Однофазное короткое замыкание

Литература

А) Использованная при подготовке текста группового занятия

1. В.И. Королев «Расчет мощностей электропривода БКСМ методом тяговых усилий» [Текст]: учебно- методическое пособие М-во образования и науки РФ, СПбГТУРП. – СПб: СПбГТУРП 2010;

2. Синюкова Т. В. «Электроснабжение» Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ 2013;

3. Ушаков В. Я. «Современные проблемы электроэнергетики» Томск: Томский политехнический университет 2014;

 б) Рекомендуемая обучающимся для самостоятельной работы по теме группового занятия

1. Синюкова Т. В. «Электроснабжение» Липецк: Липецкий государственный технический университет, ЭБС АСВ 2013;

 

                                                         Санкт-Петербург 2020 г.

 

                                                Текст лекции:

 

Токи короткого замыкания. Виды коротких замыканий. Однофазное короткое замыкание.

Основные сведения о коротких замыканиях. Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием, как по виду, так и по характеру повреждения. Короткие замыкания (КЗ) возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудования, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин. В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов. Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения, рассматриваются как непосредственные (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

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.

Виды коротких замыканий 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:

o ударный ток - возникает в течении первых 0,01-0,2 секунд, сопровождается электродинамическим эффектом, способным сорвать провода с изоляторов, повредить обмотки двигателей, трансформаторов;

o 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.

Однофазное короткое замыкание.

Однократная поперечная несимметрия в аварийном узле системы может быть в общем случае представлена присоединением неодинаковых по величине сопротивлений Z A, Z B и ZC (рис.1). Решение задачи в общем виде приводит к весьма громоздким выражениям. Поэтому проще и наглядней проводить расчеты однократной поперечной несимметрии на основе использования граничных условий, характеризующих каждое конкретное замыкание. Наиболее просто и наглядно граничные условия для любого несимметричного КЗ записывают, если предположить, что короткое замыкание происходит не в действительном узле заданной схемы, а на некоторых условно сверхпроводящих ответвлениях, подключенных в месте повреждения. Будем полагать, что все несимметричные КЗ − металлические. Схемы отдельных последовательностей предполагаем состоящими только из индуктивных сопротивлений. В расчетах учитываем только основные гармоники тока и напряжения.

 Граничные условия при замыкании фазы А на землю имеют вид:

Рис. 1. Представление поперечной несимметрии в виде включения в фазы неодинаковых сопротивлений.

При записи граничных условий примем, что режим работы фазы А отличается от режима работы фаз В и С, т. е. считаем фазу А особой фазой. За положительное направление фазных токов и их симметричных составляющих будем принимать направление к месту КЗ. Чтобы упростить записи, индекс вида короткого замыкания сохраним только в записи граничных условий и в окончательных результатах.