Надежность работы подземных электрических установок должна обеспечиваться правильным их выбором, монтажом и эксплуатацией. При этом необходимо оценивать и учитывать опасные последствия, связанные с возникновением к. з., при которых аварийные токи могут значительно превышать нагрузку нормального режима.
Рисунок 1 – Кривая изменения аварийного тока при к. з. на шинах ЦПП, питаемых от автономной электростанции
При .эксплуатации подземных электроустановок шахт возникают следующие виды междуфазных к. з.: трехфазное; двухфазное металлическое в сети с отключенной нагрузкой; двухфазное через переходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой; двухфазное металлическое с присоединенной нагрузкой; двухфазное через переходное сопротивление в сети с присоединенной нагрузкой.
В общем случае возникающие при к. з. аварийные токи зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации электрической сети и параметров входящих в нее элементов вида к. з. и сопротивления короткозамкнутой цепи, фазы э. д. с в момент возникновения к. з., наличия или отсутствия присоединенной нагрузки.
Большинство шахт получают электроэнергию от мощных энергосистем. Однако при рассмотрении режимов к. з. следует также учитывать случаи питания электроэнергией отдельных шахт от шин генераторного напряжения автономной электростанции.
При возникновении к. з. общее электрическое сопротивление цепи системы подземного электроснабжения уменьшается что вызывает увеличение токов в сети. При этом с момента возникновения к. з. до момента отключения поврежденного участка в сети существует переходный процесс.
На рис. 1 приведен характер изменения аварийного тока при к. з. на шинах ЦПП, питаемых от шин генераторного напряжения автономной электростанции. При этом показан процесс к. з., возникшего в момент времени, когда э. д. с. генератора ег = 0, а ток предшествующей нагрузки имел мгновенное значение, равное iH. Непосредственно в момент возникновения к. з. аварийный ток сохраняет величину iн , а затем в течение времени, равном примерно полупериоду, непрерывно возрастает до своего максимального значения iу , называемого ударным током. В начальный период протекания переходного процесса кривая тока короткого замыкания iк.з. сдвинута относительно оси времени. Однако через малый промежуток времени сдвиг исчезает, а амплитудные значения тока, изменяясь по экспоненциальному закону, приближаются по величине к амплитудным значениям установившегося тока к. з.
Мгновенное значение полного тока короткого замыкания iк.з. в любой момент времени его протекания можно представить состоящим из двух составляющих: периодической iп и апериодической iа.
Периодическая составляющая iп представляет собой синусоиду промышленной частоты 50 Гц с затухающими во времени амплитудами, переходящую в установившийся ток к. з. Апериодическая составляющая iа представляет собой ток одного направления, быстро затухающий во времени. Начальное значение апериодической составляющей тока к. з. iа0, противоположно по знаку и практически мало отличается (на величину нагрузки предшествующего режима) от начального значения периодической составляющей iп0.
Необходимо отметить, что на процесс протекания токов к. з. могут оказывать влияние установленные на электростанциях автоматические регуляторы возбуждения (АРВ). Однако за время существования токов к. з. в подземных электрических сетях (не более 0,2 с) влиянием АРВ можно пренебречь. В то же время следует учитывать то, что при к. з. в сети, питающейся от синхронного генератора, процессы, возникающие в нем, существенно зависят от сопротивления короткозамкнутой цепи. По мере увеличения сопротивления короткозамкнутой цепи переходные процессы в генераторе ослабевают. При относительно больших сопротивлениях короткозамкнутой цепи аварийный ток при к. з. на участке цепи может значительно превышать ток предшествующего нормального режима, но в генераторе ток может изменяться незначительно.
Питающую систему можно считать источником с неизменной э. д. с, если установленная мощность понижающих трансформаторов, питающих место к. з., удовлетворяет условию:
| Sтр < Sсист / 50 | (1) |
где Sсист - мощность системы.
Мощность отдельно установленных в подземных электрических сетях трансформаторов значительно меньше суммарной мощности генераторов питающей системы. Поэтому, возникающие при к. з. в подземных электрических сетях напряжением 380, 660 и 1140 В аварийные токи практически не оказывают влияния на токи генераторов системы. Что же касается аварийных токов, возникающих при к. з. в подземных высоковольтных сетях, то их влиянием на режим работы генераторов системы можно пренебрегать, если мощность установленных на районной подстанции трансформаторов меньше одной пятидесятой части мощности системы или в случаях, когда общее сопротивление короткозамкнутой цепи, выраженное в относительных единицах, превышает три.
В таких случаях питающую систему можно считать источником с неизменной э. д. с. Характер переходного процесса имеет вид, представленный на рис. 2.
Рисунок 2 – Кривая изменения тока к. з. в подземной электрической сети, питаемой от мощной системы
Как видно из рис. 2, в рассматриваемом случае полный ток к.з. может быть представлен двумя составляющими: периодической iп и апериодической iа. Но в отличие от ранее рассмотренного процесса к. з. здесь амплитуда периодической составляющей тока к. з. остается неизменной в течение всего времени существования аварийного тока.
Полный ток к. з. iк.з. может быть определен из следующего выражения:
iк.з. = iп + iа = Iк.з.m sin ( 1 t +  -  к.з. ) + i а0 e -t / Ta
|
(2) |
где Iк.з.m - амплитудное значение периодической составляющей тока к. з. ; - фаза включения при t = 0 ;
к.з. -
угол сдвига тока к.з. ; iа0 - начальное значение апериодической составляющей тока к. з. ; Ta = xк.з.
/ rк.з. -
постоянная времени затухания апериодической составляющей тока к. з. ; xк.з. , rк.з. -
соответственно активное и
индуктивное сопротивления короткозамкнутой цепи.
Максимальное мгновенное значение полного тока к. з. iу (ударный ток) наступает приблизительно через полпериода с момента возникновения к. з. Причем для ударного тока можно записать следующее выражение:
| iу = Iк.з.m (1 + у - 0,01 / Ta) = K уIк.з.m | (3) |
где K у = 1 + у - 0,01 / Ta - ударный коэффициент.
На рис. 3 приведена зависимость ударного коэффициента Kу от отношения индуктивного и активного сопротивлений короткозамкнутой цепи.
Рисунок 3 – Зависимость ударного коэффициента Kу от отношения индуктивного сопротивления xк.з. короткозамкнутой цепи к активному сопротивлению r к.з.
Как показывают расчеты схем электроснабжения шахт Донбасса, при к. з. на шинах ЦПП ударный коэффициент может быть принят равным 1,5—1,6. По мере удаления точки к. з. от ЦПП значение ударного коэффициента существенно уменьшается и, как показывают расчеты, при сопротивлениях кабельной линии более одного Ома ударный коэффициент Kу может быть принят равным единице.
Рисунок 4 – Зависимость ударного коэффициента Kу от сопротивления кабельной линии zк : 1 — ТКШВП-320/0,69 ; 2 — ТКШВП-320/0,4
На рис.4 приведены полученные расчетным путем зависимости ударного коэффициента Kу от сопротивления кабельной линии z к в сетях 380 и 660 В до точки к. з. при установке трансформаторной подстанции ТКШВП-320 вблизи ЦПП. Из приведенных на рис. 4 зависимостей видно, что при к. з. на зажимах трансформаторной подстанции ТКШВП-320 ударный ток к. з. на 37% превышает амплитудное значение периодической составляющей тока к. з. Из полученных данных также видно, что ударный коэффициент следует учитывать только при к. з. в точках сети, мало удаленных от трансформаторной подстанции.