze-nula (fáze-nula)? Jedná se o elektrický obvod skládající se z fázových a nulových vodičů a také vinutí transformátoru, ke kterému jsou připojeny.

Na druhé straně se nazývá odpor tohoto elektrického obvodu odpor smyčky fáze nula.

Jak víte, existují tři typy odporu: aktivní (R), reaktivní (X) и plné (Z). Pro výpočet zkratového proudu je nutné použít celkový odpor, který lze určit z odporového trojúhelníku:

Poznámka: Součet impedancí nulového a fázového vodiče se nazývá impedance napájecího vedení.

Je poměrně obtížné vypočítat přesný odpor smyčky fáze-nula, protože jeho odpor je ovlivněn mnoha různými faktory, počínaje přechodovým odporem kontaktních spojů a odporem vnitřních prvků ochranných zařízení, konče teplotou okolí. Proto se pro praktické výpočty používají zjednodušené metody výpočtu zkratových proudů, z nichž jedna je uvedena níže.

Pro informaci: Zkratový proud se stanovuje výpočtem zpravidla pouze u nových a rekonstruovaných elektroinstalací ve fázi projektování elektrické sítě a výběru jejích ochranných zařízení. Ve stávajících elektrických instalacích je nejvhodnější určit zkratový proud provedením příslušných měření (přímým měřením zkratového proudu nebo nepřímým měřením, tj. měřením odporu smyčky fáze-nula). a následný výpočet zkratového proudu).

Metodika výpočtu zkratového proudu

1) Určete celkový odpor napájecího vedení až po bod zkratu:

• R_л — Odpor vedení, Ohm;
• X_л — Reaktance vedení, Ohm;

Poznámka: Výpočet se provádí pro každý úsek vedení s jiným průřezem a/nebo materiálem vodiče, následuje sečtení odporů všech úseků (Z_pl=Z_l1+Z_l2+…+Z_ln).

Aktivní odpor vedení je určen vzorcem:

• L_fo — Součet délek fázových a nulových vodičů vedení, m;
• p – Měrný odpor vodiče (pro hliník – 0,028, pro měď – 0,0175), Ohm* mm 2 /m;
• S – Průřez vodiče, mm 2.

Poznámka: vzorec je dán s přihlédnutím k tomu, že průřezy a materiál fázových a nulových vodičů vedení jsou stejné, jinak musí být výpočet proveden pomocí tohoto vzorce pro každý z vodičů jednotlivě a následným sečtením jejich odporů.

Reaktance vedení je určena vzorcem:

2) Určete odpor napájecího transformátoru

Odpor transformátoru závisí na mnoha faktorech jako je výkon, konstrukce transformátoru a hlavně zapojení jeho vinutí. Pro zjednodušený výpočet odpor transformátoru pro jednofázový zkrat (Z_tr(1)) lze převzít z následující tabulky:

3) Vypočítejte zkratový proud

Jednofázový zkratový proud je určen následujícím vzorcem:

• U_ф — Fázové napětí sítě ve voltech (pro sítě 0,4 kV se bere rovno 230 voltů);
• Z_{tr (1)} — Odpor napájecího transformátoru pro jednofázový zkrat v Ohmech (z výše uvedené tabulky);
• Z pl – Celkový odpor napájecího vedení (obvod fáze-nula) od napájecího transformátoru k bodu zkratu v Ohmech.

Příklad výpočtu zkratového proudu

Vezměme si například následující zjednodušený jednořádkový diagram:

1. Určete celkový odpor napájecího vedení do místa zkratu

Jak je z diagramu patrné, celkem jsou tři úseky sítě, odpor je nutné vypočítat pro každý zvlášť a následně vypočítané odpory všech úseků sečíst.

Celkový odpor napájecího vedení (obvod s fázovou nulou) od napájecího transformátoru k místu zkratu tedy bude:

1. Stanovení odporu transformátoru

Jak je vidět ze schématu, zdrojem energie je transformátor 160 kVA se schématem zapojení vinutí „hvězda-hvězda“ s odstraněným neutrálem. Odpor transformátoru určíme podle výše uvedené tabulky:

1. Vypočítáme zkratový proud

Na článku se pracovalo:

Autor článku: Dmitrij Komlev

Byl pro vás tento článek užitečný? Nebo možná ty otázky zůstávají? Pište do komentářů!

Na stránkách jsem nenašel odpověď na vaši otázku? Zeptejte se na fóru! Naši specialisté vám určitě odpoví.