Основные сведения о коротких замыканиях.

Основные сведения о коротких замыканиях. Короткое замыкание (КЗ) — электрическое соединение двух точек электрической сети с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу.Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения.

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 непосредственное (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.

Основные виды КЗ показаны на рис.1.17. Междуфазные КЗ – двухфазные и трехфазные – возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывание и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

Трехфазное короткое замыкание. Симметричное трехфазное КЗ – наиболее простой для расчета 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:

Векторная диаграмма токов и напряжений при трехфазном КЗ приведена на рис.1.18. Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол φ_k, определяемый соотношением активного и реактивного сопротивления цепи короткого замыкания:

        Для линий 110 кВ этот угол равен 60-78^о; 220 кВ (один провод в фазе) – 73-82^о; 330 кВ (два провода в фазе) – 80-85^о; 500 кВ (три провода в фазе) – 84-87^о; 750 кВ (четыре провода в фазе) – 86-88^о (большие значения угла соответствуют большим сечениям проводов).

      Напряжение в месте КЗ равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено, как показано на рис.1.18, в. Так как все фазные и междуфазные напряжения в точке трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, незначительны по значению, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы с точки зрения устойчивости параллельной работы электростанций и узлов нагрузки.

        Двухфазное короткое замыкание. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного КЗ между фазами В и С (рис.1.19). В поврежденных фазах в месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток отсутствует

Междуфазное напряжение  в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения

       Так же как и при трехфазном КЗ, токи, проходящие в поврежденных фазах, отстают от создающей их ЭДС (в данном случае от ЭДС  или параллельного ему вектора) на угол φ_k, определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

       Соответствующие векторные диаграммы для места КЗ построены на рис.1.19, а. По мере удаления от места КЗ фазные напряжения , и междуфазное напряжение будут увеличиваться, как показано на рис.1.19, а штриховыми линиями для точки n.

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

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

     В сетях с заземленной нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем 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 неповрежденной фазы (рис.1.20).

Соотношение токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения имеют следующий вид:

   Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью. Однофазное КЗ может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью (на пост советском пространстве, как правило, с заземленной нейтралью работают сети напряжением 110 кВ и выше). Векторные диаграммы токов и напряжений в месте однофазного КЗ фазы А приведены на рис.1.21, а формулы, определяющие соотношения между ними, даны ниже:

    Однофазное 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, заземленной через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ.

         При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы (на рис.1.22, а) относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз  и  увеличивается в 1,73 раза и становится равным междуфазным (и  на рис 1.22, б). Под действием напряжений и  через место повреждения проходит ток , замыкающийся через емкости неповрежденных фаз В и С. Емкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания, и по этому ток через нее не проходит. Значение тока в месте замыкания определяется следующим выражением:

       где Х_Σ – суммарное сопротивление цепи замыкания на землю.

      Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь. Тогда

      где f – частота сети, равная 50 Гц; С – емкость одной фазы сети относительно земли.

       Поскольку при замыкании фазы А на землю напряжение фаз В и С относительно земли равны по значению междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60^о, то

В результате

       Емкость сети в основном определяется длиной присоединённых линий, в то время как емкости относительно земли обмоток генераторов и трансформаторов сравнительно невелики. Для расчета емкостного тока (А/км), проходящего при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, можно воспользоваться следующими выражениями, определяющими ток на 1 км кабельной линии:

        Для линии 6 кВ и 10 кВ соответственно.

      где S – сечение кабеля, мм²; U_ном – номинальное междуфазное напряжение кабеля, кВ.

      Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения емкостных токов: 6 кВ – 0,015 А/км; 10 кВ – 0,025 А/км; 30 кВ – 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 землей. 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 (рис.1.22), 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 заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных 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 течении 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок.

     В сетях, питающих торфопредприятия и передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение.