Определение. Причины возникновения

Короткое замыкание

Определение. Причины возникновения

Короткое замыкание (КЗ) – всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью также и с землей или с нулевым проводом, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Замыкание между отдельными фазами или между фазой и землей, большей частью происходит из-за нарушения изоляции между токоведущими частями, вызванные ее старением (износом, высыхания), перенапряжениями (пробоем), механическими повреждениями, дефектами. Повреждение междуфазной изоляции в установках с изолированной или заземленной нейтралью всегда приводит к возникновению аварийных режимов КЗ. Также причинами КЗ могут являться неправильные действия обслуживающего персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой или включение их на ошибочно оставленное заземление); повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, схлестыванием, набросом или перекрытием птицами проводов и другими причинами. В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий сопровождающихся резким увеличением тока в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные.

Чаще всего КЗ происходит через переходное сопротивление, например через сопротивление электрической дуги, возникающей в месте повреждения изоляции – дуговое КЗ, при котором напряжение в точке КЗ может быть значительным. Иногда возникают металлические (глухие) КЗ, когда в месте КЗ существует непосредственный контакт токоведущих элементов. Для упрощения анализа в большинстве случаев при расчете КЗ рассматривают без учета переходных сопротивлений.

В зависимости от места возникновения КЗ различают:

1) КЗ на зажимах источника;

2) КЗ за сопротивлением.

Различают следующие виды КЗ:

1) трехфазное КЗ – три фазы электроустановки соединяются между собой (рисунок 8.1, а). Точка трехфазного КЗ обозначается К⁽³⁾.

2) двухфазное КЗ – две фазы соединяются между собой без соединения с землей (рисунок 8.1, б). В кабельных сетях часто оно переходит в трехфазное КЗ. Точка двухфазного КЗ обозначается К⁽²⁾.

3) двойное замыкание на землю – две фазы трехфазной четырехпроводной системы соединяются между собой и с землей (рисунок 8.1, в). Точка двухфазного КЗ на землю обозначается К^(1,1).

4) однофазное КЗ – одна фаза трехфазной четырехпроводной системы соединятся с нейтралью источника через землю (рисунок 8.1, г). Точка однофазного КЗ обозначается К⁽¹⁾.

При изолированной нейтрали замыкание одной фазы на «землю» создает не аварийный, а лишь не нормальный режим работы. КЗ в этом случае вызывает ток всего 4 – 5 А, который в дальнейшем поддерживает электрическую дугу и становится причиной пожаров и взрывов.

Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при нем все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку фазы не остаются в одинаковых условиях, а системы токов и напряжений получаются искаженными.

 

Рисунок 8.1 – Виды коротких замыканий

 

Относительная вероятность трехфазного КЗ в сети с изолированной нейтралью – 1 – 7 %, двухфазного в сети с изолированной нейтралью – 2 – 13 %, однофазного в цепи с заземленной нейтралью – 60 – 90 %, двухфазного на землю в сети с заземленной нейтралью – 5 – 20 %. Эти данные являются крайними значениями для разных уровней напряжения электроустановок, конструкций ЛЭП, климатических и других факторов.

 

 

Короткое замыкание в сетях

Из-за КЗ электроснабжение потребителей может быть частично или полностью расстроено в результате уменьшения номинального напряжения сети.

Будем считать, что эта схема содержит трехфазный генератор Г, потребители П и соединительные провода, между которыми произошло КЗ (рисунок 8.2). В нормальном режиме работы напряжение у потребителей не значительно отличается от напряжения генератора, на величину падения в линии, т.е. до 5 %. Предполагается, что потребитель имеет смешанную нагрузку, поэтому вектор тока в каждой фазе потребителя отстает от вектора напряжений на угол φ. Векторная диаграмма при нормальном режиме работы показана на рисунке 8.3.

Рисунок 8.2 – Схема сети при коротком замыкании

 

 

 

 

Рисунок 8.3 – Векторная диаграмма сети при нормальном режиме работы

Теперь рассмотрим, как изменяются токи и напряжения в сети при возникновении КЗ. В этом случае нагрузка потребителя отрезается от генератора, а в линии проходит ток КЗ, ограниченный лишь ее сопротивлением и сопротивлением обмотки генератора. Т.к. нагрузка со смешанным сопротивлением оказалась шунтированной точкой КЗ, то в цепи стало преобладать индуктивное сопротивление от обмоток генератора и проводов, поэтому ток КЗ практически стал чисто индуктивным, его вектор оказывается сдвинут от вектора фазных напряжений на угол близкий к 90˚. Это изменение тока при КЗ показано на векторной диаграмме (рисунок 8.4).

 

 

 

 

Рисунок 8.4 – Векторная диаграмма сети в режиме короткого замыкания

За точкой КЗ напряжение будет значительно меньше номинального напряжения, следовательно, нормальная работа потребителей за этой точкой будет нарушена. Снижение напряжения при коротком замыкании ухудшает работу потребителей расположенных не только за точкой КЗ, но и расположенных между точкой КЗ и генератора, как это показано на рисунке 8.5.

ΔU

Норм. режим

U

U_Г

U_НОМ

 

 

КЗ₂ КЗ₃ l

Рисунок 8.5 – Падение напряжения в линии при коротких замыканиях в различных точках

 

В нормальном режиме напряжение U₁ несколько выше, чем номинальное напряжение, в расчете на дальнейшее падение напряжения в сети ΔU. В разных точках сети имеются разные уровни напряжения. При КЗ в какой-либо точке картина резко меняется. Так, при КЗ в самой отдаленной точке напряжение определяется прямой U_Г – КЗ₃ и в точке КЗ равняется нулю. В точке 2 напряжение значительно ниже номинального, что объясняется возросшим падением напряжения в сети из-за КЗ. Т.о. КЗ даже в самой удаленной точке сети вызывает резкое ухудшение работы всех потребителей.

Снижение напряжения на шинах потребителя может привести к опасным последствиям. Особенно чувствительна к снижениям напряжения двигательная нагрузка. При глубоких снижениях напряжения уменьшается вращающий момент двигателя до значений, меньших момента сопротивления механизма. Двигатель 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 ущербом.

 

Методика расчета токов КЗ

При расчете токов КЗ все входящие в расчет величины можно выражать в именованных единицах (кВА, А, В, Ом) или относительных единицах (долях и процентах принятой базисной величины).

Ток I_* = I / I_н;

Напряжение U_* = U / U_н;

ЭДС E_* = E / E_н;

Мощность S_* = S / S_н = = U_* I_*;

Сопротивление R_* = ;

Х_* = ; Z_* = ;

Для выражения всех величин в о.е. следует установить базисные величины или базисные условия. При чем из четырех величин (I, U(E), S, Z(R,X)) только две являются независимыми, а остальные можно найти из известных соотношений. В качестве независимых базисных величин обычно выбирают базисную мощность S_б и базисное напряжение U_б.

Базисная мощность – это мощность, величина которой принимается за единицу. Величина базисной мощности выбирается в каждом конкретном случае исходя из возможностей сокращения вычислений. Для базисной мощности целесообразно принимать значения 100, 1000 МВА и т.п. или полную номинальную мощность одного из источников питания (системы, электростанции или питающего трансформатора).

Базисное напряжение рекомендуется принимать равным его среднему номинальному значению на каждой ступени напряжения. Шкала средних номинальных напряжений: 0,23; 0,4; 0,69; 6,3; 10,5; 37; 115; 230 кВ.

Базисный ток определяется по формуле

 

Порядок расчета тока КЗ:

1. Принимается базисная мощность S_б.

2. Выбираются точки КЗ и для каждой из них принимаются базисные напряжения.

3. Для каждой точки КЗ рассчитываются базисные токи

4. Рассчитываются параметры схем замещения:

а) Сопротивление системы переводится в о.е.

б) Сопротивление линии в о.е. ,

в) Сопротивление трансформаторов в о.е. ,

г) Суммарные активное (R_Σi), реактивное (X_Σi) и полное (Z_Σi) сопротивления до каждой точки КЗ.

5. Рассчитывается ток КЗ в каждой точке .

6. Сверхпереходный ток трехфазного КЗ .

7. Постоянная времени .

8. Ударный коэффициент .

9. Ударный ток трехфазного КЗ

Короткое замыкание

Определение. Причины возникновения

Короткое замыкание (КЗ) – всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью также и с землей или с нулевым проводом, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Замыкание между отдельными фазами или между фазой и землей, большей частью происходит из-за нарушения изоляции между токоведущими частями, вызванные ее старением (износом, высыхания), перенапряжениями (пробоем), механическими повреждениями, дефектами. Повреждение междуфазной изоляции в установках с изолированной или заземленной нейтралью всегда приводит к возникновению аварийных режимов КЗ. Также причинами КЗ могут являться неправильные действия обслуживающего персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой или включение их на ошибочно оставленное заземление); повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, схлестыванием, набросом или перекрытием птицами проводов и другими причинами. В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий сопровождающихся резким увеличением тока в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные.

Чаще всего КЗ происходит через переходное сопротивление, например через сопротивление электрической дуги, возникающей в месте повреждения изоляции – дуговое КЗ, при котором напряжение в точке КЗ может быть значительным. Иногда возникают металлические (глухие) КЗ, когда в месте КЗ существует непосредственный контакт токоведущих элементов. Для упрощения анализа в большинстве случаев при расчете КЗ рассматривают без учета переходных сопротивлений.

В зависимости от места возникновения КЗ различают:

1) КЗ на зажимах источника;

2) КЗ за сопротивлением.

Различают следующие виды КЗ:

1) трехфазное КЗ – три фазы электроустановки соединяются между собой (рисунок 8.1, а). Точка трехфазного КЗ обозначается К⁽³⁾.

2) двухфазное КЗ – две фазы соединяются между собой без соединения с землей (рисунок 8.1, б). В кабельных сетях часто оно переходит в трехфазное КЗ. Точка двухфазного КЗ обозначается К⁽²⁾.

3) двойное замыкание на землю – две фазы трехфазной четырехпроводной системы соединяются между собой и с землей (рисунок 8.1, в). Точка двухфазного КЗ на землю обозначается К^(1,1).

4) однофазное КЗ – одна фаза трехфазной четырехпроводной системы соединятся с нейтралью источника через землю (рисунок 8.1, г). Точка однофазного КЗ обозначается К⁽¹⁾.

При изолированной нейтрали замыкание одной фазы на «землю» создает не аварийный, а лишь не нормальный режим работы. КЗ в этом случае вызывает ток всего 4 – 5 А, который в дальнейшем поддерживает электрическую дугу и становится причиной пожаров и взрывов.

Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при нем все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку фазы не остаются в одинаковых условиях, а системы токов и напряжений получаются искаженными.

 

Рисунок 8.1 – Виды коротких замыканий

 

Относительная вероятность трехфазного КЗ в сети с изолированной нейтралью – 1 – 7 %, двухфазного в сети с изолированной нейтралью – 2 – 13 %, однофазного в цепи с заземленной нейтралью – 60 – 90 %, двухфазного на землю в сети с заземленной нейтралью – 5 – 20 %. Эти данные являются крайними значениями для разных уровней напряжения электроустановок, конструкций ЛЭП, климатических и других факторов.