3.2. Общие сведения о коротких замыканиях
Коротким замыканием (к.з.) называется не предусмотренное нормальной эксплуатацией соединение разноименных фаз между собой или соединение фаз с землей.
Причинами к.з. обычно являются нарушения изоляции, вызванные ее механическими повреждениями, старением, набросами посторонних тел на провода линий электропередачи, проездом под линиями негабаритных механизмов (кранов с поднятой стрелой и т.п.), прямыми ударами молнии, перенапряжениями, неудовлетворительным уходом за оборудованием. Часто причиной повреждений в электроустановках, сопровождающихся короткими замыканиями, являются неправильные действия обслуживающего персонала. Примерами таких действий являются ошибочные отключения разъединителем цепи с током, включения разъединителей на закоротку, ошибочные действия при переключениях в главных схемах и в схемах релейной защиты и автоматики.
Некоторые короткие замыкания являются устойчивыми и не исчезают после снятия напряжения с установки (например, к.з. вследствие механических повреждений и старения изоляции), другие являются неустойчивыми, то есть исчезают после снятия напряжения (например, перекрытие гирлянды изоляторов воздушной линии вследствие атмосферного перенапряжения прекращается, как только будет снято напряжение с линии).
В системе трехфазного переменного тока могут быть замыкания между тремя фазами – трехфазные к.з., между двумя фазами – двухфазные к.з., однофазные замыкания на землю.
Важным фактором является относительная частота возникновения различных видов к.з.. По усредненным данным она составляет, %: трехфазные − 5; двухфазные − 10; однофазные − 65; двухфазные к.з. на землю − 20.
Иногда один вид замыканий переходит в другой (например, в кабельных линиях 6 −10 кВ замыкание одной фазы на землю часто переходит в междуфазные к.з.).
Как правило, трехфазное к.з. вызывает прохождение в поврежденной цепи наибольшего тока, поэтому для выбора аппаратуры обычно производится определение тока при трехфазном к.з..
При к.з. токи в поврежденных фазах увеличиваются в несколько раз по сравнению с их нормальным значением, а напряжения снижаются, особенно вблизи места повреждения.
Увеличение тока приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие части и изоляторы, на обмотки электрических машин.
Прохождение больших токов вызывает повышенный нагрев токоведущих частей в изоляции, что может привести к дальнейшему развитию аварии.
Снижение напряжения приводит к нарушению нормальной работы механизмов собственных нужд. При напряжении ниже 70 % от номинального напряжения двигатели затормаживаются, работа механизмов прекращается. Еще большее влияние снижение напряжения оказывает на работу электрической системы, где могут быть нарушены условия синхронной работы отдельных генераторов или станций между собой.
Виды к.з. в трехфазной сети и их обозначения приведены на рис. 3.1.
а б
в г
Рис. 3.1. Виды коротких замыканий:
а − трехфазное к.з.; б – двухфазное к.з.; в − двухфазное к.з. на землю;
г − однофазное к.з.
Трехфазные и двухфазные к.з. возможны в любых трехфазных сетях. Для прохождения тока при однофазном или двухфазном к.з. на землю необходимо, чтобы на участке сети, где произошло повреждение, была хотя бы одна заземленная нулевая точка (нейтраль) трансформатора, электрически связанная с местом к.з. (см. рис. 3.1, в, г). Чем больше будет заземленных нейтралей, тем больше будет ток к.з. при этих видах повреждений.
Значения токов к.з. зависят от мощности источника, напряжения и сопротивления короткозамкнутой цепи. На крупных ТЭС токи к.з. достигают нескольких десятков и даже сотен тысяч ампер. Как правило, в месте к.з. возникает электрическая дуга, которая образует вместе с сопротивлениями элементов пути тока к.з. переходное сопротивление. Иногда возникают металлические к.з. (без переходного сопротивления).
Для обеспечения надежной работы энергосистем и предотвращения повреждений оборудования при к.з. необходимо быстро отключать поврежденный участок, что достигается применением устройств релейной защиты с минимальными выдержками времени и быстродействующих отключающих аппаратов (выключателей). Немаловажную роль играют устройства АРВ и быстродействующей форсировки возбуждения (УБФ) синхронных генераторов, которые увеличивают ток возбуждения синхронных генераторов при коротких замыканиях, благодаря чему меньше понижается напряжение в различных звеньях сети, а после отключения к.з. напряжение быстрее восстанавливается до нормального.
К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относятся: выбор рациональной схемы сети, правильный выбор аппаратов по условиям к.з., применение токоограничивающих устройств и т.п. Для осуществления указанных мероприятий необходимо уметь определять токи к.з. и учитывать характер их изменения во времени. Все электрические аппараты и токоведущие части электрических станций и подстанций должны быть выбраны таким образом, чтобы исключалось их разрушение при прохождении по ним наибольших возможных токов к.з., в связи с чем возникает необходимость расчета этих величин. В [2, 4, 6] рассматриваются методы определения токов к.з., необходимых для выбора основной аппаратуры электрических станций и подстанций с численными примерами.