Короткие замыкания в системах электроснабжения

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 / (31/2 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 (iа) и периодической iр) составляющих.

iк = iа + iр

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 (iу).

Для удобства расчёта ударного тока, вводят ударный коэффициент 1 ≤ kу ≤ 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 → ∞. kу = 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *