Губко А.А., Губко Е.А. - Физический процесс протекания короткого замыкания.

Одной из причин нарушения нормальной работы систем электроснабжения может быть короткое замыкание. Коротким замыканием (к.з.) назы-вается замыкание между фазами, а в системах с заземленной нейтралью - замыкание одной или нескольких фаз на землю или нулевой провод. При возникновении к.з. общее электрическое сопротивление цепи резко уменьшается, что вызывает увеличение тока в сети. Главная причина возникновения к.з. - нарушение изоляции элементов электрооборудования. Эти нарушения могут быть вызваны перенапряжением, механическими повреждениями, старением изоляционных материалов, попаданием в распределительные устройства или в аппараты посторонних предметов, загрязнением изоляторов токопроводящей пылью, при неосторожном монтаже или демонтаже электрооборудования и т.д. Причиной возникновения к.з. могут быть и ошибки, допущенные обслуживающим персоналом при выполнении переключений.

В системах трехфазного переменного тока возможны следующие виды коротких замыканий:
• трехфазное к.з. - одновременное замыкание трех фаз между собой;
• двухфазное к.з. - замыкание двух фаз;
• однофазное к.з. - замыкание одной фазы на землю.

Однофазное замыкание на землю имеет место только в сетях с неизолированной нейтралью.
В системах с изолированной нейтралью возможны только трехфазные и двухфазные к.з.
В электроустановках выше 1000 В ток короткого замыкания может достигать больших величин и при несвоевременном отключении вызвать разрушение кабелей, электроаппаратуры и других элементов сети. При проектировании и эксплуатации электроустановок предусматриваются мероприятия, уменьшающие вероятность возникновения к.з, а при возникновении их - ограничивающие вредное воздействие.

К этим мероприятиям относятся: выбор более рациональных схем электроснабжения; выбор электрооборудования, устойчивого к действию токов к.з; применение специальных аппаратов для ограничения токов к.з; применение специальных защит от токов к.з. и перенапряжений. Наибольшего значения токи к.з. достигают при возникновении их в местах установки источников питания. При расчете токов к.з. за источники питания принимают турбо- и гидрогенераторы электростанций. Как дополнительные источники питания могут учитываться синхронные и асинхронные двигатели при их мощности более 1000 кВт, установленные вблизи от места к.з. Электрические величины (ток, напряжение мощность и др.), относящиеся к различным видам к,з. обозначаются соответствующими символами с верхними цифровыми индексами в круглых скобках.

Знать токи к.з. в общем случае необходимо для выбора электрооборудования, проектирования релейной защиты и выбора средств ограничения токов к.з. Рассмотрим процесс трехфазного короткого замыкания в электрической цепи (рис 1). При нормальном режиме работы в цепи протекал ток нагрузки iн При возникновении к.з. сопротивление цепи уменьшается и ток возрастает. Так как электрическая цепь содержит не только активное, но и индуктивное сопротивление (обмотки трансформаторов, двигателей), то увеличение тока происходит не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Возникает переходный процесс, в течение которого ток изменяется от начального значения до какого-то установившегося. Процесс короткого замыкания состоит из двух периодов: неустановившегося режима, когда значение тока меняется во времени и установившегося, когда тюк остается постоянным.

Рисунок 1 – Процесс короткого замыкания

Суммарный ток к.з. в первый период (переходный процесс неустановившегося режима) состоит из двух составляющих: апериодической составляющей ia, которая возникает в момент к.з. и затухает до нуля через 0,1-0,2 с после возникновения кз вследствии наличия в цепи активного сопротивления, и периодической составляющей in, являющейся вынужденным синусоидальным током промышленной частоты. Значение периодической составляющей в начальный момент времени называют начальным значением тока короткого замыкания I" (I0). Данная величина используется при выборе уставок и проверке чувствительности релейной защиты.

Мгновенное значение полного тока к.з. для произвольного момента времени равно:

Максимальное мгновенное значение полного тока к.з. получило название ударного тока короткого замыкания iу. Это значение используется при проверке элекчрооборудования и токопроводов на электродинамическую устойчивость. Наибольшее значение ударный ток достигает через половину периода после возникновения к.з, т.е. через 0,01 с. Силовые выключатели на отключающую способность проверяют по действующему значению периодической составляющей тока к.з, I0,2, т.е. через 0,2 с от начала возникновения к.з. Для быстродействующих выключателей это время может уменьшится до 0,1 с. В установившемся режиме, после затухания апериодической составляющей, в цепи будет протекать установившийся ток к.з. Ioo. По этому току проверяют электрические аппараты, шины, кабели, проходные изоляторы на термическую стойкость. Наибольшее значение установившегося тока равно:

При трехфазном коротком замыкании действующее значение периодической составляющей тока к.з. за первый период после возникновения к.з. определяют по формуле: