Расчет токов короткого замыкания

Основные определения и общая характеристика процесса

 

Коротким замыканием (КЗ) называется не предусмотренное нормальной эксплуатацией соединение разноименных фаз между собой или соединение фаз с землей.

Причины КЗ: механические повреждения изоляции (проколы и разрушение кабелей при земляных работах, поломка изоляторов и т.д.); старение, то есть износ изоляции, приводящий постепенно к резкому ухудшению электрических свойств изоляции; увлажнение изоляции; различные набросы на провода воздушных линий; перекрытие фаз животными и птицами; перекрытие между фазами вследствие атмосферных перенапряжений; ошибочные действия персонала (например, при отключении нагруженной линии разъединителем, возникшая при этом дуга перекроет изоляцию между фазами).

Некоторые короткие замыкания являются устойчивыми и не исчезают после снятия напряжения с установки (например, КЗ вследствие механических повреждений и старения изоляции), другие являются неустойчивыми, то есть исчезают после снятия напряжения (например, перекрытие гирлянды изоляторов воздушной линии вследствие атмосферного перенапряжения прекращается, как только будет снято напряжение с линии).

В системе трехфазного переменного тока могут быть замыкания между тремя фазами – трехфазные КЗ, между двумя фазами – двухфазные КЗ, однофазные замыкания на землю.

На практике чаще всего встречаются однофазные КЗ (от 60% до92%) и значительно реже – трехфазные (от 1% до7 %). Как правило, трехфазное КЗ вызывает прохождение в поврежденной цепи наибольшего тока, поэтому для выбора аппаратуры обычно производится определение тока при трехфазном КЗ.

Последствиями КЗ являются резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в отдельных точках системы. Увеличение тока приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие части и изоляторы, на обмотки электрических машин. Прохождение больших токов вызывает повышенный нагрев токоведущих частей в изоляции, что может привести к дальнейшему развитию аварии. Снижение напряжения приводит к нарушению нормальной работы механизмов собственных нужд. При напряжении ниже 70% от номинального напряжения двигатели затормаживаются, работа механизмов прекращается. Еще большее влияние снижение напряжения оказывает на работу электрической системы, где могут быть нарушены условия синхронной работы отдельных генераторов или станций между собой. Значения токов КЗ зависят от мощности источника, напряжения и сопротивления короткозамкнутой цепи. На крупных ТЭС токи КЗ достигают нескольких десятков и даже сотен тысяч ампер.

Все электрические аппараты и токоведущие части электрических станций и подстанций должны быть выбраны таким образом, чтобы исключалось их разрушение при прохождении по ним наибольших возможных токов КЗ, в связи с чем возникает необходимость расчета этих величин.

 

Назначение и порядок выполнения расчетов

 

Расчеты токов КЗ производятся для выбора или проверки параметров электрооборудования, а также для выбора или проверки уставок релейной защиты и автоматики.

Расчет тока КЗ с учетом действительных характеристик и действительного режима работы всех элементов энергосистемы, состоящей из многих электрических станций и подстанций, весьма сложен. Вместе с тем для решения большинства задач, встречающихся на практике, можно ввести допущения, упрощающие расчеты и не вносящие существенных погрешностей. К таким допущениям относятся следующие:

1.фазы ЭДС всех генераторов не изменяются (отсутствие качания генераторов) в течение всего процесса КЗ;

2.не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;

3.пренебрегают намагничивающими токами силовых трансформаторов;

4.не учитывают, кроме специальных случаев, емкостные проводимости элементов короткозамкнутой цепи на землю;

5.считают, что трехфазная система является симметричной;

6.влияние нагрузки на ток КЗ учитывают приближенно;

7.при вычислении тока КЗ обычно пренебрегают активным сопротивлением цепи, если отношение х / r более трех.

Указанные допущения наряду с упрощением расчетов приводят к некоторому преувеличению токов КЗ (погрешность практических методов расчета не превышает 10%, что принято считать допустимым).

Для выбора этого оборудования расчетным током является трехфазный ток короткого замыкания.

Расчет токов при трехфазном КЗ выполняется в следующем порядке:

1.для рассматриваемой энергосистемы составляется расчетная схема, намечаются расчетные точки короткого замыкания;

2.по расчетной схеме составляется электрическая схема замещения, все сопротивления на ней нумеруются;

3.определяются величины сопротивлений всех элементов схемы замещения в относительных или именованных единицах и указываются на схеме замещения;

4.путем постепенного преобразования приводят схему замещения к наиболее простому виду так, чтобы каждый источник питания или группа источников, характеризующиеся определенным значением результирующей ЭДС Е_рез, были связаны с точкой КЗ одним результирующим сопротивлением Х_рез;

5.зная результирующую ЭДС источника и результирующее сопротивление, по закону Ома определяют начальное значение периодической составляющей тока КЗ, затем ударный ток и при необходимости периодическую и апериодическую составляющие тока КЗ для заданного момента времени τ.