Короткие замыкания в системах электроснабжения

Разновидности коротких замыканий и вероятности их возникновения

Коротким замыканием называется нарушение нормальной работы электроустановки, вызванное замыканием фаз между собой, или замыканием фазы на землю.

Токи к.з. в современных мощных электросистемах могут достигать огромных значений (10-100 тыс. ампер). Поэтому оборудование электроустановок должно обладать достаточной электродинамической (механической) и термической стойкостью к действию токов к.з.

Причинами возникновения короткого замыкания могут быть:

1. Нарушение изоляции происходящее в следствии её несовершенства, или посторонних причин (обрыв, удар молнии, попадание посторонних предметов).
2. Ошибки при ремонтных работах, включениях и отключениях.

Несмотря на все меры, принимаемые при проектировании и эксплуатации, вероятность короткого замыкания не исключена, поэтому правильный выбор электрооборудования, основанный на знании характера протекания короткого замыкания и ожидаемого тока, является самой действенной мерой предотвращения опасных последствий к.з.

Короткие замыкания бывают:

• трёхфазные - возникающие при одновременном замыкании накоротко всех трёх фаз (I₍₃₎^max 1,6 I₍₂₎^min);
• двухфазные;
• однофазные - возникающие при замыкании между фазой и землёй (возможны только в системах с заземлённой нейтралью)

Процесс протекания короткого замыкания слагается из двух режимов:

1. Переходного:
   • ударный ток - возникает в течении первых 0,01-0,2 секунд, сопровождается электродинамическим эффектом, способным сорвать провода с изоляторов, повредить обмотки двигателей, трансформаторов;
   • разрывной ток - появляется в течении первых 0,2 секунд, в течении которых сеть должна быть отключена автоматической защитой.
2. Установившегося. Возникает при несрабатывании защиты, ведёт к злектротермическому эффекту.

Действующее значение периодической составляющей к.з. может быть определено по формулам Тоя:

• I⁽³⁾ = E / (3^1/2 Z) ;
• I⁽²⁾ = E / (Z₁ + Z₂);
• I⁽¹⁾ = (3 ^1/2 E) / (Z₁ + Z₂ + Z₃), где

Е - действующее значение ЭДС генератора;

Z₁, Z₂, Z₃ - сопротивление прямой, обратной и нулевой последовательности.

Знать токи короткого замыкания необходимо:

• для выбора электрооборудования;
• для проектирования релейной защиты;
• выбора средств ограничения токов к.з.

Как правило, в точке к.з. возникает электродуга, которая образует переходное сопротивление. Для упрощения расчётов, будем рассматривать только металлическое к.з., т.е. без учётов переходного сопротивления.

При появлении к.з., сопротивление в сети падает. Однако, скачком ток увеличиться не может, т.к. сеть обладает индуктивностью. Из курса ТОЭ известно, что ток можно представить, как сумму апериодической (i_а) и периодической i_р) составляющих.

i_к = i_а + i_р

В результате этого, результирующий ток в некоторые моменты времени может превосходить амплитуду установившегося тока. Быстрота перехода в установившийся режим определяется постоянной установления:

τ = L / r, где L - индуктивность

Через время t ≈ 3τ (0,1-0,2 сек) в цепи будет протекать только периодический или установившийся ток короткого замыкания.

В конце первого полупериода ток достигает максимального значения, называемого ударным током (i_у).

Для удобства расчёта ударного тока, вводят ударный коэффициент 1 ≤ k_у ≤ 2

• При к.з. вблизи генераторной станции величина активного сопротивления будет минимальной, τ → ∞, ударный ток будет 2 max;
• Когда к.з. происходит в удалённой точке, то τ → 0, r → ∞. k_у = 1

По ударному току проверяют электроаппараты, шины, изоляторы - на электродинамическую стойкость. По действующему значению установившегося тока проверяют аппаратуру на термическую стойкость.

Ограничение мощности короткого замыкания осуществляется с помощью бетонных реакторов (РБ, РБН). Они имеют мизерное активное сопротивление и достаточно большое индуктивное. РБ устанавливаются на поверхности, в спец камерах подстанций, в начале и конце линии.

На новых угольных шахтах допускаемая мощность короткого замыкания не должна превышать S ≤ 100 МВА (старые шахты - до 50).

Защита от токов короткого замыкания производится плавкими предохранителями и максимально-токовой защитой.

Расчёт токов короткого замыкания

Допущения при расчётов токов короткого замыкания:

1. Трёхфазная сеть симметрична и сопротивления отдельных фаз равны между собой.
2. Не учитываются токи намагничивания трансформаторов.
3. Не учитываются активные сопротивления некоторых элементов сети (трансформаторов, реакторов, воздушных линий) из-за их малости по сравнению с индуктивными сопротивлениями.
4. Не учитывается сдвиг по фазе ЭДС различных источников питания, входящих в расчётную схему.

Для вычисления токов к.з. составляют расчётную схему, соответствующую режиму работы. В однолинейном изображении указываются источники питания (энергосистема, генераторы) и элементы сети (ЛЭП, трансформаторы, реакторы)

По расчётной схеме составляется схема замещения сети. Для этого все элементы сети заменяют соответствующими электросопротивлениями. Элементы обозначаются дробью (в числителе указывается порядковый номер, а в знаменателе сопротивление).

В большинстве случаев схема сети содержит содержит одну или несколько ступеней трансформации. Для составления эквивалентной схемы замещения выбирают основную или базовую ступень трансформации и все эл. величины остальных ступеней приводят к напряжениям основной ступени.

В основу расчёта токов короткого замыкания положен метод определения суммарного сопротивления до точки короткого замыкания.

• I⁽³⁾ = U_ном / (3^½ (R² + X²)^½ ) ;
• I⁽²⁾ = (3^½ I⁽³⁾_max) / 2