Виды коротких замыканий

 

Короткие замыкания, как правило, сопровождаются увеличением токов в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные значения.

Протекание токов КЗ приводит к увеличению потерь электроэнергии в проводниках и контактах, что вызывает их повышенный нагрев. Нагрев может ускорить старение и разрушение изоляции, вызвать сваривание и выгорание контактов, потерю механической прочности шин и проводов и т. п. Проводники и аппараты должны без повреждений переносить в течение заданного расчетного времени нагрев токами КЗ, т.е. должны быть термически стойкими.

Протекание токов КЗ сопровождается также значительными электродинамическими усилиями между проводниками. Если не принять должных мер, под действием этих усилий токоведущие части и их изоляция могут быть разрушены. Токоведущие части, аппараты и электрические машины должны быть сконструированы так, чтобы выдерживать без повреждений усилия, возникающие при КЗ, т.е. должны обладать электродинамической стойкостью.

Короткие замыкания сопровождаются понижением уровня напряжения в электрической сети, особенно вблизи места повреждения.

Снижение напряжения на шинах у потребителя может привести к опасным последствиям. Особенно чувствительна к снижениям напряжения двигательная нагрузка. При глубоких снижениях напряжения уменьшается вращающий момент электродвигателя до значений, меньших момента сопротивления механизма. Электродвигатель тормозится, что влечет за собой увеличение потребляемого им тока. При этом еще больше увеличивается падение напряжения в сети, вследствие чего может развиться лавинообразный процесс, захватывающий все большее количество потребителей электроэнергии.

Резкое понижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и к системной аварии с большим народнохозяйственным ущербом.

Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при КЗ необходимо быстро отключать поврежденный участок. К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относится также правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств, выбор рациональной схемы сети и т.п.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

При коротком замыкании резко и многократно возрастает сила тока, протекающего в цепи, что, согласно закону Джоуля — Ленца приводит к значительному тепловыделению, и, как следствие, возможно расплавление электрических проводов, с последующим возникновением возгорания и распространением пожара.

 

ВЫБОР ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ, РЕАКТОРОВ, ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ, РАЗЪЕДИНИТЕЛЕЙ, ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

При коротких замыканиях в результате возникновения ударных токов КЗ - электродинамическое действие токов КЗ - в шинах и других конструкциях распределительных устройств возникают электродинамические усилия, создающие изгибающие моменты, которые приводят к механическим напряжениям в металле проводников. Механические напряжения в проводниках не должны превышать максимально допустимые, определяемые по справочнику для конкретного металла.

Электродинамическая сила, действующая на шинную конструкцию при трехфазном коротком замыкании, согласно ПУЭ определяется по формуле

- где l – это расстояние между изоляторами, к которым жёстко прикреплена шина; a – это расстояние между осями шин смежных фаз; i²_y – амплитудное значение ударного тока короткого замыкания, А.

Эта электродинамическая сила создаёт изгибающий шину момент

и вызывает в материале шины напряжение от изгиба (в Мпа)

 

где W – это момент сопротивления шины, зависит от формы и взаимного расположения шин. При расположении шин плашмя W = bh² / 6, при расположении шин на ребро W = b²h / 6. В данном случае b – толщина полосы, h – ширина (высота) шины.

Допустимое напряжение в алюминиевых шинах σ_до t_{пр п} = 65 Мпа. Ели расчётное напряжение от изгиба больше допустимого, то изменяют шинную конструкцию или ограничивают ток короткого замыкания.

Электродинамические усилия в электрических аппаратах трудно рассчитывать из-за разнообразия и форм токоведущих частей, поэтому заводы-изготовители указывают максимально допустимое (амплитудное) значение тока короткого замыкания.

 

Термическое действие токов КЗ проявляется как нагрев токоведущих части при КЗ до критической температуры. Проводники термически устойчивы, если расчётная температура T_расч. не превышает T_доп. для используемого материала (например, для медных шин T_доп = 300^оС, а алюминиевых - T_доп = 200^оС).

Нагрев от термического воздействия токов короткого замыкания приближённо оценивается по тепловому импульсу тока короткого замыкания В_к, величина А²* сек. Аппарат будет устойчив если В_к ≤ I²_tном * t_н,  где I_tном – номинальный ток термической устойчивости аппарата, указываемый заводом-изготовителем; t_н – номинальное расчётное время термической устойчивости аппарата, указываемое заводом-изготовителем в каталогах.

При больших расчётных значениях тока трехфазного короткого замыкания требуется по условиям динамической и термической устойчивости применять самые дорогие аппараты, а также кабели с площадью сечения жил, превышающей площадь экономического сечения, выбранную по условиям нормального режима. Чтобы избежать переустройства всей сети и замены кабельных линий, шин, аппаратуры, необходимо ограничить ток короткого замыкания. Это возможно двумя способами.

Первый способ заключается в глубоком секционировании сборных шин РУ всех напряжений в системе электроснабжения предприятия. Для этого отключается секционный коммутационный аппарат. При отключении одной из цепей питания автоматически или вручную производится подключение секции шин, потерявшей питание. В таком случае ток короткого замыкания окажется почти вдвое меньше, чем при отсутствии секционирования.

Если номинальная мощность трансформаторов ГПП превышает 25 … 40 МВА, то применяют расщепление обмоток трансформаторов – мощность каждой обмотки трансформатора напряжением 6/10 кВ составляет половину мощности трансформатора, поэтому её сопротивление в 2 раза больше, чем при отсутствии расщепления, соответственно, ток короткого замыкания будет в 2 раза меньше. Этот способ предусматривает включение реактора в цепь питания последовательно.

Выбор и проверка шин. Выбор шинопроводов и шин производится по расчётному току, номинальному напряжению, условиям окружающей среды и проверяют на термическую и динамическую устойчивость.

Минимальная площадь сечения шины по термической устойчивости определяется по формуле F_т.у. = I_∞√t_пр / C,

где I_∞ - установившееся значение тока короткого замыкания, кА; t_пр – приведенное время от возникновения до отключения тока короткого замыкания, сек; С – термический коэффициент. Для алюминиевых шин С = 88, для медных шин С = 171, для стальных шин С = 60.

Допустимое механическое напряжение на изгиб σ_расч. характеризует динамическую устойчивость.

Пример расчёта – пример 10.2 стр. 247 Сибикин.

Выбор и проверка изоляторов. Изоляторы выбираются по номинальному напряжению и току, типу и роду установки и проверяются на разрушающее воздействие от ударного тока короткого замыкания.

Изоляторы проверяют на электродинамическую стойкость при КЗ по допустимому усилию на головку изолятора по условию F_доп > F. (F- расчетное усилие, действующее на шину и на головку опорного изолятора при трехфазном ударном токе КЗ, Н.)  При этом следует учитывать способ установки шины на головке изолятора:

- при установке шины плашмя F_доп⁼ 0,6*F_разр,

где F_разр- разрушающее усилие на изгиб по паспорту, Н;

0,6 - коэффициент запаса;

- при установке шины на головке изолятора на ребро F_доп=К_п*0,6*Fразр

где К_п - коэффициент дополнительного снижения нагрузки, обусловленного увеличением плеча действующего усилия. Коэф­фициент К_п принимается для РУ10(6) кВ при высоте шины:

h = 20-60 мм, К_п = 0,8

h = 80-100 мм,К_п = 0,7.

Упрощённо при установке шины на ребро допускается применять формулу F_доп⁼ 0,4*F_разр

Выбор и проверка кабелей. Кабели выбирают по расчётному току, номинальному напряжению, способу прокладки, условиям окружающей среды и производят проверку на термическую устойчивость при коротком замыкании по формуле F_т.у. = I_∞√t_пр / C. Для кабелей с медными жилами термический коэффициент С = 141, с алюминиевыми С = 85.

Выбор и проверка реакторов. Реакторы выбираются по расчётному току линии и заданному допустимому току короткого замыкания. Выбор реактора состоит в определении его индуктивного сопротивления Х_р, %, которое необходимо включить в данную цепь, чтобы снизить ток короткого замыкания до заданного значения I _к.доп. Определяется по формуле Х_р = I_ном / I _к.доп * 100, где I_ном – номинальный ток реактора по каталогу, близкий к расчётному току в цепи.

Пример расчёта – пример 10.4 стр. 248 Сибикин.

Выбор и проверка выключателей высокого напряжения и разъединителей. Выключатели выбираются по номинальному току и напряжению, конструктивному исполнению, роду установки и проверяют на термическую и динамическую устойчивости и отключающую способность в режиме короткого замыкания. На термическую устойчивость выключатели проверяют по условию I²_{t ном} * t_ном  ≥  I²_∞ * t_пр где I_tном – номинальный ток термической устойчивости аппарата, указываемый заводом-изготовителем; t_ном – номинальное расчётное время термической устойчивости аппарата, указываемое заводом-изготовителем в каталогах; I_∞ - установившееся значение тока короткого замыкания, кА; t_пр – приведенное время от возникновения до отключения тока короткого замыкания, сек.

Динамическую устойчивость выключателя проверяют сравнением расчётного ударного тока i_у с максимально допустимым током i_макс , на который рассчитан выключатель. Проверка выключателя на отключающую способность сводится к проверке и сравнению расчётной мощности короткого замыкания S_к и отключающей способности выключателя S_откл. (паспортные данные), т.е S_к < S_откл.

Разъединители выбирают и проверяют так же, как и выключатели без проверки на отключающую способность.

Выбор и проверка предохранителей. Предохранители выбирают по конструктивному исполнению, роду установки, номинальным току и напряжению. Проверка отключающей способности сводится к сравнению условий I_откл > I_к ; S_откл > S_к. Значения I_к и S_к принимаются по каталогу оборудования.

Выбор и проверка выключателей нагрузки. Проводится по номинальному току и напряжению, проверяются на термическую и динамическую устойчивости, а также отключающую способность в нормальном и рабочем режиме. Условия устойчивости к токам короткого замыкания выполняются, если I _откл ≥ I_к, S_откл ≥ S_к

Выбор и проверка трансформаторов тока. Трансформаторы тока выбирают по типу, роду установки, номинальному току и напряжению, нагрузке вторичной цепи, требуемому классу точности, проверяют на термическую и динамическую устойчивость к токам короткого замыкания.

Условия термической устойчивости считается выполненным, если

K_t ≥ I_∞ √ t_пр/ I_ном,

где I_∞ - установившееся значение тока короткого замыкания, кА; t_пр – приведенное время от возникновения до отключения тока короткого замыкания, сек.; K_t – кратность термической устойчивости, приводимая в каталогах.

Условия динамической устойчивости выполняется, если

К_дин * √2 I_ном ≥ i_у,

где i_у – расчётный ударный ток, К_дин – коэффициент внутренней динамической устойчивости, приводимый в каталогах.

Выбор трансформаторов тока по нагрузке вторичной цепи сводится к сравнению его паспортной номинальной мощности с расчётной мощностью вторичной обмотки в нормальном режиме работы.

Выбор и проверка трансформаторов напряжения. Трансформаторы напряжения выбираются по номинальному напряжению первичной цепи, типу, роду установки, классу точности и нагрузке, определяемой мощностью потребления катушек приборов и реле.

Условия проверка трансформаторов напряжения на допустимую погрешность измерения заключаются в сравнении значений S_ном ≥ S_расч, где S_ном – паспортные данные номинальной мощности вторичной обмотки ТН, S_расч – расчётная мощность подключенных приборов и реле. Значения мощности, потребляемые приборами и реле, приводятся в справочной литературе.