Лекция 10. Виды неисправностей с короткими замыканиями

Содержание лекции:

- обнаружение КЗ и чрезмерных токов нагрузки в труднодоступных для тестирования местах.

Цель лекции:

- ознакомление с основными видами КЗ.

Если произойдет соединение двух проводов с различным напряжением, то мы говорим о коротком замыкании. Значит, под коротким замыканием в сети мы понимаем электромагнитный переходной процесс, который возникает внезапным снижением импеданса между фазными проводниками или же между фазой и средним или защитным проводом. Причиной неправильного проводимого соединения может быть ошибочная манипуляция, механическое повреждение изоляции, повреждение кабеля при земляных работах и т. п., естественная деградация изоляции, например, из-за влажности, или же проводимое соединение является следствием повышенной нагрузки во время коммутационных процессов. Последствием короткого замыкания, вызывающего снижение импеданса, является мгновенное многократное увеличение нормального рабочего тока, значение которого зависит от напряжения и импеданса. Ток короткого замыкания достигает значений в диапазоне от тысяч до десяток тысяч ампер, и своим динамическим (силовым) и тепловым воздействием подвергает опасности все компоненты инсталляции и энергетической системы, которыми он протекает. Согласно способу нагрузки отдельных проводов трехфазной системы во время коротких замыканий (или же ее источника) распознаем короткие замыкания симметричные (трехфазные или же трехфазные на землю) и короткие замыкания несимметричные (двухфазные, двухфазные на землю, однофазные) (см. рисунок 1).

А В С D

А- 3-фазное симметричное короткое замыкание; В - 2-фазное несимметричное короткое замыкание; С - 2-фазное короткое замыкание на землю; D- 1-фазное короткое замыкание на землю

Рисунок 1 -Схемы короткого замыкания

С точки зрения расчета параметров электрических сетей согласно IEC важным является случай 3-фазного симметричного короткого замыкания, при котором возникает самый большой ток короткого замыкания. Обратным случаем является 1-фазное короткое замыкание на землю с большим импедансом цепи тока повреждения, где благодаря небольшому тока короткого замыкания время отключения неисправности может быть очень продолжительным, и в течение этого времени на частях, не ведущих ток, находится опасное напряжение.

Основные виды КЗ: междуфазные КЗ – двухфазные и трёхфазные – возникают в сетях как с заземлённой нейтралью, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземлённой нейтралью.

Трёхфазное короткое замыкание. Симметричное трёфазное КЗ – наиболее простой для расчёта и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения всех фаз равны по значению как в месте КЗ, так и в любой другой точке сети: I_A= I_B= I_C; U_A= U_B= U_C.

Двухфазное короткое замыкание. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерных для КЗ между фазами В и С. В повреждённых фазах в месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповреждённой фазе ток отсутствует, т.е. I_A= 0, I_B - I_C =0

Междуфазное напряжение в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения будут: U_B= U_C= E/2; при U_BC= 0.

Так же как и при трёхфазном КЗ, токи, проходящие в повреждённых фазах, отстают от создающей их ЭДС на угол φ_к, определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи. По мере удаления от места КЗ фазные напряжения U_B, U_C, и междуфазное напряжение U_BC, будут увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трёфазное КЗ.

Двухфазное КЗ на землю в сети с заземлённой нейтралью. Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного КЗ. Токи, проходящие в месте КЗ, а так же междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ.

В сетях же с заземлённой нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем просто двухфазное КЗ. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте КЗ, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других – до значения фазного напряжения неповреждённой фазы. Соотношение токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения: I_A= 0, U_B= U_C= 0.

Однофазное КЗ в сети с заземлённой нейтралью. Оно может иметь место только в сетях с заземлённой нейтралью. Соотношение токов и напряжений в месте однофазного КЗ: UA= 0; I_B= I_C= 0.

Однофазные КЗ, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения только одного фазного напряжения, представляют меньшую опасность для работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю. В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3 – 35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение повреждённой фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповреждённых фаз увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным. Под действием напряжений неповреждённых фаз через место повреждения проходит ток, замыкающийся через ёмкости неповреждённых фаз. Ёмкость повреждённой фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через неё не проходит.

Ёмкость сети в основном определяется длиной присоединённых линий, в то время как ёмкости относительно земли обмоток генераторов и трансформаторов сравнительно невелики. Для расчёта ёмкостного тока (А/км), проходящего при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, можно воспользоваться выражением, определяющим ток на 1 км кабельной линии:

Iз = (95+2,84S) /(2200+6S)Uном.; (1)

Для линии 10 кВ:

Iз = (95+1,44S)/(2200+0,23S)Uном., (2)

где S – сечение кабеля, мм2;

Uном. – номинальное междуфазное напряжение кабеля, кВ.

Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения ёмкостных токов: 6кВ – 0,015 А/км; 10кВ – 0,025 А/км; 30кВ – 0,1 А/км.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства – дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землёй. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшого остаточного значения.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшие значения, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал. Однако длительная работа сети с заземлённой фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а так же повышенные в 1,73 раза напряжения неповреждённых фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 часов для обнаружения места повреждения и выведения его из сети.

Расчет токов при трехфазном КЗ выполняют в следующем порядке:

- для рассматриваемой системы электроснабжения составляется расчетная схема;

- по расчетной схеме составляется схема замещения;

- схема замещения путем преобразования приводится к наиболее простому виду, так чтобы источник питания был связан с точкой КЗ одним результирующим сопротивлением;

- по закону Ома определяют ток короткого замыкания, начальное значение периодической и апериодической составляющих тока КЗ и значение ударного тока КЗ.

В расчетную схему вводятся генераторы и синхронные компенсаторы, синхронные и асинхронные электродвигатели напряжением выше 1 кВ, имеющие небольшую электрическую удаленность расчетной точки КЗ, а также трансформаторы, реакторы, токопроводы, воздушные и кабельные линии, связывающие место КЗ с источниками питания. Исходным состоянием расчетной схемы является нормальный режим работы электроустановки. Возможные ремонтные режимы и режимы оперативных или аварийных переключений в расчетах токов КЗ не учитываются.

В зависимости от цели расчета учитывают разные расчетные режимы работы электрической схемы. При выборе аппаратуры расчетным считается максимальный режим, так как токи КЗ имеют наибольшие значения. Этот же режим принимается и при расчетах токов пуска и самозапуска электродвигателей с целью обеспечения несрабатывания защит в сети. При проверке чувствительности защит расчетным является минимальный режим, при котором токи КЗ имеют наименьшие значения. Этот же режим используют для проверки возможности пуска и самозапуска электродвигателей.

Большинство КЗ в сетях до 1000 В происходит через электрическую дугу, сопротивление которой существенно ограничивает ток КЗ. В 85 % случаев КЗ возникают вследствие металлического контакта, однако электродинамические силы, пропорциональные квадрату тока, разбрасывают металлические проводники, разрывают закоротки небольшого сечения и КЗ переходит в дуговое.

Для расчета защит трансформаторов необходимо знать значение и направление токов в первичной обмотке трансформатора при КЗ на его вторичной стороне.