3. РАСЧЕТЫ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ЗА ТРАНСФОРМАТОРАМИ

Категория: М.А. Шабад "Релейная защита трансформаторов"

Особенности расчетов токов КЗ. Для выбора ти­пов и параметров срабатывания устройств защиты трансформаторов необходимо определить максималь­ное и минимальное значение токов при КЗ на выво­дах НН понижающего трансформатора, или, как чаще говорят, при КЗ за трансформатором.

Максимальное значение тока соответствует трехфазному металлическому КЗ за трансформато­ром. Ток трехфазного КЗ рассчитывается при макси­мальном режиме работы питающей энергосистемы (электросети), при котором включено максимально возможное число генераторов, питающих линий и трансформаторов. Эквивалентное электрическое со­противление энергосистемы (электросети) до места подключения рассматриваемого трансформатора при этом режиме имеет минимальное значение, но обозна­чается Zmax или Xmax, что подразумевает максимальный режим работы энергосистемы. При таком режиме ток трехфазного КЗ на выводах ВН трансформатора и мощность КЗ имеют максимальные значения. При значительном числе электродвигателей в прилегаю­щей сети ВН учитывается подпитка места КЗ элек­тродвигателями в течение времени действия защит трансформатора, не имеющих специального замедле­ния, т. е. в течение до 0,1 с. Максимальное значение тока КЗ за трансформатором учитывается для выбора тока срабатывания токовых отсечек, устанавливае­мых на стороне ВН трансформатора (§ 7), а также для выбора аппаратуры и кабелей питаемых элемен­тов стороны НН [6, 7].

Минимальные значения токов при КЗ на сто­роне 0,4 кВ рассчитываются с учетом переходного активного сопротивления (электрической дуги) в ме­сте КЗ до 15 мОм [1]. Для трансформаторов со схе­мой соединения обмоток ∆/Y практически рассчитывается минимальное значение тока только при фазном КЗ (считая, что при однофазном КЗ на землю ток в поврежденной фазе имеет такое же значение). Для трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Y рассчитываются токи как при трехфазном, так и при однофазном КЗ, поскольку они значительно от­личаются друг от друга и для их отключения должны устанавливаться разные защиты.

Для трансформаторов 10 кВ с низшим напряже­нием выше 1 кВ (3; 6; 10 кВ) со схемами соединения обмоток Y/∆, Y/Y, ∆/∆ минимальное значение тока рассчитывается при двухфазном металлическом КЗ за трансформатором.

Для всех типов понижающих трансформаторов ми­нимальные значения токов КЗ рассчитываются при минимальном режиме работы питающей энергоси­стемы (электросети), при котором включено мини­мальное реально возможное число генераторов, пи­тающих линий и трансформаторов. При этом эквива­лентное электрическое сопротивление энергосистемы (электросети) до места подключения рассматривае­мого трансформатора имеет максимальное значение. Однако это сопротивление принято обозначать Zminили Xmin, имея в виду минимальный режим работы питающей энергосистемы (электросети). По мини­мальным значениям токов КЗ определяются так назы­ваемые коэффициенты чувствительности для всех ти­пов защит трансформатора от внутренних и внешних КЗ (кроме газовой). Необходимые значения этих коэффициентов указаны в «Правилах» [1] и в соответ­ствующих разделах этой книги.

Расчеты токов при КЗ за понижающими трансфор­маторами небольшой мощности (практически до 1,6 MB -А) производятся с учетом активной состав­ляющей полного сопротивления трансформатора. Токи намагничивания и токи нагрузки трансформато­ров при расчете токов КЗ не учитываются.

При расчетах токов КЗ за трансформаторами .10 (6) кВ считается, что напряжение питающей энер­госистемы на стороне ВН трансформатора остается неизменным в течение всего процесса КЗ. Это допу­щение объясняется тем, что распределительные сети 10 (6) кВ, как правило, электрически удалены от ге­нерирующих источников энергосистемы и КЗ в этих сетях, и тем более за трансформаторами 10 (6) кВ,

мало сказываются на работе электрических генерато­ров. По этой же причине вычисляется только периоди­ческая составляющая тока КЗ, а влияние апериодиче­ской составляющей тока КЗ учитывается при выборе параметров некоторых типов защиты путем введения повышающих коэффициентов.

Вычисление тока трехфазного КЗ по значению напряжения КЗ трансформатора. Наиболее просто максимальное значение тока (в амперах) трехфазного КЗ за трансформатором вычисляется по значению напряжения КЗ трансформатора (Uk):

где Uk — напряжение короткого замыкания из пас­порта (паспортной таблички) трансформатора, %; Iном.тр. — номинальный ток трансформатора на сто­роне ВН или НН из паспорта трансформатора, А;

 

р= 100Sном. tp/Sk (5)

 

— коэффициент, % (Sном. тр — номинальная мощность трансформатора из паспорта, MB-A; S_K — мощ­ность трехфазного КЗ питающей энергосистемы в той точке, где подключен трансформатор, т. е. на его вы­водах ВН, задается энергоснабжающей организацией, MB-А); если мощность энергосистемы относительно велика («бесконечна»), то р = 0.

Например, трансформатор ТМ-1 напряжением 10/0,4 кВ, мощностью Sном. тр= 1МВ-А, с номиналь­ными токами сторон ВН и НН, равными 58 и 1445 А соответственно, с напряжением КЗ Uk — 5,5 % под­ключен к энергосистеме в точке, где мощность КЗ S_K = 100 MB-А. Токи при трехфазном КЗ за транс­форматором вычисляются по выражениям (5) и (4): р= 1*100/100=1% ;   Iк. вн=100*58/(5,5 + 1) = 892 А, отнесенных к напряжению 10 кВ; Iк.нн = 100 • 1445/ /(5,5+1)=22230 А или 22,2 кА, отнесенных к напря­жению 0,4 кВ.

Другой пример: для трансформатора мощностью Sном.тр = 0,25 МВ-А (Uk= 4,5 %), подключенного в удаленной точке сети 10 кВ, где S_K = 12,5 МВ-А, рас­считываются токи при трехфазном КЗ на стороне НН по выражениям (5) и (4): р = 0,25*100/12,5 = 2 %; Iк.вн = 100 • 14,5/(4,5 + 2) = 223 А и Iк.нн = 5538 А или 5,5 кА, отнесенных к напряжениям 10 и 0,4 кВ соответственно. Номинальные токи трансформатора вычислены по выражениям (2) и (3):

При подключении относительно маломощных транс­форматоров (менее 1 MB-А) вблизи мощных район­ных подстанций и подстанций глубокого ввода 110/10 кВ с трансформаторами мощностью более 10 MB-А влияние сопротивления энергосистемы на значение токов КЗ за трансформаторами снижается и им часто пренебрегают, считая мощность энергоси­стемы «бесконечной», а значение р в выражении (4) равным нулю.

Вычисление тока трехфазного КЗ по полному со­противлению трансформатора Zтр.Значения этого со­противления и его составляющих: активной Rтр. и ин­дуктивной Xтр. необходимо знать для составления так называемой схемы замещения, в которой своими со­противлениями представлены все элементы расчетной схемы питаемой сети НН. Схема замещения дает воз­можность вычислить значения токов КЗ не только на выводах НН трансформатора, но и в любой точке сети НН [6, 7]

 

Полное сопротивление трансформатора Zтр.(в омах) определяется по выражению

где Uк — напряжение КЗ, %; Sном.тр.— номинальная мощность трансформатора, MB -А; Uном.тр.— номи­нальное междуфазное напряжение трансформатора на той стороне ВН или НН, к которой приводится его сопротивление, кВ.

Активная составляющая полного сопротивления трансформатора Rтр.определяется по значению потерь мощности ∆P в его обмотках при номинальной на­грузке. В практических расчетах потери мощности в' обмотках трансформатора принимают равными по­терям короткого замыкания при номинальном токе трансформатора: ∆Р = Pk. Активное сопротивление трансформатора (в омах) вычисляется по выражению

где Рк — потери короткого замыкания при номиналь­ном токе трансформатора, Вт; Uном.тр. и Sном.тр. — то же, что в выражении (6), но здесь мощность Sном.тр. выражается в киловольт-амперах (кВ-А). Значения рkприведены в соответствующих стандартах и спра­вочниках.

Индуктивное сопротивление (реактивная состав­ляющая полного сопротивления) трансформатора (в омах) вычисляется по выражению

где Zтр.— модуль полного сопротивления трансформа­тора, вычисленный по выражению (6); Rтр.— активная составляющая полного сопротивления трансформа­тора, вычисленная по выражению (7).

Значения сопротивлений стандартных трансфор­маторов общего назначения напряжением 10/0,4 кВ для вычисления токов трехфазного (и двухфазного) КЗ приведены в табл.2.

Как видно из таблицы, сопротивления, отнесенные к стороне НН с Uном.= 0,4 кВ и указанные для удоб­ства в миллиомах, меньше сопротивлений, отнесенныхк стороне ВН с Uном.=10 кВ и указанных в омах, в 625 раз, что соответствует выражению

 

 

где Nтр. — коэффициент трансформации трансформа­тора, равный для рассматриваемых трансформаторов 10/0,4 = 25.

 

 

 

 

Таблица 2.   Сопротивления   трансформаторов   10/0,4   кВ

 

Мощность тр-ра Sном.тр. МВ-А	Напряже- ние   КЗ Uk,%	Сопротивление, Ом, отнесенное к 10кВ			Сопротивление, мОм, отнесённое к 0,4кВ
		Активное        r	Индуктив-      ное        x	Полное        z	Активное        r	Индуктив-            ное              x	Полное      z
0,040	4,5	55,0	98,1	112,5	88,0	157,0	180,0
0,063	4,5	33,1	63,1	71,2	53,0	101,0	114,0
0,100	4,5	19,6	40,4	45,0	31,5	64,7	72,0
0,160	4,5	10,3	26,0	28,0	16,5	41,7	45
0,250	4,5	5,9	17,0	18,0	9,4	27,2	28,2
0,400	4,5	3,5	10,7	11,25	5,6	17,1	18,0
0,630	5,5	1,9	8,5	8,7	3,1	13,6	14,0
1,00	5,5	1,2	5,4	5,5	2,0	8,6	8,8
1,6	6,5	-	4,06	4,06	-	6,5	6,5
2,5	6,5	-	2,6	2,6	-	4,16	4,4

 

Примечание. Указанные значения сопротивлений с до­статочной степенью точности можно использовать при расчетах токов трехфазных КЗ за трансформаторами 10 кВ со схемами соединений обмоток звезда — звезда Y/Y треугольник—звезда ∆/Y и звезда — зигзаг Y/Y.

Максимальное значение тока (в амперах) при трех­фазном металлическом КЗ за трансформатором, ко­торый подключен к энергосистеме бесконечной мощ­ности (,г_с = 0), вычисляется по выражению

где Uср. — среднее значение междуфазного напряже­ния, принимаемое для расчетов токов КЗ в сетях 10 кВ равным 10500 В; Zтр.— полное сопротивление трансформатора, вычисленное по выражению (6); для трансформаторов 10 кВ берется из табл. 2.

Например, при трехфазном КЗ за трансформато­ром мощностью 0,4 MB-А максимальное значе­ние тока на стороне ВН может быть вычислено по выражению (9) без учета сопротивления питающей энергосистемы:

отнесенных к напряжению 10 кВ.

Для сравнения: примерно это же значение тока может быть получено по выражению (4) при условии, что р = 0 (питание от системы бесконечной мощности)- Iк=100*23,1/4,5 = 512А, где Iном.тр.ВН = 23,1 А. Значение тока КЗ получилось несколько меньше из-за того, что в расчете по выражению (9) принято среднее напряжение 10,5 кВ, большее в 1,05 раза, чем номинальное 10 кВ.

На стороне НН ток КЗ вычисляется также по вы­ражению (9), но с учетом того, что сопротивления, от­несенные к стороне 0,4 кВ, в табл. 2 указаны в миллиомах, а фазное напряжение этой сети Uф = 400/1,73 = 231 В:

Для сравнения по выражению (4) получаем такое же значение тока КЗ: Iк.мах = 100 • 578/4,5 = 12845 А или 12,85 кА, где номинальный ток транс­форматора на стороне НН равен 578 А.

Токи на стороне ВН и НН трансформаторов раз­личаются в Nтр. раз, где Nтр. — коэффициент транс­формации трансформатора, для трансформаторов 10/0,4 кВ значение Nтр. = 25. Для рассмотренного в примере трансформатора мощностью 0,4 MB-А от­ношение токов КЗ будет 12845/512 = 25.

Минимальное значение тока при трехфазном КЗ на выводах НН трансформатора через переходное активное сопротивление в месте КЗ Rпер. рассчиты­вается по выражению, аналогичному (9):

где Uср. — междуфазное среднее напряжение сети, В; Rси Xс — активная и индуктивная составляющие со­противления питающей энергосистемы (электросети) до вводов ВН трансформатора; Rтр. и Xтр. — активная и индуктивная составляющие сопротивления трансфор­матора (табл. 2); Rпер. — переходное активное сопро­тивление в месте КЗ, наибольшее принимаемое в рас­четах его значение равно 15 мОм, отнесенным к сто­роне 0,4 кВ.

Расчеты токов КЗ на стороне НН 0,4 кВ удобно выполнять в именованных единицах, от­нося значения всех сопротивлений к стороне 0,4 кВ и принимая фазное среднее напряжение этой сети равным 230 В. Сопротивления выра­жают в миллионах, значения токов КЗ полу­чают в килоамперах.

Например, для расчета тока трехфазного КЗ через переходное сопротивление Rпер.= 15 мОм на выводах НН трансформатора мощностью 0,4 MB-А заданы со­противления питающей энергосистемы до места под­ключения этого трансформатора к сети 10 кВ: Rс = 0,8 Ом и Xс = 0,62 Ом, отнесенных к напряжению 10 кВ. В первую очередь эти сопротивления должны быть приведены к стороне 0,4 кВ по выражению (8): Rс = 0,8 • 10³/625 = 1,3 мОм; Xс= 0,62-10³/625 = 1 мОм. Значения сопротивлений трансформатора принимаются по табл. 2.

                 Минимальное значение тока рассчитывается по выражению (10):

отнесенных к напряжению 0,4 кВ. За счет переходного сопротивления   15 мОм расчетное значение тока   КЗ снизилось примерно в 1,5 раза по сравнению с макси­мальным   значением   тока   КЗ, рассчитанным   выше (12,85 кА). Учет сопротивления питающей энергоси­стемы существенного влияния на уменьшение тока КЗ в данном случае не оказал. Следует напомнить, что с ростом мощности трансформатора его сопротивле­ние уменьшается (табл. 2) и переходное активное со­противление   в   месте   КЗ,   принимаемое в расчетах равным   15 мОм, вызывает тем   более существенное уменьшение значения тока КЗ, чем больше мощность трансформатора: например, для стандартного транс­форматора     0,63 МВ-А— примерно    в     1,6     раза, 1 МВ-А — более чем в 2 раза, 1,6 МВ-А — более чем в 2,5 раза. Поэтому при использовании относительно крупных трансформаторов   10   (6)/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Л/¥ некоторые организации до­пускают сниженные по сравнению с «Правилами» [1J значения   коэффициентов   чувствительности   макси­мальных токовых защит для случаев КЗ через пере­ходное   сопротивление   с   максимальным   значением 15 мОм, например 1,2 вместо 1,5.

По выражению (10) рассчитываются также значе­ния токов при трехфазных КЗ на отходящих элемен­тах 0,4 кВ, т. е. на кабельных и воздушных линиях этого напряжения [7]. Значения этих токов исполь­зуются для определения коэффициентов чувствитель­ности максимальной токовой защиты трансформатора в так называемых зонах резервирования. При значе­нии этих коэффициентов, превышающем 1,2, считает­ся, что максимальная токовая защита трансформатора обеспечивает дальнее резервирование питаемой сети, т. е. резервирует возможные отказы защитных устройств и коммутационных аппаратов отходящих элементов 0,4 кВ, не допускает длительного существо­вания не отключенного КЗ и тем самым спасает элек­троустановку от больших повреждений.

Вычисление токов при двухфазнщм КЗ за трансформатором. Специальные расчёты этих токов не производятся, а их значения принимаются примерно на 15% меньшими, чем ток трёхфазного КЗ. Минимальные значения токов при двухфазном КЗ используются для проверки чувствительности МТЗ на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Y, а также всех защитных устройств от междуфазных КЗ на элементах 0,4кВ.