Короткие замыкания в системах электроснабжения

Понятие короткого замыкания

Коротким замыканием (КЗ) называется соединение между двумя точками сети с разными потенциалами, не предусмотренное нормальными условиями работы установки. Это может быть соединение каких-либо точек разных фаз, фазного и нейтрального (нулевого) провода, соединение проводов с землей или ее эквивалентом.

Короткие замыкания могут быть вызваны механическим повреждением кабельных линий, схлестыванием проводов ВЛ, ошибками обслуживающего персонала. В ряде случаев причиной короткого замыкания является старение изоляции.

Основными видами коротких замыканий являются:

а) трехфазное КЗ, при котором все три фазы замыкаются между собой в одной точке (рисунок 6.1, а);

б) двухфазное КЗ, когда между собой замыкаются две фазы (рисунок 6.1, б);

в) двухфазное на землю (рисунок 6.1, в);

г) однофазное на землю (рисунок 6.1, г).

Рис. 6.1. Виды коротких замыканий:

а – трехфазное; б – двухфазное; в – двухфазное на землю; г – однофазное на землю: , , – активное сопротивление фаз цепи от генератора до точки КЗ; , , – индуктивное сопротивление фаз цепи от генератора до точки КЗ; , , – активное сопротивление фаз сети за точкой КЗ; , , – индуктивное сопротивление фаз сети за точкой КЗ; , – точки КЗ; (3), (2), (2.З), (1) – обозначение видов КЗ (трехфазное, двухфазное, двухфазное на землю, однофазное).

Трехфазное КЗ является симметричным, так как все три фазы находятся в одинаковых условиях. Другие виды являются несимметричными: фазы находятся в различных условиях. Токи и напряжения фаз являются искаженными.

При коротком замыкании сопротивление до точки КЗ уменьшается, токи в системе резко увеличиваются. Напряжения в узлах изменяются. При длительном протекании тока КЗ (более 0,01 с) проявляются термическое и электродинамическое воздействие тока на все элементы системы электроснабжения, что может вывести оборудование из строя.

Рассмотрим симметричную трехфазную цепь с активно-индуктивным сопротивлением (рис. 6.2), в которой произошло трехфазное КЗ. Цепь питается от источника, у которого в нормальном режиме и при коротком замыкании сохраняется симметричная система напряжений. Для сетей промышленного предприятия таким источником можно считать трансформатор ГПП.

Короткое замыкание делит цепь на две части: левую, содержащую источник питания и сопротивления цепи КЗ и , и правую часть с сопротивлениями и в каждой фазе. Процессы в обеих частях схемы при КЗ протекают независимо. Правая часть зашунтирована коротким замыканием, и ток в ней поддерживается, пока энергия магнитного поля, запасенная в индуктивности , не выделится в виде теплоты в активном сопротивлении . Этот ток спадает до нуля от величины тока рабочего режима и для цепи опасности не представляет.

Рис. 6.2. Трехфазное короткое замыкание в симметричной цепи:

, , – напряжения фаз источника питания (генератора); , – активное и индуктивное сопротивление цепи от источника до места КЗ; , – активное и индуктивное сопротивление цепи за точкой КЗ; , , – токи КЗ в фазах.

В левой части наблюдается переходный процесс, который описывается уравнением:

, (6.1)

где и – мгновенные значения напряжения и тока в цепи; – активное сопротивление; – индуктивность цепи.

В цепи, содержащей индуктивность, любое изменение тока вызывает изменение магнитного потока, который наводит в цепи э. д. с. самоиндукции. Под ее действием в цепи устанавливается апериодический ток обратного направления, величина которого в начальный момент времени равна разности мгновенных значений токов рабочего режима и периодической составляющей тока КЗ

. (6.2)

Следовательно, из-за инерции магнитного потока не происходит мгновенного изменения тока, т. к. возникновение апериодической составляющей не позволяет в начальный момент КЗ мгновенно измениться току от до . Кривые изменения тока при коротком замыкании показаны на рисунке 6.3.

Рис. 6.3. Изменение тока короткого замыкания:

– ток нормального режима; – ток короткого замыкания; – периодическая составляющая тока КЗ; – апериодическая составляющая; – максимальное значение периодической составляющей; – начальное значение апериодической составляющей; – ударный ток; – установившееся значение тока КЗ; – напряжение в сети.

Полный ток короткого замыкания представляет собой сумму двух составляющих: вынужденной и свободной.

. (6.3)

Вынужденная составляющая имеет периодический характер

, (6.4)

где – амплитудное значение фазного напряжения; – полное сопротивление цепи КЗ; – фазовый угол напряжения источника в момент ; – угол сдвига тока относительно напряжения фазы.

Свободная составляющая имеет апериодический характер и затухает во времени по следующему закону

, (6.5)

где – амплитудное значение апериодической составляющей; – постоянная времени цепи;

. (6.6)

Таким образом, мгновенное значение тока в любой момент времени от начала КЗ определяется выражением

. (6.7)

Максимальное мгновенное значение полного тока обычно наступает через 0,01 с после начала процесса КЗ. Этот ток называют ударным током

. (6.8)

Подставим в (6.8) значения (6.5), получим

. (6.9)

В момент времени , тогда

; (6.10)

Обозначим величину

; (6.11)

получим

, (6.12)

где – ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени цепи КЗ (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Кривая для определения ударного коэффициента .