Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Основными причинами повреждений являются:

− нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

− ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток I_к, называемый током к.з.

При к.з. из-за увеличения тока возрастает падение напряжения в элементах системы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети, так как напряжение в любой точке М (см. рисунок 1.3) U_М = Е - I_ЗА Z_м, где Е - э.д.с. источника питания, Z_м – сопротивление от источника питания до точки М.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

Термическое действие тока к.з. Согласно закону Джоуля-Ленца ток к.з. Iк выделяет в активном сопротивлении r цепи в течение времени t тепло Q = kI²rt. При этом происходят большие разрушения в месте к.з., а также недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и проводов линий электропередач, что может вызвать повреждение их изоляции и токоведущих частей;

Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей.

Основным потребителем электроэнергии являются асинхронные электродвигатели, момент вращения которых M_Д пропорционален квадрату напряжения U на их зажимах: M_Д = КU². При глубоком снижении напряжения момент вращения электродвигателей может оказаться меньше момента сопротивления механизмов, что приводит к их остановке.

Кроме того, из-за снижения напряжения при к.з. также нарушается нормальная работа осветительных установок и компьютерной техники.

Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и

энергосистемы (б).

 

При возникновении к.з. в точке К у шин электростанции А напряжение в месте к.з. станет равным нулю, в результате чего электрическая нагрузка генераторов электростанции А станет равным нулю и частота вращения турбин генераторов начнёт быстро увеличиваться т.к. в турбины поступает количество пара (или воды) соответствующей электрической нагрузке доаварийного режима, а регуляторы скорости турбины действуют медленно и не могут предотвратить ускорения вращения турбин генераторов станции А.

В иных условиях находятся генераторы электростанции В, т.к. они удалены от точки К и поэтому напряжение на их шинах может быть близким к номинальному.

Так как генераторы электростанции А разгрузились, то вся нагрузка энергосистемы ляжет на генераторы электростанции В, которые могут при этом перегрузиться и уменьшить частоту вращения.

Таким образом, в результате к.з. скорость вращения генераторов электростанций А и В становится различной, что приводит к нарушению их синхронной работы.

Аварии с нарушением устойчивости системы по величине ущерба являются самыми тяжелыми.

В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1).

 

Таблица 1-1 - Основные виды повреждений в электроустановках.

Трёхфазные замыкания: замыкания между тремя фазами К^(3)
Трёхфазные замыкания на землю К^(1, 1, 1)
Двухфазные замыкания: замыкания между двумя фазами К^(2)
Двухфазные замыкания на землю К^(1. 1)
Двойные замыкания на землю
Однофазные замыкания на землю
Разрыв фазы

 

На рисунке 2 приведены векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах повреждений.

 

 

Рисунок 2 – Векторные диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты при различных видах к.з.

 

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з. (К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

Векторная диаграмма токов и напряжений при К^{(3 )} приведена на рисунке 1.1 а.

Ток к.з., проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его э.д.с. на одинаковый угол , определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыканий:

;

 

Все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х фазного к.з. равны нулю:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К⁽²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует. Например, для случая 2-х фазного к.з. между фазами В и С справедливы следующие соотношения:

- междуфазное напряжение между замкнувшимися фазами;

- фазные напряжения замкнувшихся фаз.

Так же как и при трёхфазном к.з. фазные токи в повреждённых фазах отстают от создающей их э.д.с. на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Векторная диаграмма токов и напряжений при двухфазном к.з. приведена на рис. 1.1 в. По мере удаления от места 2-х фазного к.з. фазные напряжения и и междуфазное напряжение будет увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

Векторная диаграмма токов и напряжений в месте 1-фазного к.з. фазы С приведена на рисунке 1.1 г.

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

 

; ;

Ток к.з. протекает только в замкнувшейся на землю фазе С:

;

 

Напряжения неповреждённых фаз а А и В будут превышать э.д.с. соответствующих фаз из-за того, что в неповреждённых фазах наводится э.д.с. взаимоиндукции под действием тока к.з. протекающего в повреждённой фазе.

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.