Короткие замыкания в системах электроснабжения

Расчет токов КЗ в СЭС производится упрощенным способом со следующими допущениями:

• 1. трехфазную систему считают симметричной;
• 2. не учитывают насыщения магнитных систем, что позволяет считать все цени линейными;
• 3. пренебрегают намагничивающими токами силовых трансформаторов и емкостными проводимостями всех элементов короткозамкнутой цени;
• 4. в течение всего процесса КЗ ЭДС генераторов системы считают совпадающими по фазе;
• 5. ЭДС всех источников питания, значительно удаленных от места КЗ, считают неизменными.

Основные понятия и соотношения величин токов короткого замыкания

В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий, сопровождающихся резким увеличением тока. Поэтому электрооборудование, устанавливаемое в системах электроснабжения, должно быть устойчивым к токам КЗ и выбираться с учетом величин этих токов.

Различают следующие виды коротких замыканий: трехфазное, или симметричное (три фазы соединяются между собой); двухфазное — две фазы соединяются между собой без соединения с землей; однофазное одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю; двойное замыкание на землю — две фазы соединяются между собой и с землей.

Основными причинами возникновения таких КЗ в сети могут быть: повреждение изоляции отдельных частей электроустановки; неправильные действия обслуживающего персонала; перекрытия токоведущих частей установки.

Короткое замыкание в сети может сопровождаться: прекращением питания потребителей, присоединенных к точкам, в которых произошло короткое замыкание; нарушением нормальной работы других потребителей, подключенных к неповрежденным участкам сети, вследствие понижения напряжения на этих участках; нарушением нормального режима работы энергетической системы.

Для предотвращения КЗ и уменьшения их последствий необходимо: устранить причины, вызывающие КЗ; уменьшить время действия защиты, действующей при КЗ; применить быстродействующие выключатели; правильно вычислить величины токов КЗ и по ним выбрать необходимую аппаратуру, защиту и средства для ограничения токов короткого замыкания.

Рис. 7. /. Кривые изменения тока при коротком замыкании.

Рассмотрим причины возникновения, особенности протекания КЗ и расчет токов короткого замыкания.

С момента возникновения КЗ до его прекращения в короткозамкнутой цени протекает переходный процесс, характеризуемый наличием двух составляющих токов короткого замыкания — периодического (колебательного) и апериодического.

На рис. 7.1 приведены кривые изменения тока КЗ системы неограниченной мощности (S_c = °°). Здесь, а также в дальнейшем при рассмотрении явлений, вызванных коротким замыканием, приняты следующие обозначения токов: /_||0 — мгновенное значение тока нагрузки в момент КЗ; /_у — мгновенное значение ударного тока КЗ через полпериода (0,01 с) после возникновения КЗ (по величине /_у проверяются электрические аппараты, шины и изоляторы на динамическую устойчивость); /". _макс, /_п — соответственно максимальное и мгновенное значения периодической слагающей тока КЗ; /_а. макс, 4о — максимальное и мгновенное значения апериодической слагающей тока КЗ; - действующее значение установившегося тока КЗ (по величине /к проверяют электрические аппараты и токоведущие части на термическую устойчивость); /_по — начальное действующее значение периодической слагающей тока КЗ (свсрхпсрсходный ток короткого замыкания).

Действующее значение полного тока КЗ для произвольного момента времени / определяется соответствующими составляющими — периодической /_п/ и апериодической /_а,.

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая — определяется характером затухания тока КЗ, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора. В цепи напряжением выше 1000 В, где значение активного сопротивления мало, время затухания апериодической слагающей составляет 0,15−0,2 с.

Известно, что в цепи, содержащей индуктивность, всякое изменение тока вызывает изменение магнитного потока, который наводит в этой цени ЭДС самоиндукции. Под действием последней в цени устанавливается апериодический ток обратного направления (рис. 7.1), величина которого в начальный момент (1 = 0) равна разности мгновенных значений токов нагрузки рабочего режима /_н0 и периодической составляющей тока КЗ:

Следовательно, благодаря инерции магнитного потока не произойдет мгновенное изменение тока, так как возникновение апериодической составляющей не позволит в начальный момент короткого замыкания мгновенно измениться току ОТ /"о ДО /". макс;

Основные соотношения между величинами токов корочкою замыкания. Связь между величиной ударного тока /_у и начальным действующим значением периодической составляющей тока КЗ /_1|0 устанавливается из следующих соотношений:

1) апериодическая составляющая затухает, но закону экспонентной кривой, определяемой уравнением

где /а. макс — амплитудное (максимальное) значение апериодической составляющей; Т_А — постоянная времени затухания апериодической составляющей, определяемая соотношением между индуктивностью и активным сопротивлением /*_к цепи короткого замыкания:

Учитывая, что при со = 2irf_H01A = 2тг/_к величина индуктивного сопротивления л'_к = coL = 314L, откуда L = xJ314, получим, что.

где х_к, г_к — соответственно индуктивное и активное сопротивления цепи короткого замыкания;

В момент t = 0 ток /_п макс = /_а._макс> тогда.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Обозначая величину получим Следовательно, ударным коэффициентом К_у учитывается (через постоянную времени затухания Г_а) соотношение между активным и индуктивным сопротивлениями цени короткого замыкания, что определяется местом КЗ. Для ВЛ напряжением выше 1000 В постоянная времени 7^ = 0,0 $ с, тогда из (7.7) найдем К_у = 1,8 и ударный ток.

Если ЭДС источника неизменна (например, при питании от сети неограниченной мощности), то и периодическая составляющая тока КЗ будет неизменна:

При вычислении токов КЗ в удаленных от ИП точках, где активное сопротивление значительно (за трансформаторами малой мощности, в кабельной сети), ударный коэффициент определяют по кривой зависимости (рис. 7.2)К_у = ДГ_а) = f[x/(34r)].

Наибольшее действующее значение полного тока КЗ в течение первого периода короткого замыкания:

2) ударный ток, соответствующий времени 0,01 с, т. е. через полпериода (рис. 7.1) после возникновения КЗ:

где /_п. _макс = V2 /"о — максимальное значение периодической составляющей.

Подставляя в (7.4) значения (7.1), получим По величине /_у проверяют аппараты на динамическую устойчивость (в течение первого периода короткого замыкания). Так как для / = 0,01 с.

Рис. 7.2. График для определения ударного коэффициента.

Определение параметров цени короткого замыкания. Для вычисления токов КЗ составляют расчетную схему, соответствующую нормальному режиму работы СЭС. В расчетной схеме учитывают сопротивления питающих генераторов, трансформаторов, высоковольтных линий (воздушных и кабельных), реакторов. По расчетной схеме составляют схему замещения, в которой указывают сопротивления источников и потребителей и намечают точки для расчета токов короткого замыкания.

Для генераторов, трансформаторов, высоковольтных линий и коротких участков распределительной сети обычно учитывают только индуктивные сопротивления. При значительной протяженности сети (кабельной и воздушной) учитывают также их активные сопротивления, так как в удаленных точках КЗ сказывается снижение ударного коэффициента. Целесообразно учитывать активное сопротивление, если г^ > л-^/З, где r_s, — суммарные активные и реактивные сопротивления до места КЗ.

Для отдельных элементов схемы принимают следующие значения иI щуктивных сопротивлei iи й:

• а) для синхронных генераторов xⁿ_d выражается в относительных единицах; оно представляет собой сверхпереходное реактивное сопротивление по продольной оси полюсов. Для турбогенераторов x^N_d = 0,125; для гидрогенераторов с успокоительной обмоткой x" _d = 0,2; без успокоительной обмотки x" _d = 0,27;
• б) для синхронных и асинхронных двигателей xⁿ_d = 0,2;
• в) для трансформаторов, если пренебречь их активным сопротивлением, напряжение короткого замыкания U_K (%) численно равно их индуктивному сопротивлению X (%);
• г) для ВЛ напряжением выше 1000 В значение хо = 0,4 Ом/км;

• д) для КЛ напряжением 6−20 кВ величина л’о = 0,08 Ом/км;
• е) для реакторов сопротивление дается в процентах и переводится в относительные единицы или Омы.

Активное сопротивление линии (г₀ = 1000/;?") (Ом/км) определяют по выбранному сечению S или находят по справочным таблицам.

В схеме замещения все указанные сопротивления выражают в именованных (Ом) или относительных единицах.