Токи короткого замыкания. Выбор и проверка токоведущих частей, изоляторов и аппаратов

ИЗМЕНЕНИЕ ТОКА В ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

В системе трехфазного переменного тока могут возникнуть не­предусмотренные соединения проводников двух или трех фаз между собой или на землю, называемые короткими замыканиями. Это происходит при набрасывании проводника на воздушную линию, повреждении кабеля, падении поврежденной опоры воздушной линии со всеми проводами на землю, перекрытии фаз животны­ми и птицами, обрыве проводов и т.д.

На рис. 10.1 показано соединение фаз при трехфазном (К₃), двухфазном (К₂), двухфазном на землю (К_1,1) и однофазном (К1) коротких замыканиях.

В результате короткого замыкания резко снижается сопротив­ление электрической цепи, так как полные сопротивления фазо­вых нагрузок Z _А, Z_В, Z_С одной, двух или всех трех фаз оказываются зашунтированными вследствие соединения проводов «накоротко». В точке короткого замыкания сопротивление фаз источника со­ставляет лишь небольшую долю сопротивления нагрузки. Ток в короткозамкнутой цепи намного превышает рабочий ток. Наиболь­ший ток короткого замыкания возникает при трехфазном корот­ком замыкании, поэтому данный ток и определяют для выбора электрического оборудования.

Увеличение тока в цепи приводит к возрастанию механического воздействия электродинамических сил на электроаппараты и по­вышению нагрева токоведущих частей пропорционально квадра­ту силы тока. Кроме того, снижается напряжение. При трехфазном коротком замыкании напряжение в точке К₃ падает до нуля, а в смежных участках сети напряжение тем ниже, чем ближе эти уча­стки к месту короткого замыкания.

Для уменьшения последствий аварий в электрической сети при коротких замыканиях необходимо обеспечивать быстрое отключе­ние поврежденного элемента сети, выбирать аппаратуру таким образом, чтобы она была устойчивой к кратковременному воз-

Рис. 10.1. Схема возможных соединений фаз при коротких замыканиях на линии электрической сети

действию тока короткого замыкания. Следовательно, надо уметь рассчитывать токи короткого замыкания для выбора аппаратуры электросети и разработки мероприятий, обеспечивающих рабо­ту системы электроснабжения при внезапном коротком замыка­нии.

Рассмотрим процесс, происходящий при трехфазном корот­ком замыкании цепи К₃ (см. рис. 10.1). В момент короткого замыка­ния во всех трех фазах источника напряжение U _м = соnst. Трехфаз­ное короткое замыкание симметричное, так как все три фазы за­мыкаются одновременно, на одинаковом удалении от источника, при одинаковом сопротивлении фаз. Поэтому можно вести анализ процесса по одной фазе.

На рис. 10.2 показаны кривые изменения фазного тока при трех­фазном коротком замыкании. Если в момент короткого замыка­ния ток в фазе был равен I₀, то в последующий момент (после короткого замыкания) в цепи возникнут две составляющие тока: апериодическая /_а0 и периодическая i_п0. Апериодическая составля­ющая I_а0 возникает потому, что ток в цепи с индуктивностью не может измениться скачком от одного значения до другого. Поэто­му при коротком замыкании появляется ток, затухающий по экс­поненциальному закону через 0,1...0,2 с. Периодическая состав­ляющая I_п0 возникает потому, что к цепи приложено синусои­дальное напряжение Uм sin wt. При сопротивлении короткозамкнутой цепи Z _К:

где w —угловая частота тока; ф_к — угол сдвига по фазе тока отно­сительно напряжения.

Периодическая составляющая тока короткого замыкания, как видно из выражения (10.1), увеличивается по сравнению с током нормального рабочего режима вследствие уменьшения полного сопротивления цепи от первоначального значения (Z_СеТИ + Z_натр) до Z _К — сопротивления цепи при коротком замыкании, включающего в себя сопротивление источника и часть сопротивления сети до точки короткого замыкания. Кроме того, изменяется угол сдвига по фазе тока относительно напряжения: при нормальном режиме

 

Рис. 10.2. График изменения тока в цепи при коротком замыкании

где х_н, х_к — индуктивное сопротивление цепи соответственно при нормальном и коротком замыкании; r _н, r_к — активное сопротивле­ние цепи соответственно при нормальном и коротком замыкании.

Ток короткого замыкания слагается из апериодической и пе­риодической составляющих: /_к= /_а+ /_п. Амплитуда тока короткого замыкания будет иметь наибольшее значение /_м в первый же полупериод, когда i_ао и i_п0 имеют одинаковый знак (см. рис. 10.2).

Наибольшее значение /_м называется ударным током короткого замыкания /_у и определяется по значению периодической состав­ляющей в момент короткого замыкания:

где К_у — ударный коэффициент при трехфазном коротком замыка­нии (на выводах трансформаторов и сборных шинах напряжением 6 (10) кВ К_у= 1,8, а на стороне низшего напряжения 0,4 кВ К_у = = 1,3); /_п0, /_п0 — соответственно амплитудное и действующее значе­ния периодической составляющей тока короткого замыкания.

В первый полупериод ток /_п0 называется сверхпереходным током короткого замыкания.