Расчёт тока короткого замыкания трансформатора — напряжение КЗ и уровни тока

Ток короткого замыкания определяет требуемую отключающую способность коммутационной аппаратуры, механическое крепление шинопроводов и стойкость каждого элемента между трансформатором и местом повреждения. Он практически полностью задаётся одним параметром паспортной таблички — напряжением короткого замыкания.

Формула

При коротком замыкании на выводах трансформатора и допущении бесконечной мощности питающей сети:

Номинальный ток определяется по номинальной мощности и напряжению — см. Расчёт номинального тока трансформатора — метод расчёта и справочные таблицы.

Зависимость обратная: снижение напряжения короткого замыкания вдвое удваивает ток КЗ. Трансформатор с напряжением КЗ 4 % отдаёт в короткое замыкание на выводах 25-кратный номинальный ток; при 6 % эта величина снижается примерно до 16,7-кратной.

Разобранный пример

Трансформатор 630 kVA, вторичное напряжение 400 V, напряжение КЗ 4 %:

Тот же агрегат с напряжением КЗ 6 % дал бы примерно 15,2 kA — разница, способная изменить требуемые характеристики коммутационной аппаратуры и, следовательно, стоимость всей установки НН.

Стандартные значения напряжения короткого замыкания

Напряжение короткого замыкания не выбирается произвольно. Стандарты IEC 60076-5 и EN 50588-1 устанавливают типовые значения для распределительных трансформаторов:

Таблица токов короткого замыкания — вторичное напряжение 400 V

Допущение о бесконечной мощности сети

Приведённая выше формула исходит из того, что питающая сеть является источником бесконечной мощности, то есть сама сеть ВН не вносит собственного сопротивления. На практике сеть имеет конечный уровень тока КЗ, и фактический ток короткого замыкания на выводах трансформатора несколько ниже расчётного.

Если уровень тока КЗ питающей сети известен, суммарный результат определяется так:

Для большинства распределительных установок вклад сети достаточно велик, поэтому пренебрежение им даёт погрешность всего в несколько процентов, причём в запас: расчётное значение оказывается выше фактического. Для установок вблизи источника генерации или мощной подстанции следует выполнять полный расчёт.

Ударный (несимметричный) ток

Приведённые выше значения — действующие значения симметричного тока. В течение первого периода после возникновения повреждения ток содержит апериодическую составляющую, существенно повышающую мгновенное пиковое значение. Стандарт IEC 60909 определяет ударный коэффициент, зависящий от отношения X/R цепи:

• Для типовых распределительных трансформаторов ударный коэффициент находится в диапазоне от 1,8 до 2,2
• Поэтому симметричный ток КЗ 22,7 kA может достигать мгновенного пикового значения около 50 kA
• Механическое крепление шинопроводов и включающая способность коммутационной аппаратуры должны выбираться по этому пиковому, а не по действующему значению

Практические выводы

• Выбор коммутационной аппаратуры — отключающая способность автоматических выключателей НН должна превышать расчётный ток КЗ в месте их установки. Сопротивление кабелей снижает уровень тока КЗ по мере удаления от трансформатора.
• Напряжение КЗ как проектное решение — более высокое напряжение КЗ ограничивает ток короткого замыкания и снижает стоимость коммутационной аппаратуры, но увеличивает падение напряжения и потребление реактивной мощности. Этот компромисс следует оценивать на стадии проектирования.
• Параллельная работа — два трансформатора, работающих параллельно, примерно удваивают ток короткого замыкания на общей шине. Коммутационная аппаратура должна выбираться по суммарному значению.
• Длительность стойкости — согласно IEC 60076-5 трансформаторы должны выдерживать короткое замыкание на выводах в течение 2 секунд без повреждений. Это термическое и механическое требование, подтверждаемое расчётом или типовым испытанием.