Расчёт токов короткого замыкания в системах электроснабжения

Какие бывают виды

Короткое замыкание. Каждый слышал это словосочетание. Многие видели надпись «Не закорачивать!» Часто, когда ломается какой-нибудь электроприбор, говорят: «Коротнуло!» И несмотря на негативный оттенок этих слов, профессионалы знают, что короткое замыкание – не печальный приговор. Иногда с коротким замыканием (КЗ) бороться бессмысленно, а порой и принципиально невозможно. В этой статье будут даны ответы на самые важные вопросы: что такое короткое замыкание и какие виды КЗ встречаются в технике.

Будет интересно Что такое статическое электричество и как от него избавиться

Начнем рассматривать эти вопросы под необычным углом – узнаем, в каких случаях короткие замыкания неизбежны и где они не играют роль повреждений. Возьмем за оба конца обыкновенный металлический провод. Соединим концы вместе. Провод замкнулся накоротко – произошло КЗ. Но так как в цепи отсутствуют источники электрической энергии и нагрузка, такое короткое замыкание никакого вреда не несет. В некоторых областях электротехники КЗ, которое мы рассмотрели, играет на руку, например, в электрических аппаратах и электрических машинах.

Взглянем на однофазное реле или пускатель, в конструкции которых есть магнитная система с подвижными частями – электромагнит, притягивающий якорь. Из-за постоянно меняющейся полярности тока, текущего в обмотках электромагнита, его магнитный поток периодически становится равен нулю, что вызывает дребезжание якоря, появляются вибрации и характерное, знакомое всем электрикам гудение. Чтобы избавиться от этого явления, на торец сердечника электромагнита или якоря прикрепляют короткозамкнутый виток – кольцо или прямоугольник из меди или алюминия.

Из-за явления электромагнитной индукции в витке создается ток, создающий свой магнитный поток, компенсирующий пропадание основного магнитного потока, создаваемого электромагнитом, что приводит к уменьшению или исчезновению вибраций, разрушающих конструкцию.

Так же на руку играет короткое замыкание и в роторе асинхронного электродвигателя. Благодаря взаимодействию магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с короткозамкнутым ротором, в роторе по уже упомянутому закону появляются свои токи, создающие свое поле, что приводит ротор во вращение

Конечно, важно грамотное проектирование электродвигателя или электрического аппарата, чтобы токи, протекающие в короткозамкнутых элементах, не приводили к перегреву и порче изоляции основных обмоток

Возгорание розетки

Подобным образом понятие «короткое замыкание» используется применительно к трансформаторам. Люди, так или иначе связанные с энергетикой, знают, что одна из важнейших характеристик трансформатора – это напряжение короткого замыкания, UКЗ, измеряемое в процентах. Возьмем трансформатор. Одну из его обмоток, скажем, низшего напряжения (НН) закоротим амперметром, сопротивление которого, как известно, принимается равным нулю. Обмотку высшего напряжения (ВН) подключаем к источнику напряжения. Повышаем напряжение на обмотке ВН до тех пор, пока ток в обмотке НН не станет равным номинальному, фиксируем это напряжение.

Делим его на номинальное напряжение высшей стороны, умножаем на 100%, получаем UКЗ. Эта величина характеризует потери мощности в трансформаторе и его сопротивление, от которого зависит ток короткого замыкания, ведущий к повреждениям. Поговорим наконец о коротких замыканиях, несущих негативные последствия. Такие короткие замыкания появляются, когда ток от источника питания протекает не через нагрузку, а только через провода, обладающие ничтожно маленьким сопротивлением. Например, трехфазный кабель питается от трансформатора, и одним неосторожным движением ковша экскаватора происходит его повреждение – две фазы закорачиваются через ковш. Такое КЗ называют двухфазным. Аналогично по количеству замкнутых фаз называют другие КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью не является коротким, но может представлять угрозу жизни живых существ. Металлическим называют КЗ, в котором переходное сопротивление равно нулю – например, при болтовом или сварочном соединении. Токи КЗ в зависимости от напряжения и вида повреждения могут достигать тысяч и сотен тысяч ампер, приводить к пожарам и колоссальным электродинамическим усилиям, «выворачивающим» шины и провода. Защита от КЗ может осуществляться автоматическими выключателями или предохранителями, а в высоковольтных сетях – средствами релейной защиты и автоматики.

Защита блока питания от короткого замыкания.

Апериодическая составляющая — ток

Апериодическая составляющая тока, возникающая в момент короткого замыкания в обмотке возбуждения, у машин с демпферной обмоткой бывает меньше, чем у машин без нее. Сверхпереходный ток ротора i, быстро затухая, переходит в переходный ток i r, который, как было показано выше, имеет большее, чем i, значение, поэтому ток i должен сначала возрасти и только после перехода в i начинает затухать.
 

Апериодическая составляющая тока и при двухфазном коротком замыкании также определяется тем обстоятельством, что ток статора не может меняться скачкообразно. Поэтому при коротком замыкании на холостом ходу должна возникнуть апериодическая составляющая, равная по своей величине начальному значению переменной составляющей. Ввиду того, что в статоре протекает однофазный ток короткого замыкания, может случиться в зависимости от момента внезапного короткого замыкания, что апериодическая составляющая тока не возникнет вовсе.
 

Изменение тока при трехфазном коротком замыкании.

Апериодическая составляющая тока в общем случае различна для всех фаз. Ее начальное значение a

Кривые токов внезапного короткого замыкания лри. Ут.

Апериодическая составляющая тока t K представлена сплошной кривой 2; так как, согласно условию, в начальный момент времени ток 1К 0, то начальная амплитуда апериодической составляющей тока 1та должна быть равна по величине / с, но направлена в обратную сторону.
 

Токи внезапного короткого замыкания при tyn. Ш7.

Апериодическая составляющая тока iK представлена сплошной линией 2; так как, согласно условию, в начальный момент времэяя ток гк О, то начальная амплитуда апериодической составляющем тока Iта должна быть равна по величине 1тс, но направлена в оордт-ную сторону.
 

Токи внезапного короткого замыкания при 1 я Vnm.

Апериодическая составляющая тока гк представлена сплошной линией 2, так как, согласно условию, в начальный момент времени ток г к 0, то начальная амплитуда апериодической составляющей тока 1та должна быть равна по величине / тс, но направлена в обратную сторону.
 

Расчетная схема и схема замещения к примеру.

Апериодическая составляющая тока КЗ от асинхронных двигателей не учитывается даже при определении ударного тока КЗ вследствие быстрого ее затухания.
 

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания ( КЗ) определяется в момент расхождения контактов и оценивается параметром ft, равным отношению апериодической составляющей тока к амплитуде периодической в момент расхождения контактов.
 

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания затухает за время, равное 0 1 — 0 2 сек, и ее тепловыделение заметно влияет на общий нагрев токоведущих частей или аппаратов при продолжительности короткого замыкания меньше одной секунды.
 

Вследствие трансформаторного влияния апериодическая составляющая тока возникает не только в статорной обмотке, но и в обмотках возбуждения и демпферной, расположенных на роторе.
 

Популярное изложение закона Ома

Независимо от того, каков характер тока электрической цепи, он возникает только в том случае, если существует разница потенциалов (или напряжение, это то же самое). Природа этого явления может быть объяснена на примере водопада: если есть разность уровней, вода течет в каком-то направлении, а когда нет – она стоит на месте. Даже школьникам известен закон Ома, согласно которому, ток тем больше, чем выше напряжение, и тем меньше, чем выше сопротивление, включенное в нагрузку:

I = U / R,

где:

I – величина тока, которую иногда называют «силой тока», хотя это не совсем грамотный перевод с немецкого языка. Измеряется в Амперах (А).

На самом деле силой (то есть причиной ускорения) ток сам по себе не обладает, что как раз и проявляется во время короткого замыкания. Этот термин уже стал привычным и употребляется часто, хотя преподаватели некоторых вузов, услышав из уст студента слова «сила тока» тут же ставят «неуд». «А как же огонь и дым, идущие от проводки во время короткого замыкания? – спросит настырный оппонент, — Это ли не сила?» Ответ на это замечание есть. Дело в том, что идеальных проводников не существует, и нагрев их обусловлен именно этим фактом. Если предположить, что R=0, то и тепло бы не выделялось, как ясно из закона Джоуля-Ленца, приведенного ниже.

U – та самая разница потенциалов, называемая также напряжением. Измеряется в Вольтах (у нас В, за границей V). Его также называют электродвижущей силой (ЭДС).

R – электрическое сопротивление, то есть способность материала препятствовать прохождению тока. У диэлектриков (изоляторов) оно большое, хотя и не бесконечное, у проводников – малое. Измеряется в Омах, но оценивается в качестве удельной величины. Само собой, что чем толще провод, тем он лучше проводит ток, а чем он длиннее, тем хуже. Поэтому удельное сопротивление измеряется в Омах, умноженных на квадратный миллиметр и деленных на метр. Кроме этого, на его величину влияет температура, чем она выше, тем больше сопротивление. Например, золотой проводник длиной в 1 метр и сечением в 1 кв. мм при 20 градусах Цельсия обладает общим сопротивлением 0,024 Ома.

Есть еще формула закона Ома для полной цепи, в нее введено внутреннее (собственное) сопротивление источника напряжения (ЭДС).

Периодическая составляющая — ток

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая-определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.

Периодическая составляющая тока / г в ветви Г изменяется во времени в соответствии с параметрами генераторов ( компенсаторов), характеристиками регуляторов возбуждения, удаленностью точки замыкания и др. Периодическая составляющая тока 1пС ветви С неизменна во времени.

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая — определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.

Периодическая составляющая тока / п ( г в ветви Г изменяется во времени по сложному закону, определяемому параметрами генераторов и характеристиками регуляторов возбуждения. Периодическую составляющую тока / п с в ветви С принимают незатухающей. Периодическая составляющая тока в месте замыкания равна сумме этих двух токов. Двухлучевая схема используется при определении импульса квадратичного тока при к.

Периодическая составляющая тока КЗ от генератора изменяется во времени по сложному закону.

Периодическая составляющая тока статора в условиях нормального включения не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.

Периодическая составляющая тока статора ( одновременно со всеми нечетными гармониками) убывает до своей установившейся величины с постоянной времени цепи ротора. Апериодическая составляющая тока ротора, возникающая при внезапном коротком замыкании, уменьшается по тому же закону до установившейся величины постоянного тока IrL. В цепи ротора все четные высшие гармонические обнаруживаются и в установившемся режиме.

Периодическая составляющая тока КЗ в начальный момент времени / п то называется начальным током КЗ. Значение начального тока КЗ используют, как правило, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты.

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза силу номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратиость периодической составляющей по отношению к номинальному току.

При замыкании за реактором периодическая составляющая тока короткого замыкания не изменяется во времени ( / 7), что позволяет принять t tpac4 22 сек.

Короткие замыкания в однофазных сетях

При выполнении расчетов энергосистем однофазного тока допускаются вычисления, производимые в упрощенной форме. Приборы и оборудование в таких сетях не потребляют большого количества электроэнергии, поэтому надежная защита может быть обеспечена обычным автоматическим выключателем, рассчитанным на ток срабатывания 25 ампер.

Ток однофазного короткого замыкания вычисляется в следующем порядке:

• Определение параметров трансформатора или реактора, питающих сеть, в том числе их электродвижущей силы.
• Устанавливаются технические характеристики проводников, используемых в сети.
• Разветвленную электрическую схему необходимо упростить, разбив на отдельные участки.
• Вычисление полного сопротивления между фазой и нулем.
• Определения полных сопротивлений трансформатора или других питающих устройств, если такие данные отсутствуют в технической документации.
• Все полученные значения вставляются в формулу.

Ток межфазного КЗ

При любом виде замыкания ток является основной характеристикой аварийного режима работы трехфазной сети

Это необходимо принимать во внимание при разработке электрооборудования, для чего применяется специальная методика, описание которой можно найти на нашем сайте

Расчет тока КЗ помимо электроустройств также необходим для выбора характеристик аппаратов, производящих защитное (аварийное) отключение, например автоматические выключатели или системы релейной защиты.

Перечислим факторы, от которых зависит ток КЗ:

Удаление аварийного участка от источника питания. Чем больше расстояние между ними, тем меньшим будет уровень тока КЗ.
Тип, сечение токоведущих элементов и длина силовых магистралей между аварийным участком и источником электроэнергии

При этом немаловажное влияние оказывают параметры и состояние коммутаторов, расположенных в данной цепи. Перечисленные выше характеристики цепи позволяют рассчитать эквивалентное сопротивление нагрузки, необходимое для определения тока замыкания.

Обратим внимание, что вид электрического соединения при КЗ влияет на величину тока замыкания. Наблюдается следующая зависимость:

• Металлический контакт фазных напряжений образует наибольшую величину тока. Именно поэтому при проектировании электрооборудования производятся расчеты для данного электрического соединения.
• Дуговое КЗ образует меньший ток. Но на практике можно часто наблюдать неустойчивую дугу, то есть, периодически зажигающуюся и затухающую, что приводит к образованию переходных процессов. Они, в свою очередь, могут вызвать превышение расчетных характеристик тока КЗ.
• Тлеющее КЗ образует уровень тока существенно меньше расчетного, что может негативно отразиться срабатывании автоматов защиты. На практике наблюдались случаи, когда данный вид замыкания становился дуговым или образовывал металлический контакт, вызывая срабатывание АВ. Но после включения линии электрическое соединение вновь возвращалось к состоянию тлеющего замыкания, нее распознаваемое АВ. В таких случаях для распознавания аварийного участка необходимо подать на линию повышенное напряжение или провести измерение сопротивления изоляции.

Проверка изоляции с помощью мегаомметра

Значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока кз

Источник

: Фрагмент книги (стр.176 – 179) Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

При КЗ в системе собственных нужд существенное влияние на характер процесса и значение тока оказывают группы электродвигателей, включенных вблизи места повреждения. Наиболее сильно это влияние проявляется в сетях 3 – 6 кВ собственных нужд крупных ТЭС и АЭС.

Для привода механизмов собственных нужд применяют в основном асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. При близком КЗ напряжение на выводах двигателей оказывается меньше их ЭДС. Электродвигатели переходят в режим генератора, посылающего ток в место повреждения. Синхронные электродвигатели при их наличии также подпитывают место КЗ.

Составляющую тока КЗ от электродвигателей необходимо учитывать при проверке аппаратов и проводников распределительных устройств собственных нужд, а также при расчете уставок релейной защиты оборудования 3 – 6 кВ. Для указанных целей достаточно обычно знать начальное значение периодической составляющей, ударный ток, значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ в момент т размыкания контактов выключателей.

Влияние тока подпитки от электродвигателей проявляется и учитывается в зависимости от места КЗ.

При КЗ в точке К1 (рис. 3.38) ток подпитки будет иметь определяющее значение при выборе оборудования лишь в том случае, если его действие будет превышать действие тока от внешних источников (генераторов энергосистемы). При КЗ в точке К2 или КЗ действует суммарный ток – от внешней сети и от электродвигателей. Начальное значение периодической составляющей тока КЗ от электродвигателя определяется по аналогии с синхронными генераторами по выражению

Рис. 3.38. Особенности КЗ в системе собственных нужд

Величины Е»ф и х»д не задаются в каталогах, однако в них указывается кратность пускового тока электродвигателя I*пуск, равная отношению пускового тока электродвигателя Iпуск к его номинальному току Iном. Прямое включение электродвигателя в сеть рассматривается в теории электрических машин как КЗ за сопротивлением х»д. На этом основании в практических расчетах принимают равной

Iп,0,д=Iпуск=I*пуск·Iном,

(3.64)

В отличие от генераторов запас электромагнитной и кинетической энергии электродвигателей мал и периодическая составляющая тока КЗ, создаваемая ими, быстро затухает:

Iп,t,д=Iп,t,д·e -t/Tд ,

(3.65)

где Т’д — постоянная времени затухания тока КЗ (периодической составляющей) от электродвигателей. Апериодическая составляющая тока КЗ от электродвигателя описывается обычным выражением

ia,t,д=2·Iп,0,д·e -t/Ta,д ,

Та,д — постоянная времени затухания апериодического тока для цепи электродвигателя. Ударный ток от электродвигателя

iy,д=2·Iп,0,д·ky,д,

где ку,д — ударный коэффициент, определяемый обычным путем по известному Та,д. В общем случае к секциям собственных нужд электростанций подключается большое количество электродвигателей разных типов и мощностей. При оценке результирующего влияния всех электродвигателей на ток КЗ в месте повреждения целесообразно все электродвигатели заменить одним эквивалентным. Как показывает опыт, такая замена возможна и не приводит к существенным погрешностям. Действующие нормативы рекомендуют следующие значения параметров эквивалентного электродвигателя:

Коэффициент полезного действия nд	0,94
Коэффициент мощности cos фд	0,87
Постоянная времени периодической составляющей тока Т’д, с	0,07
Постоянная времени апериодической составляющей тока Та,д, с	0,04
Ударный коэффициент ку,д	1,65
Кратность пускового тока	5,6

С учетом изложенного расчет токов КЗ в системе собственных нужд электростанции целесообразно проводить в следующем порядке : 1. Составить расчетную схему (см., например, рис

3.38), принимая при этом во внимание лишь те электродвигатели, которые имеют с местом КЗ прямую электрическую связь. 2

Составить схему замещения для определения тока КЗ от внешних источников (энергосистемы) и обычным способом (см. § 3.3) рассчитать начальное значение периодической составляющей Iп,0,с. Считаем Iп,0,с незатухающим (удаленная точка). 3. Определить суммарную номинальную мощность всех электродвигателей собственных нужд, электрически связанных с местом КЗ, Рном и начальное значение периодической составляющей тока от электродвигателей:

Где возникает и почему?

Теоретически КЗ может образоваться в любой точке сети. Этот процесс носит случайный характер, за исключением тех случаев, когда короткое замыкание вызывается принудительно, при помощи короткозамыкателя для оперативного отключения высоковольтных линий электропередач.

Короткозамыкатель КЗ-110

Непреднамеренное КЗ может возникнуть в следующих местах:

• На изоляторах, как проходных, так и опорных, используемых для токоведущих частей.
• Между фазными обмотками электрических машин и электромагнитных устройств, например, трансформаторов тока, двигателей или генераторов.
• В воздушных и кабельных линиях электропередач.
• В коммутаторах электрических цепей, например, разъединителях, рубильниках, автоматических выключателях и т.д.
• В цепях оборудования или других потребителей электроэнергии.

Причины КЗ могут быть вызваны различными условиями, перечислим наиболее распространенные электрические соединения:

• Металлический контакт межфазных напряжений с минимальным переходным сопротивлением и исключением электрической дуги.
• Дуговые замыкания. Между фазными проводниками протекают сильные токи нагрузки даже при воздушном зазоре.
• Тлеющие КЗ, как правило, возникают в силовых КЛ при разрушении или повреждении изоляции токопроводящих линий. В результате на участке сети между фазными проводниками может образоваться зона с малым сопротивлением, что приводит к перегреву изоляции.
• Пробой силовых полупроводниковых элементов, например, тиристоров.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

При наступлении режима КЗ постоянные токовые величины подвергаются существенным изменениям. В самое первое мгновение появляется так называемая апериодическая составляющая тока короткого замыкания, которая достаточно быстро угасает и принимает нулевое значение. Данный временной интервал, когда наблюдаются эти перемены, представляет собой переходный период, определяемый в числовом выражении. Пока аварийное состояние тока не будет отключено, работа электрической сети производится в установившемся режиме короткого замыкания.

1. Физические свойства апериодической составляющей
2. Полный ток при наступлении КЗ
3. Как вычислить апериодическую компоненту
4. Особенности вычислений в многоконтурных схемах

Профилактика

Несмотря на то, что образование замыкания носит случайный характер, применяя ряд профилактических мер, можно несколько снизить вероятность его возникновения. К таковым мерам относятся:

• Своевременная замена электрооборудования, у которого закончился срок эксплуатации.
• Регулярное проведение планово-предупредительных ремонтов. При таких процедурах можно своевременно обнаружить и устранить повреждение изоляции токоведущих линий, межвитковые замыкания первичных или вторичных обмоток трансформатора и другие неисправности.
• Электрооборудование необходимо эксплуатировать в штатном режиме, перегрузка существенно снижает его ресурс.
• Соответствующая подготовка и регулярный инструктаж обслуживающего и электротехнического персонала.

Короткие замыкания в однофазных сетях

При выполнении расчетов энергосистем однофазного тока допускаются вычисления, производимые в упрощенной форме. Приборы и оборудование в таких сетях не потребляют большого количества электроэнергии, поэтому надежная защита может быть обеспечена обычным автоматическим выключателем, рассчитанным на ток срабатывания 25 ампер.

Ток однофазного короткого замыкания вычисляется в следующем порядке:

• Определение параметров трансформатора или реактора, питающих сеть, в том числе их электродвижущей силы.
• Устанавливаются технические характеристики проводников, используемых в сети.
• Разветвленную электрическую схему необходимо упростить, разбив на отдельные участки.
• Вычисление полного сопротивления между фазой и нулем.
• Определения полных сопротивлений трансформатора или других питающих устройств, если такие данные отсутствуют в технической документации.
• Все полученные значения вставляются в формулу.

Последствия

Межфазные КЗ могут не только отразиться на режимах работы электроустройств, ни и стать причиной их выхода из строя. Помимо этого токоведущие элементы подвергаются как термической, так и динамической нагрузке. Последняя характерна для мощных энергосистем, в которых наблюдается притягивание или отталкивание токопроводящих элементов. Это взаимодействие зависит от направления тока.

При аварии высоковольтных цепей динамическая нагрузка может привести к разрушению изоляторов, поддерживающих токопроводные магистрали, что только усугубляет ситуацию.

Термическая нагрузка проявляется в виде нагрева проводников при прохождении по ним тока замыкания. В результате токопроводы становятся, в буквальном смысле, нагревательными элементами.

Не менее опасным поражающим фактором при межфазном КЗ является образование электродуги, оказывающей негативное воздействие как на человека, так и оборудование. Она способна в течение микросекунд нагреть поверхность контакта до 4000°С — 10000°С, а в некоторых случаях и более. Соответственно, при такой высокой температуре плавится практически все металлические элементы. Нередко до срабатывания защиты дуга успевает пережечь токоведущие шины.

Образование электрической дуги на размыкателях

Электродуга не только нагревает как место контакта, так и окружающее ее пространство. Если рядом с ней расположены горючие материалы, то вероятность пожара существенно увеличивается.

Ожог, вызванный дугой, сложно поддается лечению. Это связано с тем, что мелкие брызги расплавленных металлов оседают на коже, образуя эффект металлизации. Характерно, что на практике случайно попасть под воздействие дуги практически нереально. Как правило, причина кроется в нарушении ТБ, технологических процессов, а также других ошибок, связанных с воздействием человеческого фактора.

К негативным последствиям КЗ также стоит отнести снижение уровня напряжения на аварийном участке. Это создает ряд дополнительных проблем, проявляющихся в виде сбоев в работе оборудования, подключенного к данной сети. Например, отключаются магнитные пускатели, срабатывает защита блоков питания электронных систем, повышается рабочий ток электродвигателей и т.д.

Межфазное замыкание: способы защиты и предотвращения, места возникновения

При эксплуатации высоковольтных электрических цепей нередко явление, определяемое нормативными документами как межфазное замыкание. Такое отклонение от нормального режима работы систем электроснабжения связано с неисправностями питающих линий, последствия которых бывают непредсказуемыми. Особо опасный характер возможных повреждений вынуждает разобраться с рядом вопросов, касающихся того, что собой представляет это явление, к каким неприятностям оно приводит и как их избежать.

Понятие и причины замыканий

Причиной замыкания, как правило, становится нарушение изоляции проводов

Межфазным замыканием электричества в многофазных цепях называют непреднамеренное соединение между собой изолированных проводников с поврежденным защитным покрытием.

В отдельных случаях оно проявляется как однофазное замыкание на землю или корпус работающего электрооборудования.

Такое состояние электрической сети является нарушением нормального режима работы системы и трактуется как аварийное. В этом случае в местах замыкания двух проводников или в точках их контакта с землей величина тока существенно возрастает. Максимальное его значение достигает порой нескольких тысяч Ампер. Неуправляемые потоки электричества способны привести к разрушительным последствиям.

Причинами возникновения аварийных ситуаций в высоковольтных электрических сетях являются:

• Повреждение защитной изоляции каждого из фазных проводников из-за нарушений правил эксплуатации кабельных линий.
• Случайный обрыв одной из жил воздушного кабеля и его замыкание на другой провод или землю.
• Замыкание провода с поврежденной изоляцией на корпус действующей электроустановки.

Каждый из случаев возникновения короткого замыкания является следствием грубейшего нарушения правил эксплуатации электрооборудования и в соответствии с требованиями нормативных документов нуждается в тщательном расследовании.

Виды аварийных замыканий

По типу электропитания все короткие замыкания делятся на повреждения, произошедшие в однофазных или в трехфазных цепях, а по их количеству – на одиночные и двойные КЗ. Самый простой случай – однофазные линии, в которых возможно только одиночное замыкание фазы на нейтраль или землю. Трехфазное короткое замыкание отличается большим вариантом возможностей, поскольку число проводов в кабеле увеличивается до 3-х. При этом возможны следующие варианты повреждений:

• Замыкание двух высоковольтных проводов между собой.
• КЗ одного провода на нейтраль или землю (однофазные короткие замыкания).
• Контакт сразу двух проводников с поверхностью грунта.

Короткие замыкания и их классификация. Последствия КЗ на реальных примерах

Добрый день, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Давно хотел написать статью про короткое замыкание. Но все как то не доходили руки.

Сегодня решился, потому как повлияли на меня последние события, произошедшие на распределительной подстанции нашего предприятия.

Ранее в статьях мы говорили, что повреждения в электроустановках вызывают короткие замыкания, или сокращенно, к.з.

Короткое замыкание — это одно из самых тяжелых и опасных видов повреждения.

Вы спросите почему? Читайте ниже.

Что же такое короткое замыкание?

Википедия на этот вопрос отвечает, что короткое замыкание — это:

Определение прочитали.

А теперь давайте рассмотрим подробно, что же происходит с параметрами электроустановки в момент короткого замыкания.

При возникновении короткого замыкания, напряжение на источнике питания, а правильнее назвать ЭДС, замыкается «накоротко» через небольшое (малой величины) сопротивление кабельных и воздушных линий, обмоток трансформаторов и генераторов. Отсюда и название «короткое замыкание».

В «накоротко» замкнутой цепи появляется ток очень большой величины, который и называется током короткого замыкания.

Классификация коротких замыканий

Рассмотрим классификацию коротких замыканий.

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся фаз:

• трехфазные короткие замыкания
• двухфазные короткие замыкания
• однофазные короткие замыкания

Короткие замыкания разделяются по замыканию:

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся точек в сети:

• в одной точке
• в двух точках
• в нескольких точках (более двух)

Пример

Рассмотрим пример.

Допустим, что наш потребитель питается с подстанции через воздушную линию (ВЛ) электропередач. Питающая линия является транзитной, поэтому питание потребителя осуществляется отпайкой от линии ВЛ в точке «О».

Пунктирной линией под номером 2 показан уровень напряжения на протяжении всей воздушной линии до возникновения короткого замыкания.

По рисунку видно, что напряжение в любой точке электрической сети равно разнице ЭДС источника питания и падения напряжения в электрической цепи до необходимой нам точки.

Например, напряжение в точке «О» можно рассчитать по формуле

Uо = E — I*Zo, где

• E — ЭДС источника питания, в нашем случае генератора
• Zo — полное сопротивление воздушной линий от источника питания до точки «О» (состоит из активного и реактивного сопротивления)
• I — ток, протекающий по воздушной линии в данный момент времени.

Аналогично, можно рассчитать напряжение в любой точке нашей воздушной линий.

Предположим, что по каким-либо причинам произошло короткое замыкание на воздушной линии, но за пределами нашей отпайки. Назовем эту точку короткого замыкания буквой «К».

Периодическая составляющая — ток

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая-определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.

Периодическая составляющая тока / г в ветви Г изменяется во времени в соответствии с параметрами генераторов ( компенсаторов), характеристиками регуляторов возбуждения, удаленностью точки замыкания и др. Периодическая составляющая тока 1пС ветви С неизменна во времени.

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая — определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.

Периодическая составляющая тока / п ( г в ветви Г изменяется во времени по сложному закону, определяемому параметрами генераторов и характеристиками регуляторов возбуждения. Периодическую составляющую тока / п с в ветви С принимают незатухающей. Периодическая составляющая тока в месте замыкания равна сумме этих двух токов. Двухлучевая схема используется при определении импульса квадратичного тока при к.

Периодическая составляющая тока КЗ от генератора изменяется во времени по сложному закону.

Периодическая составляющая тока статора в условиях нормального включения не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.

Периодическая составляющая тока статора ( одновременно со всеми нечетными гармониками) убывает до своей установившейся величины с постоянной времени цепи ротора. Апериодическая составляющая тока ротора, возникающая при внезапном коротком замыкании, уменьшается по тому же закону до установившейся величины постоянного тока IrL. В цепи ротора все четные высшие гармонические обнаруживаются и в установившемся режиме.

Периодическая составляющая тока КЗ в начальный момент времени / п то называется начальным током КЗ. Значение начального тока КЗ используют, как правило, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты.

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза силу номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратиость периодической составляющей по отношению к номинальному току.

При замыкании за реактором периодическая составляющая тока короткого замыкания не изменяется во времени ( / 7), что позволяет принять t tpac4 22 сек.