Расчет токов коротких замыканий в энергосистемах

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Расчет токов 
коРотких замыканий 
в энеРгосистемах

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 621.311.064.1(075.8)
ББК 31.27-018я73
          Р24
Авторы:
С. А. Ерошенко, А. О. Егоров, М. Д. Сенюк, М. Р. Загидулин,  
К. А. Зиновьев, А. И. Хальясмаа

Рецензенты:
К. В. Суслов, канд. техн. наук, проф. кафедры электроснабжения и электротехники Иркутского национального исследовательского технического университета;
В. С. Поспелов, начальник отдела стратегического развития сети филиала ПАО «ФСК ЕЭС» — МЭС Урала

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. С. Н. Шелюг

Изображение на обложке с сайта https://www.sedille-ets.fr/ressources/
images/1d84b2e4b43b.jpg

Р24
    Расчет токов коротких замыканий в энергосистемах : учеб. пособие / С. А. Ерошенко [и др.]. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 
104 с.

ISBN 978-5-7996-2604-4

В пособии рассмотрены вопросы расчета тока короткого замыкания в крупных 
электроэнергетических системах, допущения, используемые при расчетах и составлении схем замещения, критерии проверки силового оборудования на соответствие току короткого замыкания, методы расчета и особенности оформления 
проектной документации при выполнении раздела по расчету токов короткого замыкания. Особое внимание уделяется вопросам термического воздействия тока 
короткого замыкания на грозострос линии электропередачи.

Библиогр. 15 назв. Табл. 28. Рис. 51.

УДК 621.311.064.1(075.8)
ББК 31.27-018я73

ISBN 978-5-7996-2604-4 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019



оглавление

Используемые сокращения ................................................................... 4

Термины и определения ........................................................................ 5

Предисловие ......................................................................................... 7

Глава 1. Теоретические основы расчетов токов коротких замыканий .. 8
1.1. Общие сведения о коротких замыканиях в энергосистемах ....... 8
1.2. Исходные данные и допущения при расчете токов 
        коротких замыканий .................................................................. 12
1.3. Составление схем замещения элементов электрической сети ... 15
1.4. Составление схем замещения синхронных и асинхронных 
        машин ......................................................................................... 23
1.5. Проверка силового оборудования .............................................. 27
1.6. Методы ограничения токов КЗ .................................................. 34
1.7. Оформление расчетов токов КЗ ................................................. 40

Глава 2. Расчет токов короткого замыкания ...................................... 42
2.1. Описание исходных данных для расчета токов короткого 
        замыкания ................................................................................... 42
2.2. Расчет токов короткого замыкания в ПК RastrWin3 ................. 47
2.3. Проверка коммутационного оборудования по расчетным 
        токам короткого замыкания ....................................................... 68

Глава 3. Расчет термического воздействия тока короткого 
замыкания на грозотрос ...................................................................... 73
3.1. Общие положения ...................................................................... 73
3.2. Пример расчета термического воздействия токов КЗ ............... 77
3.3. Аналитический расчет термического воздействия тока 
        короткого замыкания на грозотрос ........................................... 80
3.4. Расчет тока в грозотросе в ПК RastrWin3 ................................... 99

Список использованных источников..................................................102



используемые сокращения

АД
–
Асинхронный двигатель

АОДС
–
Автоматика опережающего деления сети

АПВ
–
Автоматическое повторное включение

АТ
–
Автотрансформатор

ВПТ
–
Вставка постоянного тока

ГРЭС
–
Государственная районная электрическая станция

ЕЭС
–
Единая энергетическая система

КЗ
–
Короткое замыкание

КЛЭП
–
Кабельная линия электропередачи

ЛЭП
–
Линия электропередачи

ОКГТ
–
Оптический кабель помещенный в грозотрос

ПС
–
Подстанция

РУ
–
Распределительное устройство

СД
–
Синхронный двигатель

Т
–
Трансформатор

ТЭЦ
–
Теплоэлектроцентраль

УРОВ
–
Устройство резервирования при отказе выключателя

ЭДС
–
Электродвижущая сила



термины и определения

Короткое замыкание –
Замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый 
ток продолжительного режима

Однофазное короткое замыкание 
–
Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза

Двухфазное короткое замыкание 
–
Короткое замыкание между двумя фазами в трехфазной электроэнергетической системе

Двухфазное короткое замыкание 
на землю 

–
Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы

Трехфазное короткое 
замыкание 
–
Короткое замыкание между тремя фазами в трехфазной электроэнергетической системе

Свободная составляющая тока короткого 
замыкания 

–
Составляющая тока короткого замыкания, определяемая только начальными условиями короткого замыкания, структурой электрической сети и параметрами ее 
элементов

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания 

–
Свободная составляющая тока короткого замыкания, 
изменяющаяся во времени без перемены знака

Мгновенное значение тока короткого 
замыкания 

–
Значение тока короткого замыкания в рассматриваемый момент времени

Терминыиопределения

Действующее значение тока короткого 
замыкания 

–
Среднее квадратическое значение тока короткого замыкания за период рабочей частоты, середина которого есть рассматриваемый момент времени

Ударный ток короткого замыкания 
–
Наибольшее возможное мгновенное значение тока короткого замыкания

Сквозной ток короткого замыкания 
–
Ток, проходящий через включенный коммутационный электрический аппарат при внешнем коротком 
замыкании

Расчетный вид короткого замыкания 
–
Вид короткого замыкания, при котором имеют место 
расчетные условия короткого замыкания для рассматриваемого элемента электроустановки

Расчетная точка короткого замыкания 
–
Точка электроустановки, при коротком замыкании 
в которой для рассматриваемого элемента электроустановки имеют место расчетные условия короткого 
замыкания

Термическое действие тока короткого 
замыкания 

–
Тепловое действие тока короткого замыкания, вызывающее изменение температуры элементов электроустановки

Электродинамическое действие тока 
короткого замыкания 

–
Механическое действие электродинамических сил, 
обусловленных током короткого замыкания, на элементы электроустановки

Интеграл Джоуля 
–
Условная величина, характеризующая тепловое действие тока короткого замыкания на рассматриваемый 
элемент электроустановки, численно равная интегралу от квадрата тока короткого замыкания по времени 
в пределах от начального момента короткого замыкания до момента его отключения



Предисловие

Д

анное учебное пособие освещает широкий круг вопросов, 
связанных с расчетами токов коротких замыканий (КЗ) 
в сложных энергосистемах. Расчет токов КЗ является одной 
из важнейших проектных и эксплуатационных задач, которые решаются персоналом диспетчерских центров, электросетевых компаний 
и проектных организаций.
Первая глава пособия посвящена теоретическим аспектам расчета 
токов КЗ. Рассмотрены принципы составления схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей различных элементов 
электрической сети и генерирующего оборудования. Приведен учет 
взаимной индуктивности линий электропередач (ЛЭП).
Вторая глава учебного пособия посвящена вопросам расчетов токов КЗ в энергосистемах: описание функциональных возможностей и принципов работы в современном программном комплексе 
RastrWin3. В качестве примера приводится пошаговое описание расчетов токов КЗ для крупной электроэнергетической системы.
В третьей главе пособия освещены вопросы проверки грозотроссов 
по термической стойкости току КЗ.
Принципы расчетов токов КЗ, представленные в настоящем издании, соответствуют действующим нормативно-техническим документам в области диспетчерского управления, в том числе ГОСТу 
по расчетам токов КЗ (ГОСТ Р 52735–2007 «Короткие замыкания 
в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ»).



глава 1.  теоретические основы расчетов токов 
коротких замыканий

1.1. общие сведения о коротких замыканиях в энергосистемах
Д

ля электроэнергетической системы характерны следующие 
режимы работы: нормальный, аварийный, послеаварийный 
и ремонтный, причем аварийный режим является кратковременным, а остальные — продолжительными. Основной причиной перехода энергосистемы из нормального (ремонтного) состояния к аварийному является короткое замыкание (КЗ).
В электроэнергетических системах, работающих с заземленной 
нейтралью, различают четыре вида КЗ: однофазное, двухфазное, 
двухфазное на землю и трехфазное. Из них наиболее часто возникает однофазное КЗ, вероятность которого возрастает с увеличением напряжения сети. Данный факт связан с ростом расстояния 
между фазами. Вероятность возникновения КЗ определяется его видом, а также классом напряжения сети, в которой оно происходит. 
На рис. 1.1 и в табл. 1.1 приведена классификация КЗ, полученных 
с регистраторов аварийных событий ПАО «ФСК ЕЭС» за 2016 г. Исходя из приведенных данных можно сделать вывод, что в среднем КЗ 
возникает каждые 56 часов в год.
Среди причин возникновения КЗ выделяют следующие:
· грозовое перекрытие изоляции;
· нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими 
повреждениями;
· механические повреждения элементов электрической сети (обрыв провода линии электропередачи и т. п.);



· преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей;
· перекрытие токоведущих частей животными, птицами;
· падение деревьев на участки ЛЭП;
· ошибки персонала при выполнении переключений.
На рис. 1.2 и в табл. 1.2 приведена классификация причин возникновения КЗ, полученных из отчетных данных ПАО «ФСК ЕЭС» по одной 
из крупных региональных энергосистем для ПС 500, 220 кВ за 2016 г.

34 

43 

62 

2 
1 
1 
1 
2 
2 
7 

0

10

20

30

40

50

60

70

Фаза B 

Фаза A 

Фаза C 

Фаза B и C 

Фаза A и C 

Трехфазное КЗ 

B и C 

А 

А и B 

А и С 

Однофазное КЗ 
Двухфазное КЗ 
Обрыв фаз 

Количество, ед. 

Рис. 1.1. Классификация видов КЗ для ПС 500, 220 кВ

Таблица 1.1
Классификация видов КЗ для ПС 500, 220

Вид короткого замыкания
Количество, ед.
Обрыв фазы B и C
1
Двухфазное КЗ на землю, фаза A и C
1
Трехфазное КЗ
1
Обрыв фазы А
2
Обрыв фазы А и B
2
Двухфазное КЗ на землю, фаза B и C
2
Обрыв фазы А и С
7

Глава1.Теоретическиеосновырасчетовтоковкороткихзамыканий

Вид короткого замыкания
Количество, ед.
Однофазное КЗ на землю, фаза B
34
Однофазное КЗ на землю, фаза A
43
Однофазное КЗ на землю, фаза C
62
Итого:
155

1 

2 

2 

3 

3 

5 

5 

10 

22 

26 

28 

48 

0
10
20
30
40
50
60

Упавшая опора 

Обрыв грозотроса 

Разрушение конденсатора связи  

Обрыв гирлянды изоляторов 

Излом шлейфа провода в месте сварки 

Гололедообразование 

Перекрытие провода на траверсу 

Разрушение изолятора 

Перекрытие гирлянды изоляторов  

Перекрытие на проводе фазы 

Несанкционированная вырубка леса 

Грозовое перекрытие 

Количество, ед. 

Рис. 1.2. Классификация причин КЗ для ПС 500, 220 кВ

Таблица 1.2
Классификация причин КЗ для ПС 500, 220 кВ

Причина короткого замыкания
Количество, ед.
Грозовое перекрытие
48
Несанкционированная вырубка леса
28
Перекрытие на проводе фазы
26
Перекрытие гирлянды изоляторов 
22
Разрушение изолятора
10
Гололедообразование
5
Перекрытие провода на траверсу
5
Обрыв гирлянды изоляторов
3
Излом шлейфа провода в месте сварки
3
Обрыв грозотроса
2
Разрушение конденсатора связи 
2
Упавшая опора
1
Итого:
155

Окончание табл. 1.1

1.1.Общиесведенияокороткихзамыканияхвэнергосистемах

Из рис. 1.2 и табл. 1.2 можно видеть, что в большинстве случаев 
причиной возникновения короткого замыкания является грозовое 
перекрытие изоляции — 48 случаев. Второе место занимает несанкционированная вырубка леса или перекрытие изоляции из-за поросли в просеке — 28 случаев. На третьем месте — перекрытие изоляции 
фазных проводов — 26 случаев, по разным причинам: от сильных порывов ветра, жизнедеятельности птиц и проезда техники до перенапряжений на изоляции.
Основные последствия КЗ:
· системная авария, вызванная нарушением устойчивости системы, приводящая к значительному технико-экономическому 
ущербу;
· термическое повреждение электрооборудования, связанное с его 
недопустимым нагревом токами КЗ;
· механическое повреждение электрооборудования, вызываемое 
воздействием больших электромагнитных сил между токоведущими частями;
· ухудшение условий работы потребителей, вызывающее нарушения технологического процесса, приводящее к ущербу;
· наведение при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС, опасных для обслуживающего персонала [1].
В практике проектирования и эксплуатации электроэнергетических 
систем расчет токов КЗ производится для следующих целей:
· расчет шунтов короткого замыкания для использования в расчетах электромеханических переходных процессов;
· проектирование и настройка устройств релейной защиты и автоматики;
· выбор коммутационных аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости, 
коммутационной способности и износостойкости;
· разработка мер по ограничению токов КЗ;
· определение числа заземленных нейтралей и их размещение 
в энергосистеме;
· сопоставление, оценка и выбор схемы электрических соединений;
· определение влияния линий электропередачи на линии связи.