Конспект по МДК 01.02 Эл.снабжение на тему "Токи короткого замыкания"

Тема: Токи короткого замыкания.

Причины возникновения и последствия коротких замыканий. Назначение расчетов коротких замыканий и общие сведения о расчетных условиях

Наиболее опасны в электроустановках режимы коротких замыканий. Замыкание - всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землей.

Короткое замыкание — замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима. В месте замыкания электроустановки возникает электрическая дуга, через переходное сопротивление которой протекает ток короткого замыкания.

Короткие замыкания бывают между фазами, между фазой и нулевым проводом. Замыкание фазного провода на корпус создает металлическое замыкание.

При коротком замыкании в поврежденной фазе многократно увеличивается ток, превышающий рабочий. Увеличение тока приводит к увеличению потерь энергии в проводниках и контактах, вызывает повышенный нагрев. Это может привести к тепловому пробою изоляции, возгоранию, свариванию контактов, нарушению механической целостности проводящих элементов. Кроме теплового воздействия на электрические элементы, токи замыкания создают значительные механические нагрузки. При взаимодействии магнитных потоков поврежденных фаз развиваются электродинамические нагрузки. Они и приводят к изгибам шин, механическому разрушению твердой изоляции и токоведущих частей при недостаточной их прочности.

С момента возникновения короткого замыкания до его прекращения короткого замыкания цепи, протекает переходной процесс. Характеризуемый наличием двух составляющих токов короткого замыкания периодического и апериодического.

Рис.2.1. Кривые изменения тока при КЗ

На рис 2.1. приведены кривые изменения тока к.з. системы ограниченной мощности  . Действующее значение полного тока к.з. для произвольного момента времени определяется соответствующими составляющими периодической (I _пt) и апериодической(I _at).

Периодическое составляющие токи изменяется по гармонической кривой, соответствии синусоидальной ЭДС генератора.

Апериодическая определяется характеристикам затухания тока к.з. зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора. Здесь, а также в дальнейшем при рассмотрений явлении вызванных к.замыканием принято следующее обозначения:

 - мгновенное значение тока нагрузки в момент к.з.

 - мгновенное значение ударного тока к.з. через пол периода (0,01с) после возникновения к.з. по величине ударного тока проверяются электрические аппараты шины и изоляторы на динамическую устойчивость. Максимальное мгновенное значение полного тока наступает обычно через 0,01 с после начала процесса КЗ (рис.2.1).

 -соответственно максимальное и мгновенное значение периодической слагающей тока к.з.

 - максимальное и мгновенное значение апериодической слагающей тока к.з.

 - действующее значение установившиеся тока к.з. По величине  проверяют электрические аппараты на термическую устойчивость.

Электрических установках могут возникать различные виды короткого замыкания сопровождаться резким увеличением тока, поэтому электрооборудования устанавливаемые в системах электроснабжения должно быть устойчивым коротким замыканием и выбираться с учетом величин этих токов.

Различают следующие виды коротких замыканий:

1. Трехфазные или симметричные – где 3 фазы соединяется между собой;

2. Двухфазные к.з. – где 2 фазы соединяется между собой без соединений землей.

3. Двойное замыкание на землю – где фазы соединяется между собой землей.

4. Однофазные – где одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю.

По характеру переходного процесса все КЗ делятся на

1. КЗ в цепи питающейся от шин неизменного напряжения;

2. КЗ вблизи генератора ограниченной мощности.

Шины неизменного напряжения – это источник питания напряжение, на зажимах которого практически остается неизменным при любых изменениях тока в подключаемой к нему цепи. Такой источник питания называют системой неограниченной  или бесконечной мощности. В действительности мощность энергосистемы или источника питания имеет конечное значение, и многие элементы цепи имеют значительное сопротивление по сравнению с собственным сопротивлением источника питания (ИП). В практических расчетах сопротивлением энергосистемы пренебрегают, если оно не превышает по величине (5-10)% результирующего сопротивления цепи КЗ.

КЗ вблизи генератора - это КЗ на выводах генератора или на таком удалении от него, что сопротивление цепи КЗ соизмеримо с сопротивлением генератора. Изменение параметров генератора существенно повлияет на переходной процесс и сопротивлением генератора нельзя пренебрегать. По виду короткие замыкания бывают – трехфазные, двухфазные, двухфазные на землю, однофазные на землю.Из них трехфазные КЗ относят к симметричным, которые возникают при замыкании трех фаз между собой. Все фазы электроустановки находятся в одинаковых условиях, по отношению к другим. Остальные КЗ относятся к несимметричным. Все фазы такой электроустановки находятся в разных условиях. Условные обозначения видов КЗ приведены на рисунке 2.2.

а) б)

в) г)

Рисунок2.2 – Виды коротких замыканий:

а) трехфазное, б) двухфазное на землю, в) двухфазное, д) однофазное

Процесс протекания короткого замыкания слагается из двух режимов:

Ударный ток - возникает в течении первых 0,01-0,2 секунд, сопровождается электродинамическим эффектом, способным сорвать провода с изоляторов, повредить обмотки двигателей, трансформаторов;

Разрывной ток - появляется в течении первых 0,2 секунд, в течении которых сеть должна быть отключена автоматической защитой.

Знать токи короткого замыкания необходимо:

1. для выбора электрооборудования;

2. для проектирования релейной защиты;

3. выбора средств ограничения токов КЗ.

Как правило, в точке КЗ возникает электродуга, которая образует переходное сопротивление. В результате этого, результирующий ток в некоторые моменты времени может превосходить амплитуду установившегося тока. Через время (0,1-0,2 сек) в цепи будет протекать только периодический или установившийся ток короткого замыкания. В конце первого полупериода ток достигает максимального значения, называемого ударным током (iу).

По ударному току проверяют электроаппараты, шины, изоляторы - на электродинамическую стойкость. По действующему значению установившегося тока проверяют аппаратуру на термическую стойкость.

Ограничение мощности короткого замыкания осуществляется с помощью бетонных реакторов (РБ, РБН). Они имеют мизерное активное сопротивление и достаточно большое индуктивное. РБ устанавливаются на поверхности, в спец камерах подстанций, в начале и конце линии. Защита от токов короткого замыкания производится плавкими предохранителями и максимально-токовой защитой.

 

Природа возникновения коротких замыканий

Из всего многообразия причин возникновения КЗ можно выделить несколько основных:

1. нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими повреждениями;

2. механические повреждения элементов электрической сети (обрыв провода линии электропередачи и т.п.);

3. преднамеренные КЗ, вызываемые действием короткозамыкателей;

4. перекрытие токоведущих частей животными и птицами;

5. ошибки персонала подстанций при проведении переклю­чений.

6. Повреждение изоляции отдельных частей электроустановок;

7. Неправильные действие обслуживающего персонала;

8. Пробой изоляции;

9. Нарушение нормальной работы энергосистемы;

10. Следствие понижение напряжения на участках;

11. стихийные природные явления

12. Ошибки при ремонтных работах, включениях и отключениях

13. Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями).

14. Прямыми ударами молнии

Уменьшение количества КЗ в электрических системах связано со строгим соблюдением Правил технической эксплуатации электроустановок и повышением качества продукции электро­технической промышленности.

Виды повреждений в трехфазных СЭС

Сети с глухозаземленной нейтралью	Сети с изолированной нейтралью
Термин	Обозначение	Термин	Обозначение
Трехфазное КЗ		Трехфазное КЗ
Трехфазное КЗ на землю		Трехфазное КЗ с землей
Двухфазное КЗ		Двухфазное КЗ
Двухфазное КЗ на землю		Двухфазное КЗ с землей
Однофазное КЗ		Однофазное замыкание на землю
Двойное КЗ на землю		Двойное замыкание на землю

Последствия коротких замыканий

Можно выделить несколько последствий КЗ:

1. Системная авария, вызванная нарушением устойчивости системы. Это наиболее опасное последствие коротких замыканий, оно приводит к значительным технико-экономическим ущербам.

2. Термическое повреждение электрооборудования, связанное с его недопустимым нагревом токами КЗ.

3. Механическое повреждение электрооборудования, вызывае­мое воздействием больших электромагнитных сил между токоведущими частями.

4. Ухудшение условий работы потребителей. При понижении напряжения, например до 60...70 % от номинального, в течение 1 с и более возможен останов двигателей промышленных предприя­тий, что в свою очередь может вызвать нарушение технологиче­ского процесса, приводящее к экономическому ущербу.

5. Наведение при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС, опасных для обслуживающего персонала.

6. Механические и термические повреждения электрооборудования.

3. Возгорания в электроустановках.

4. Снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.

Наибольшая опасность при коротком замыкании угрожает элементам системы, прилегающим к месту его возникновения. В зависимости от места и продолжительности КЗ его последствия могут иметь местный характер (удаленное от источников питания КЗ) или отражаться на функционировании всей системы.

Несимметричные КЗ, а также несимметричные нагрузки называют поперечной несимметрией. Нарушение симметрии какого-нибудь промежуточного элемента трехфазной цепи (например, отключение или разрыв одной или двух фаз ЛЭП) называют продольной несимметрией. В ЭЭС может возникать многократная несимметрия, когда возникают одновременно несколько простых видов несимметрий (разрыв провода с КЗ, двойное замыкание на землю). Все виды многократной несимметрии называют сложными. К ним относится также любое несимметричное КЗ в сети, работающей в неполнофазном режиме.

Основные причины, вызывающие электромагнитные переходные процессы:

1. включение и отключение электродвигателей и других элементов системы электроснабжения;

2. короткие замыкания в системе, а также повторные включения и отключения короткозамкнутой цепи;

3. возникновение местной продольной несимметрии, например, разрыв одной или двух фаз электропередачи;

4. работа устройств регулирования возбуждения синхронных машин (форсировка возбуждения и гашение поля);

5. несинхронное включение синхронных машин.

Коротким замыканием называют всякое не предусмотренное нормальными условиями работы замыкание между фазами, в системах с заземленной нейтралью – также замыкание одной или двух фаз на землю.

В системах с изолированными нейтралями или с нейтралями, заземленными через специальные компенсирующие устройства, замыкание одной из фаз на землю называют простым замыканием. При этом виде повреждения прохождение тока обусловлено главным образом емкостью фаз относительно земли. При возникновении короткого замыкания в электрической системе сопротивление цепи уменьшается, что приводит к увеличению токов в отдельных ветвях системы по сравнению с токами нормального режима. Одновременно это вызывает снижение напряжения в системе электроснабжения, особенно вблизи места короткого замыкания.

Для предотвращения коротких замыканий и уменьшение и последствие необходимо:

1. Устранить причины вызывающее к.з;

2. Уменьшить время действия защиты действующей при к.з;

3. Применить быстродействующих выключателей;

4. Правильно вычислить величины токов к.з. и по ним выбрать необходимую аппаратуру защиты и средства для ограничения токов к.з.

Назначение расчетов коротких замыканий

Расчеты токов КЗ необходимы для достижения следующих целей:

1. определения условий работы потребителей в аварийных режимах;

2. выбора аппаратов и проводников и их проверки по условиям электродинамической и термической стойкости;

3. проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики;

4. сопоставления, оценки и выбора схемы электрических соединений;

5. проектирования и проверки защитных устройств;

6. определения влияния линий электропередачи на линии связи;

7. определения числа заземленных нейтралей и их размеще­ния в ЭС;

8. выбора разрядников;

9. анализа аварий;

10. подготовки к проведению различных испытаний в ЭС.

Точность расчета КЗ зависит от его цели. Так, при выборе и проверке электрических аппаратов не требуется высокая точность расчета, потому что параметры аппаратов ступенчато изменяются в случае перехода от одного их типа к другому. При выборе уст­ройств релейной защиты и автоматики точность расчета должна быть значительно выше. Токи к.з. в современных мощных электросистемах могут достигать огромных значений (10-100 тыс. ампер). Поэтому оборудование электроустановок должно обладать достаточной электродинамической (механической) и термической стойкостью к действию токов к.з.

Расчёт токов короткого замыкания.Для вычисления токов КЗ. составляют расчётную схему, соответствующую режиму работы. В однолинейном изображении указываются источники питания (энергосистема, генераторы) и элементы сети (ЛЭП, трансформаторы, реакторы). По расчётной схеме составляется схема замещения сети. Для этого все элементы сети заменяют соответствующими электросопротивлениями. Элементы обозначаются дробью (в числителе указывается порядковый номер, а в знаменателе сопротивление). В большинстве случаев схема сети содержит содержит одну или несколько ступеней трансформации. Для составления эквивалентной схемы замещения выбирают основную или базовую ступень трансформации и все эл. величины остальных ступеней приводят к напряжениям основной ступени. В основу расчёта токов короткого замыкания положен метод определения суммарного сопротивления до точки короткого замыкания.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение таким понятиям, как режим работы системы, парамет­ры системы, параметры режима, установившийся режим, переходный процесс, послеаварийный установившийся режим.

2. Какова вероятность коротких замыканий в электрических системах и ка­кие существуют виды КЗ?

3. Перечислите наиболее часто встречающиеся причины возникновения коротких замыканий.

4. Каковы наиболее тяжелые последствия коротких замыканий?

5. Для каких целей проводятся расчеты коротких замыканий?