Общие сведения о коротких замыканиях

Расчёт токов короткого замыкания

Основной причиной нарушения нормального режима работы системы электроснабжения (СЭС) является возникновение коротких замыканий (КЗ) в сети или элементах электрооборудования вследствие повреждения изоляции или неправильных действий обслуживающего персонала. Для снижения ущерба, обусловленного выходом из строя электрооборудования при протекании токов КЗ, а также для быстрого восстановления нормального режима работы СЭС необходимо правильно определять токи КЗ и по ним выбирать электрооборудование, защитную аппаратуру и средства ограничения токов КЗ.

Коротким замыканием называется непосредственное соединение между любыми точками разных фаз, фазы и нулевого провода или фазы с землей, не предусмотренное нормальными условиями работы установки.

Основные виды коротких замыканий в электрических системах:

1. Трёхфазное КЗ, при котором все три фазы замыкаются между собой в одной точке. Точка трехфазного КЗ обозначается . Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к трехфазному КЗ, обозначаются , , и т.д.

2. Двухфазное КЗ, при котором происходит замыкание двух фаз между собой. Точка двухфазного КЗ условно обозначается . Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к двухфазному КЗ, обозначаются , , и т.д.

3. Однофазное КЗ, при котором происходит замыкание одной из фаз на нулевой провод или землю. Условное обозначение точки однофазного КЗ Токи, напряжения, мощности другие величины, относящиеся однофазному КЗ, обозначаются , , и т.д.

Встречаются и другие виды КЗ, связанные с обрывами проводов и одновременными замыканиями провод различных фаз.

Трёхфазное КЗ является симметричным, поскольку при нём все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды коротких замыканий являются несимметричным, так как при них фазы не остаются в одинаковых условиях, вследствие чего системы токов и напряжений получаются искаженными.

При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.

Элементы электрических систем обладают активными и реактивными (индуктивными или ёмкостными) сопротивлениями, поэтому при внезапном нарушении нормального режима работы (при возникновении КЗ) электрическая система представляет собой колебательный контур. Токи в ветвях системы и напряжения в отдельных её частях будут изменяться в течение некоторого времени после возникновения КЗ в соответствии с параметрами этого контура. Т.е. за время короткого замыкания в цепи поврежденного участка протекает переходный процесс.

При КЗ в каждой из фаз наряду с периодической составляющей тока (слагающей тока переменного знака) имеет место апериодическая составляющая тока (слагающая постоянного знака), которая также может изменять знак, но через большие промежутки времени по сравнению с периодической.

Мгновенное значение полного тока КЗ для произвольного момента времени:

(3.1)

где - действующее значение периодической составляющей тока КЗ; - апериодическая составляющая тока КЗ в момент времени ; - угловая частота переменного тока; - фазовый угол напряжения источника в момент времени ; - угол сдвига тока в цепи КЗ относительно напряжения источника; - постоянная времени цепи КЗ; - индуктивность, индуктивное и активное сопротивление цепи КЗ.

Периодическая составляющая тока КЗ (рис. 1) одинакова для всех трёх фаз и определяется для любого момента времени значением ординаты огибающей, деленной на . Апериодическая составляющая тока КЗ различна для всех трёх фаз (см. рис. 2) и изменяется в зависимости от момента возникновения КЗ.


Рис. 1. Изменение во времени периодической составляющей тока КЗ.	Рис. 2. Примерный вид тока при трёхфазном КЗ и апериодической составляющей.

Рис. 3. Изменение во времени периодической составляющей тока КЗ:

а) при питании от генераторов без АВР; б) при питании от генераторов с АВР; в) при питании от энергосистемы.

Амплитуда периодической составляющей изменяется в переходном процессе в соответствии с изменением ЭДС источника КЗ (рис. 3). При мощности источника, соизмеримой с мощностью элемента, где рассматривается КЗ, а также отсутствииАРВ генераторов ЭДС источника уменьшается от начального значения до установившегося , вследствие чего амплитуда периодической составляющей изменяется от (сверхпереходной ток КЗ) до (установившейся то КЗ) (рис. 3,а).

При наличии АРВ генераторов периодическая составляющая тока КЗ изменяется, как показано на рис. 3,б. Снижение периодической составляющей в начальный период КЗ объясняется инерционностью действия устройства АРВ, которое начинает работать через 0,08-0,3 с после возникновения КЗ. С повышением тока возбуждения генератора увеличивается его ЭДС и соответственно периодическая составляющая тока КЗ вплоть до установившегося значения.

Если мощность источника существенно больше мощности элемента, где рассматривается КЗ, что соответствует источнику неограниченной мощности, у которого внутреннее сопротивление равно нулю, то ЭДС источника является постоянной. Поэтому периодическая составляющая тока КЗ неизменна в течение переходного процесса (рис. 3,в), т. е.

(3.2)

Апериодическая составляющая тока КЗ различна во всех фазах и может изменяться в зависимости от момента возникновения КЗ и предшествующего режима (в пределах периода). Скорость затухания апериодической составляющей тока зависит от соотношения между активным и индуктивным сопротивлением цепи КЗ, т.е. от постоянной : чем больше активное сопротивление цепи, тем интенсивнее затухание. Апериодическая составляющая тока КЗ заметно проявляется лишь в первые 0,1-0,2 с после возникновения КЗ. Обычно определяется по наибольшему возможному мгновенному значению, которое (в цепях с преобладающим индуктивным сопротивлением ) имеет место в момент прохождения напряжения источника через нулевое значение ( ) и отсутствия тока нагрузки. При этом . В данном случае полный ток КЗ имеет наибольшее значение. Указанные условия являются расчетными при определении токов КЗ.

Максимальный мгновенный ток КЗ имеет место примерно через полпериода, т.е. через 0,01 с после возникновения КЗ. Наибольший возможный мгновенный ток КЗ называют ударным током (рис. 3). Его определяют для момента с:

(3.3)

где - ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени цепи КЗ.

Действующее значение полного тока КЗ для произвольного момента времени определяют из выражения:

(3.4)

где - действующее значение периодической составляющей тока КЗ; - действующее значение апериодической составляющей, равной

(3.5)

Наибольшее действующее значение ударного тока за первый период от начала процесса КЗ:

(3.6)

Мощность КЗ для произвольного момента времени:

(3.7)

Источники питания КЗ. При расчёте токов КЗ принимают, что источниками питания места КЗ являются турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели, асинхронные двигатели. Влияние асинхронных двигателей учитывается только в начальный момент времени и в тех случаях, когда они подключены непосредственно к месту КЗ.

Определяемые величины. При расчёте токов КЗ определяют следующие величины:

- начальное значение периодической составляющей тока КЗ (начальное значение сверхпереходного тока КЗ);

- ударный ток КЗ, необходимый для проверки электрических аппаратов, шин и изоляторов на электродинамическую устойчивость;

- наибольшее действующее значение ударного тока КЗ, необходимое для проверки электрических аппаратов на устойчивость течение первого периода процесса КЗ;

- значение для , необходимое для проверки выключателей по отключаемому ими току;

- действующее значение установившегося тока КЗ, по которому проверяют электрические аппараты, шины, проходные изоляторы и кабели на термическую устойчивость;

- мощность КЗ для времени ; определяется для проверки выключателей по предельно допустимой отключаемой мощности. Для быстродействующих выключателей это время может уменьшаться до 0,08 с.

Допущения и расчётные условия. Для облегчения вычислений токов КЗ принимают ряд допущений:

1) ЭДС всех источников считаются совпадающими по фазе;

2) ЭДС источников, значительно удаленных от места КЗ ( ), считают неизменными;

3) не учитывают поперечные ёмкостные цепи КЗ (кроме воздушных линий 330 кВ и выше и кабельных линий 110 кВ и выше) и токи намагничивания трансформаторов;

4) активное сопротивление цепи КЗ учитывают только при соотношении , где и - эквивалентные активные и реактивные сопротивления короткозамкнутой цепи;

5) в ряде случаев не учитывают влияние нагрузок (или учитывают приближенно), в частности влияние мелких асинхронных и синхронных двигателей.

В соответствии с целью определения токов КЗ устанавливают расчётные условия, которые включают в себя составление расчётной схемы, определение режима КЗ, вида КЗ, мест расположения точек КЗ и расчётного времени КЗ.

При определении режима КЗ в зависимости от цели расчёта определяют возможные максимальные и минимальные уровни токов КЗ. Так, например, проверку электротехнического оборудования на электродинамическое и термическое действие токов КЗ осуществляют по наиболее тяжелому режиму - максимальному, когда через проверяемый элемент протекает наибольший ток КЗ. Наоборот, по минимальному режиму, соответствующему наименьшему току КЗ, осуществляют расчёт и проверку работоспособности устройств релейной защиты и автоматики.

Выбор вида КЗ определяется целью расчёта токов КЗ. Для определения электродинамической стойкости аппаратов и жестких шин в качестве расчётного принимают трёхфазное КЗ; для определения термической стойкости аппаратов, проводников - трёхфазное или двухфазное КЗ в зависимости от тока. Проверку отключающей и включающей способностей аппаратов проводят по трёхфазному или по однофазному току КЗ на землю (в сетях с большими токами замыкания на землю) в зависимости от его значения.

Выбор вида КЗ в расчётах релейной защиты определяется её функциональным назначением и может быть трёх-, двух-, однофазным и двухфазным КЗ на землю.

Места расположения точек КЗ выбирают таким образом, чтобы при КЗ проверяемое электрооборудование, проводники находились в наиболее неблагоприятных условиях. Например, для выбора коммутационной аппаратуры необходимо выбирать место КЗ непосредственно на их выходных зажимах, выбор сечения кабельной линии производят по току КЗ в начале линии. Места расположения точек КЗ при расчётах релейной защиты определяют по ее назначению - в начале или конце защищаемого участка.

Расчётное время КЗ. Действительное время, в течение которого происходит КЗ, определяется длительностью действия защиты и отключающей аппаратуры,

. (3.8)

В расчётах используют приведенное (фиктивное) время - промежуток времени, в течение которого установившийся ток КЗ выделяет то же количество тепла, которое должен выделить фактически проходящий ток КЗ за действительное время КЗ.

Приведенное время, соответствующее полному току КЗ,

. (3.9)