Что такое межфазное короткое замыкание и как защититься от него?

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.

Расчет суммарного тока ОЗЗ

При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.

Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.

Выражение для определения тока ОЗЗ:

где С∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С∑ = Суд l; Суд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км; l – общая длина проводника одной фазы сети.

Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:

где UНОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ; li – длина кабельной линии, км; qi – сечение жилы кабеля, мм2.

Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.

Виды селективной защиты

Полная и частичная

Полная защита предназначена для последовательного подключения приборов. При аварии максимально быстро сработает тот защитный агрегат, который находится ближе всех к месту поломки. Частичная селективная защита во многом похожа на полную, но функционирует лишь до определенной величины тока.

Временная и времятоковая

Временная селективность – это когда у последовательно подсоединенных аппаратов при идентичных характеристиках тока установлена отличающаяся выдержка времени на срабатывание (при последовательном увеличении от проблемной зоны до источника питания). Временная защита применяется, чтобы автоматы могли подстраховать друг друга в случае сбоя. К примеру, первый должен сработать через 0,1 секунды, если он неисправен, спустя 0,5 секунды в дело вступает второй, а при необходимости третий заработает через 1 секунду.

Времятоковую селективность считают максимально сложной. Для нее применяется аппаратура 4 групп – А, В, С и D. У каждой из них наблюдается персональная реакция на электроток и отключение в необходимый момент. Наилучшая защита достигается в группе A, которая используется в основном для электроцепей. Самый популярный тип агрегатов — С, однако специалисты не советуют устанавливать их повсеместно и непродуманно.

Селективность по току

Данная разновидность схожа по методу работы с временной, однако отличие в том, что главным критерием выступает предельная величина токовой отметки. Значения тока выстраиваются в порядке убывания от источника питания до объектов загрузки.

Если около выключателя А возникает КЗ, защита конца В не должна работать, а сам выключатель обязан снимать напряжение с прибора. Чтобы селективность по току гарантировала тотальную избирательность, потребуется иметь большое сопротивление между обоими выключателями. Его получают при помощи:

протяженной линии электропередачи;
вставки обмотки трансформатора;
включения в разрыв провода сечения меньшего размера.

Энергетическая

Данная схема подразумевает быстродействие селективности автовыключателей. При этом токи коротких замыканий (КЗ) не имеют возможности набрать свои максимальные значения.

Данные автоматы-«скорострелы» работают на протяжении буквально пары миллисекунд. Из-за большой динамичности нагрузок реально действующие времятоковые параметры защит согласовать крайне затруднительно.

Рядовой пользователь не имеет возможности отследить характеристики данного типа селективности. Производитель обязан предоставлять их в виде графиков и таблиц.

Зонная селективность

Такие схемы часто используются на промышленных объектах. Это не только весьма сложный, но и предельно дорогой способ защиты. Для применения зонной селективности нужно приобретать специальные приборы слежения.

Все данные, полученные в процессе работы приборов, сосредотачиваются в центре контроля. Он определяет, какой именно автомат нужно задействовать для отключения.

В данных устройствах используются электронные расцепители. Их схема работы такова: при появлении аварийной ситуации нижестоящий аппарат подает сигнал тому, что выше. Если через 1 секунду нижнее устройство не сработало, в дело вступает второе.

Что происходит от короткого замыкания и как их предотвратить

КЗ можно охарактеризовать прохождением достаточно высоких показателей тока. Его высокие показатели небезопасны для всех видов объединений и электропроводов. Такое типично для лавинных накоплений результатов разъединения.

Провод может отгореть от объединений, которые самостоятельно нагреваются, впоследствии чего их распадение происходит быстрее. Как результат может загореться электрическая проводка и случится пожар.

Если в электропредохранителях будет течь ток со значениями выше обозначенных, то они перегорят и разомкнут цепочку. Но в случае если вы не избавились от разрывания, оно может повторяться ещё и ещё.

Если вы хотите увеличить срок эксплуатации и условия действия, то необходимо использовать механические переключатели. Они будут отвечать на любые повышения тока как на сильные, так и на небольшие.

При межфазном разъединении либо между периодом и грунтом механический переключатель расцепится и это называют «выбил автомат». Чтобы опять восстановить подключение напряжения нужно повторно поднять ручку механизма.

Дифференциальная защита имеет две ступени

Первая – чувствительная дифференциальная защита с торможением и блокировкой, предотвращающей ложную работу при бросках тока намагничивания;
Вторая – дифференциальная токовая отсечка.

Тормозная характеристика первой ступени состоит из трех участков: горизонтального с током срабатывания от 0,2 до 0,5 номинального тока, прямолинейного наклонного участка с двумя фиксированными коэффициентами торможения либо 0,25, либо 0,5 (под коэффициентом торможения понимается отношение дифференциального тока к тормозному) и вертикального участка, т.е. при тормозном токе, большем уставки «b» защита не работает (рис. 9.1).

Для того чтобы использовать алгоритм дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора для трехобмоточного трансформатора, из токов трех сторон трансформатора выделяется наибольший по абсолютной величине ток, который и принимается как ток первой стороны приведенного двухобмоточного трансформатора.

Таким образом, дифференциальный и тормозной токи трехобмоточного трансформатора вычисляются по двум приведенным токам:

(9 – 1)

(9 – 2)

Для двухобмоточного трансформатора соответственно I₁‘ = I₁ и I₂‘ = I₂. Дифференциальный ток в фирменном обозначении равен:

(9 – 3)

Для повышения селективности защиты и увеличения ее чувствительности тормозной ток принят зависящим от угла между токами сторон приведенного двухобмоточного трансформатора (обозначение тормозного тока фирменное):

(9 – 4)

где α = 1‘ − I₂‘), за положительное направление токов принято направление в сторону защищаемого трансформатора.

Если принять, что при внешнем коротком замыкании угол между токами приведенного трансформатора равен 180°, а при повреждении в зоне защиты этот угол равен 0°, то получим следующие значения тормозного тока: для внешнего повреждения α = 1‘ – (I₂‘)) = 0° cos0° = 1,0

I_н = I₁′ • I′₂ •1,0 = I₁′ • I′₂,

для внутреннего повреждения α = 1‘ — (I₂‘)) = 180° I_н = 0.

Однако при повреждении нагруженного трансформатора, при котором ток нагрузки является сквозным током, может произойти отказ дифференциальной защиты из-за того, что тормозной ток будет превышать величину «b». Например, при токе повреждения, равном 4I_n, ток нагрузки равен In, тогда α = n − (−I_n)) = 0°

cos0° = 1,0 I_Δ = 4I_n − I_n = 3I_n Iн = 4I_n •1I_n •1,0 = 2In, и если уставка «b»

принята меньше 2I_n, то дифференциальная защита не будет работать. Для предотвращения отказа защиты при повреждении в зоне действия и протекании тока нагрузки вертикальная часть тормозной характеристики исключается при токах сторон I₁‘ 2‘

Это загрубление дифференциальной защиты выполняется посредством внешнего входного сигнала, на который может воздействовать, например, защита повышения напряжения. Для предотвращения ложной работы дифференциальной защиты при бросках тока намагничивания в момент взятия трансформатора под напряжение, выполнена блокировка защиты по превышению отношения тока второй гармонической составляющей к току промышленной частоты в дифференциальном токе.

Система TT

Схема заземления TТ

Системы заземления TT актуальны при несоответствующих условиях безопасности для предыдущих видов. Специалисты рекомендуют применять их в случае, когда техническое состояние воздушных линий электропередач далеко от идеала.

Данной конструкцией предусмотрено независимое заземление защитного и рабочего нолей через отдельные контуры. Связь между проводниками запрещена. Такой подход помогает изолировать от электросетей все металлические поверхности, способные проводить ток.

Плюсы:

независимость от разных повреждений линии питания.

Минусы:

необходимость в качественном повторном заземлении, реализации технических мер для подавления скачков напряжения по время грозы;
обязательность монтажа прибора, выполняющего защитное отключение.

Такие виды заземления целесообразны для небольших жилых помещений, металлических блок-контейнеров, строительных бытовок.

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.

В каждом из этих случаев, включая двухфазные КЗ на землю, рассматриваемая неисправность проявляется особым образом, характеризуясь токами растекания и распределениями аварийных потенциалов. Помимо этих факторов, текущий процесс описывается таким показателем, как напряжение прикосновения. Указанный параметр представляет собой напряжение, прикладываемое к телу человека между двумя точками прикосновения к оголенному проводу.

К тому же типу опасных воздействий относят разность потенциалов, появляющуюся между частями тела, соприкасающимися с оголенным проводом, замкнутым на землю. При однофазных КЗ особый интерес представляет вопрос, какой величины достигает напряжение прикосновения при замыкании фазы. Согласно положениям ПУЭ этот показатель зависит от расстояния между контактными зонами и увеличивается с его повышением.

Конструкция ДГР

Конструктивно ДГР близка к масляным трансформаторам: бак, заполненный трансформаторным маслом, в который помещена магнитная система с обмоткой. Сама магнитная система представляет собой регулируемую катушку индуктивности.

В настоящее время эксплуатируются различные виды ДГР, которые могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек или изготавливаться с возможностью регулировки. В связи с этим различаются следующие конструкции магнитопровода:

с распределенным воздушным зазором;
плунжерного типа;
с подмагничиванием.

В ДГР имеющих магнитопровод с распределенным воздушным зазором, регулирование может отсутствовать вовсе или осуществляется за счет переключения ответвления для ступенчатого регулирования сопротивления.

В ДГР плунжерного типа имеет магнитную систему с перемещающимися стержнями, которые плавно регулируют воздушный зазор внутри обмотки. Стержни перемещаются с помощью электропривода, что обеспечивает плавное регулирование сопротивления реактора. ДГР с подмагничиванием магнитопровода постоянным током работает по принципу магнитного усилителя. При подмагничивании магнитопровода изменяются его магнитное сопротивление и, соответственно, индуктивное сопротивление реактора.

Для отстройки индуктивности ДГР оснащаются системами управления. По конструкции систем регулирования их можно разделить на:

ДГР с ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;
ДГР с приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;
ДГР не имеющие возможности регулирования индуктивности системой управления не оснащаются.

Современные конструкции дугогасящих реакторов в управлении используют микропроцессорные технологии, облегчающие возможности эксплуатации предоставлением обслуживающему персоналу расширенной информации по статистике замыканий, поиску повреждений и другим полезным функциям.

Как защитить ВЛ от однофазных токов к.з.?

Посещение выставки Energy Expo 2021 не прошло бесследно. Как только у меня появляется свободное время, я разбираю информацию (каталоги, диски), которую привез с выставки. Кое с чем делюсь на своем канале youtube.

Меня давно интересовал вопрос, а как защитить ВЛ-0,4кВ или ВЛИ-0,4кВ от однофазных токов короткого замыкания? К сожалению, я ВЛ практически не проектирую. Пару раз сталкивался с этим и тогда я понял, что обычным автоматическим выключателем сделать хорошую защиту очень трудно, поэтому для таких целей используют специальные изделия.

Мне приятно, что изделие, о котором сейчас буду рассказывать – сделано в Республике Беларусь

Если вы проектируете ВЛ, то наверняка вам известно такое изделие, как РЭ-13 или аналоги. Но, сегодня хочу вам рассказать про другое изделие, которое полностью заменяет данные изделия.

Для защиты воздушных ЛЭП от однофазных токов к.з., а также для защиты трансформаторных подстанций можно использовать такое изделие как УНЗ.

Принцип работы: УНЗ фиксирует наличие тока в нулевом проводе ВЛ с помощью трансформатора тока и подает сигнал на независимый расцепитель автоматического выключателя. Аварийный участок ВЛ – отключается.

В зависимости от контролируемого тока имеются 2 исполнения:

— со встроенным датчиком тока (УНЗ-10-80, УНЗ-80-150, УНЗ-130-200);

УНЗ-10-80, УНЗ-80-150, УНЗ-130-200

— с внешним датчиком тока (УНЗ-140-800, УНЗ-Т).

УНЗ-140-800, УНЗ-Т

Преимущества УНЗ:

1 Бесконтактное включение в нулевой провод и бесконтактное управление независимым расцепителем автоматического выключателя.

Нулевой провод проходит через трансформатор тока и не требует его разрыва.

2 УНЗ позволяет производить настройку тока срабатывания с учетом расчетного тока однофазного к.з.

3 Обеспечивается выдержка времени на отключение – 4 с (для УНЗ-Т 2-5 с).

Этим самым снижаются ложные срабатывания, уменьшается количество отключений потребителей, что напрямую влияет на эксплуатационные расходы.

Схема включения УНЗ-10-80, УНЗ-80-150, УНЗ-130-200:

Схема включения УНЗ-10-80, УНЗ-80-150, УНЗ-130-200

Схема включения УНЗ-140-800, УНЗ-Т:

Схема включения УНЗ-140-800, УНЗ-Т

Таблица характеристик УНЗ:

№ п/п	Обозначение устройства нулевой защиты	Диапазон уставки тока срабатывания, А	Дискретность уставки тока срабатывания	Примечание
1	УНЗ-0,4-У3-2003-10-80	10 ÷ 80	10; 20; 24; 27; 30; 33; 38; 42; 46; 50; 55; 60; 65; 70; 75; 80	Встроенный датчик тока, отв. Ø 24
2	УНЗ-0,4-У3-2003-80-150	80 ÷ 150	80; 83; 85; 90; 95; 100; 105; 110; 115; 120; 125; 130; 135; 140; 145; 150
3	УНЗ-0,4-У3-2003-130-200	130 ÷ 200	130; 133; 135; 140; 145; 150; 155; 160; 165; 170; 175; 180; 185; 190; 195; 200
4	УНЗ-0,4-У3-2003-140-800	140 ÷ 800	140; 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315; 355; 400; 450; 500; 560; 630; 710; 800	Выносной датчик тока, отв. Ø 40 мм
5	УНЗ-0,4-У3-2003-Т	1,5 ÷ 5 (100 ÷ 2000*)	1,5; 1,8; 2; 2,3; 2,5; 2,8; 3; 3,3; 3,5; 4; 4,5; 5	*Стандартный трансформатор тока ХХХХ/5

Для защиты воздушных ЛЭП от токов к.з. применяйте специальные изделия. Правильный выбор уставок тока срабатывания УНЗ позволит исключить возникновение пожара и выход из строя силового транформатора, а также защитит электроприборы потребителей при высоких (низких) напряжениях, которые возникают при перекосе фаз.

Советую почитать:

Как выбрать коэффициент мощности?

Сравнительная таблица аналогов арматуры СИП

Однофазный АВР на переключателе фаз PF-431

Трехфазный дифференциальный автомат на 20А

Поперечная дифференциальная защита генератора

Особенности применения и использования аппарата УЗО

Данная защита выполняется чтобы защитить от виковых замыканий, которые могут возникнуть непосредственно в обмотке статора, и, конечно же, если есть параллельные ветви статорных обмоток. Это возможно, за счёт сравнения величин токов этих ветвей по каждой из фаз. Поперечная дифзащита выполняется таким образом, чтобы для каждой из фаз она была организована отделено, то есть будет реагировать на межвитковые замыкания только в одной из фаз.

Ток, при котором, катушка поперечной дифзащиты втянется, отстраивается по максимальному току небаланса, который может протекать в реле при различных внешних коротких замыканиях, и принимается равным:

Рекомендовано при наладке системы дифзащиты производить более точный подсчет уставки с учетом абсолютно всех реально протекающих токов небаланса, а не расчётных. Как показывает навыки в процессе эксплуатации, на турбогенераторах они сравнительно невелики, и ток их срабатывания не требует дополнительных регулировок и подстроек. На гидрогенераторах, наоборот, величины этих нежелательных токов велики, потому приходится существенно загрублять настройки реле этой поперечной защиты, что иногда понижает ее сверхэффективность.

В итоге хотелось бы отметить, что расчётом и настройкой этих защит должны заниматься только профессионалы, имеющие опыт работы в данной сфере, чаще всего это инженеры электротехнических проектно-конструкторских бюро. Дифференциально фазная защита в быту тоже очень эффективна и выполнить её на основе компактных устройств, продающихся в специализированных магазинах, сможет даже начинающий электромонтёр, сложностей по подключению там возникнуть не должно. Главное, соблюдать элементарные правила электробезопасности.

Продольная дифференциальная защита

В состав релейной защиты входят различные устройства, обеспечивающие надежную и безопасную работу трансформаторов, оборудования, линий электропередачи. Одной из ее разновидностей является продольная дифференциальная защита, которая в обязательном порядке используется с трансформаторами мощностью 6300 кВа и выше. Ее основная функция заключается в предупреждении аварий и выхода из строя оборудования, причиной которых могут стать многофазные замыкания на выводах и внутри обмоток.

Продольный вид защиты устанавливается и на трансформаторах, работающих параллельно, при мощности каждого из них 4000 кВа и более. Трансформаторные устройства с небольшой мощностью, не превышающей 1000 кВа, также оборудуются защитой, если отсутствует газовая защита. При этом, максимальная токовая защита имеет большую выдержку по времени, а токовая отсечка обладает низкой степенью чувствительности.

Аварийное отключение трансформатора с помощью дифференциальной продольной защиты осуществляется практически мгновенно, сразу же после возникновения неисправности.

Понятие и причины замыканий

Причиной замыкания, как правило, становится нарушение изоляции проводов

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.

Поперечная дифференциальная защита генератора

Особенности применения и использования аппарата УЗО

Последствия ОЗЗ

Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:

В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.

Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.