20. 3 Токи короткого замыкания.

Соединение между собой через малые сопротивления отдельных элементов электроустановок, находящихся под напряжением, приводит к процессу, который называется коротким замыканием (КЗ). Основные причины коротких замыканий — нарушение изоляции токоведущих частей вследствие старения или механических повреждений; перекрытие неизолированных проводников птицами или животными; прямые удары молнии в провода ВЛ или открытые распределительные устройства (ОРУ), ошибочные действия обслуживающего персонала, диверсии.

Для большинства электроустановок короткое замыкание является ненормальным режимом, однако некоторые виды электрооборудования специально рссчитываются для работы в режиме КЗ, например сварочные и печные трансформаторы. В системах трехфазного переменного тока возможны несколько видов к. з.: трехфазное, когда все три фазы соединяются непосредственно между собой или через землю; двухфазное, когда две фазы соединяются непосредственно между собой или через землю; однофазное, когда одна фаза соединяется с

L1

L2

L3

Рисунок 3 - Виды коротких замыканий в сети с изолированной нейтралью.

землей. В трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью и в четырехпроводных сетях, например 0,69/0,23 кВ, возможны все три вида КЗ. В се­тях с изолированной нейтралью бывают трех- и двухфазные КЗ, а также однофазные замыкания на землю или утечки тока на землю. Элект­рические величины (ток, напряжение, мощность и др.), относя­щиеся к различным видам КЗ, обозначают соответствующими символами с верхними цифровыми индексами .в круглых скобках, например, I_к⁽³⁾— ток трехфазного КЗ.

Токи КЗ во много раз превышают токи нормального режима, поэтому при выборе электрооборудования приходится учитывать возможности возникновения КЗ и вред, который могут нанести токи КЗ. Наибольшего значения токи КЗ достигают при возник­новении КЗ в местах установки источников питания, к которым относятся синхронные машины (генераторы, компенсаторы), сило­вые трансформаторы и асинхронные двигатели мощностью более 1 МВ-А. Последние учитываются как дополнительные источники питания при их незначительной удаленности от места КЗ.

Рассмотрим процесс КЗ (рис.4). При нормальном режиме работы электроустановок в цепи протекал ток нагрузки Iн. При возникшем замыкании сопротивление электрической цепи резко умень­шилось, что привело к значительному увеличению тока. Увеличение тока происходит не мгновенно, а через некоторый проме­жуток времени ввиду наличия в цепи не только активного, но и индуктивного сопротивлений (обмотки трансформаторов, дви­гателей). Процесс КЗ состоит из двух периодов: неустановившегося (переходного) режима, когда значение тока меняется во времени, и установив­шегося режима, когда под действием автоматического регуля­тора возбуждения (АРВ) генераторов значение тока не изменяется. Установившийся режим КЗ действует до тех пор, пока не сработает защита и отключит поврежденный участок, или пока не перегорят проводники (провода, кабели или шины). В первый период (переходный процесс) ток состоит из двух состав­ляющих: 1) апериодической Iа (красная линия), которая возникает в момент КЗ и вскоре затухает до нуля вследствие наличия активного сопротивления в цепи; 2) периодический Iп, которая изменяется по гармонической кривой.

Рисунок 4 - Развитие тока короткого замыкания.

Значение этой составляющей в началь­ный момент времени называют начальным током и обозначают I₀ или I¹¹. Полный ток КЗ в переходном режиме состоит из суммы токов апериодической и периодической составляющей в любой момент времени. Полный ток достигает наибольшего значения, называемого ударным токомКЗ iу, в течение половины периода, т. е. через 0,01 с с момента возникновения КЗ. По значению ударного тока проверяют элект­рические аппараты, шины и изоляторы на их электродинамическую стойкость. Силовые выключатели по отключаемым ими току и мощ­ности проверяют по значениям тока I_0,2 через 0,2 с после возникнове­ния КЗ. Для быстродействующих выключателей это время равно 0,1 с или менее. После затухания апериодической составляющей в цепи будет протекать периодический ток, называемый установившимся током КЗ, и обозначаемый I_∞ . По этой величине проверяют элект­рические аппараты, шины и кабели на термическую стойкость. Токи КЗ рассчитывают для определения условий работы электрооборудования и электри­ческих сетей при возникающих коротких замыканиях. Точный расчет токов КЗ очень сложен, поэтому допускают ряд упрощений. Расчет можно вести в имено­ванных единицах (А, В, Ом), или методом приведенных длин, или в относительных единицах, т. е. в долях или процентах от некоторой принятой, так называемой базисной величины, например базисной мощности S_б. Достоинства расчета с помощью базисных величин заключаются в более про­стой структуре большинства расчетных выражений, лучшей на­глядности результатов вычисления, возможности быстрого опреде­ления вычисляемых величин с достаточной для практических целей точностью. Данный метод более приемлем, если суммар­ное базисное сопротивление от источника питания до места КЗ больше трех единиц. Если место КЗ находится недалеко от источника питания, то пользуются специально пост­роенными кривыми затухания.Рассчитанные величины токов КЗ используют при выборе токовых уставок и проверке чувствительности релейной защиты.