Основные понятия и соотношения

В электрических установках могут возникать различные виды КЗ, которые сопровождаются резким увеличением тока. Все электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснабжения, должно быть устойчивым к токам КЗ и выбираться с учетом этих токов. Различают следующие виды КЗ: трехфазное, или симметричное, когда три фазы соединяются между собой; двухфазное - две фазы соединяются между собой без соединения с землей; однофазное - одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю; двойное замыкание на землю - две фазы соединяются между собой и с землей.

Короткое замыкание в сети может сопровождаться: прекращением питания потребителей, присоединенных к точкам, в которых произошло КЗ; нарушением нормальной работы других потребителей, подключенных к неповрежденным участкам сети, вследствие понижения напряжения на этих участках; нарушением нормального режима работы энергетической системы.

Для предотвращения КЗ и уменьшения их последствий необходимо: устранять причины, вызывающие КЗ; уменьшать время действия защиты, действующей при КЗ; применять быстродействующие выключатели АРВ для быстрого восстановления напряжения генераторов; правильно вычислять токи КЗ и по ним выбирать необходимую аппаратуру, защиту и средства для ограничения токов КЗ.

Рассмотрим причины возникновения, особенности протекания КЗ и расчет токов КЗ. С момента возникновения КЗ. до его прекращения в короткозамкнутой цепи протекает переходный процесс, характеризуемый наличием двух составляющих тока КЗ: периодической (колебательной) и апериодической.

На рис. 6.1 приведены кривые изменения тока КЗ системы неограниченной мощности. Здесь и далее при рассмотрении явлений, вызванных КЗ, приняты следующие обозначения токов: iн0 - мгновенное значение тока нагрузки в момент КЗ; iу - мгновенное значение ударного тока КЗ через полпериода (0,01 с) после возникновения КЗ (по величине iу проверяют электрические аппараты, шины и изоляторы на динамическую устойчивость); Iп.макс, iп - соответственно максимальное и мгновенное значения периодической составляющей тока КЗ; Iа.макс, iа0 - соответственно максимальное и мгновенное значения апериодической составляющей тока КЗ; I - действующее значение установившегогя тока КЗ (по величине I проверяют электрические аппараты и токоведущие части на термическую устойчивость); I" = Iп0 - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ (сверхпереходный ток КЗ).

Действующее значение полного тока КЗ для произвольного момента времени t определяется соответствующими составляющими - периодической iпt и апериодической iаt КЗ. Периодическая составляющая тока КЗ изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора; апериодическая составляющая определяется характером затухания тока КЗ, который в свою очередь определяется активным сопротивлением цепи и обмоток статора генератора. В цепи напряжением выше 1000 В; где значение активного сопротивления мало, время затухания апериодической составляющей 0,15-0,2 с.

Известно, что в цепи; содержащей индуктивность, всякое изменение тока вызывает изменение магнитного потока, который наводит в этой цепи ЭДС самоиндукции. Под действием последней в цепи устанавливается апериодический ток обратного направления (рис. 6.1), который в начальный момент (t=0) равен разности мгновенных значений токов нагрузки рабочего режима iн0 и периодической составляющей тока КЗ.

ia0 = iн0 - Iп.макс.

Следовательно, благодаря инерции магнитного потока не происходит мгновенного изменения тока, так как возникновение апериодической составляющей не позволяет в начальный момент короткого замыкания мгновенно изменяться току от iн0 до Iп.макс.

Основные соотношения между токами КЗ. Связь между значением ударного тока iу и начальным действующим значением периодической составляющей тока КЗ Iп0 устанавливается из следующих соотношений.

1. Апериодическая составляющая затухает по экспоненциальному закону, определяемому уравнением

iа = Iа.макс e-t/Ta,

где Iа.макс - амплитудное (максимальное) значение апериодической составляющей; Та - постоянная времени затухания апериодической составляющей, определяемая соотношением между индуктивностью и активным сопротивлением rк цепи КЗ:

Учитывая, что при ω = 2π fном, = 2πf индуктивное сопротивление x = ωL, откуда L = x/314, получим

Tа = Lк / rк = xк / (314 rк).

2. Ударный ток, соответствующий времени t=0,01 с, т. е. через полпериода (рис. 6.1) после возникновения КЗ

iу = iа + Iп.макс.

где Iп.макс = 1,41 Iп.0 - максимальное значение периодической составляющей.

Подставляя значения, находим

iу = Ia.макс e-t/Ta + Iп.макс.

В момент t=0 ток Iп.макс = Iа.макс, тогда

iу = Ia.макс e-t/Ta + Iп.макс = Ia.макс (1 + e-t/Ta) = 1,41 Iп.0 (1 + e-t/Ta).

Обозначая величину

1 + e-t/Ta = kу,

получим

iу = kу 1,41 Iп.0.

Следовательно, ударным коэффициентом kу учитывается (через постоянную времени затухания Тa) соотношение между активным и индуктивным сопротивлениями цепи КЗ, т. е. расстоянием КЗ от генератора.