3 Короткое замыкание в электроустановках. Метод расчётов токов кз

Короткими замыканиями (КЗ) называют замыкания между фазами (фазными проводниками электроустановки), замыкания фаз на землю (нулевой провод) в сетях с глухо- и эффективно-заземленными нейтралями, а также витковые замыкания в электрических машинах.

Короткие замыкания возникают при нарушении изоляции электрических цепей. Причины таких нарушений различны: старение и вследствие этого пробой изоляции, набросы на провода линий электропередачи, обрывы проводов с падением на землю, механические повреждения изоляции кабельных линий при земляных работах, удары молнии в линии электропередачи и др.

Чаще всего КЗ происходят через переходное сопротивление, например через сопротивление электрической дуги, возникающей в месте повреждения изоляции. Иногда возникают металлические КЗ без переходного сопротивления Для упрощения анализа в большинстве случаев при расчете токов КЗ рассматривают металлическое КЗ без учета переходных сопротивлений.

В трехфазных электроустановках возникают трех- и двухфазные КЗ. Кроме того, в трехфазных сетях с глухо- и эффективно-заземленными нейтралями дополнительно могут возникать также одно- и двухфазные КЗ на землю (замыкание двух фаз между собой с одновременным соединением их с землей).

При трехфазном КЗ все фазы электрической сети оказываются в одинаковых условиях, поэтому его называют симметричным. При других видах КЗ фазы сети находятся в разных условиях, в связи с чем векторные диаграммы токов и напряжений искажены. Такие КЗ называют несимметричными.

Вероятность возникновения того или иного вида КЗ характеризуется данными, приведенными в табл.1, где указаны значения для разных уровней напряжения электроустановки, конструкций линий электропередачи, климатических и других факторов.

Вид связи нейтралей с землей определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры,токов кз и т.д.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разде­ляют на четыре группы: 1) сети с незаземленными нейтралями; 2) сети с резонансно-заземленными нейтралями; 3) сети с эффектив­но-заземленными нейтралями; 4) сети с глухозаземленными ней­тралями.

К первой и второй группам относятся сети напряжением 3—35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов в которых изолированы от земли или заземлены через дугогасящие катушки.

К 3-ей группе относятся сети напряжением 110-220 кВ, работающие, как пра­вило, с глухозаземленной нейтралью.

К четвертой группе относятся сети напряжением 220 и 380 В.

Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями). Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замы­кания на землю (это сети с глухо- и эффективно-заземленными нейтралями).

а) Трехфазные сети с незаземленными нейтралями

В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емко­стями, сосредоточенными в середине линий (рис. 1-11). Междуфаз­ные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли (U_А, Ub, U_с) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли 1_Соа, Icob, и Icoc также симметричны и равны между собой (рис. 1-11, а). Емкостный ток фазы I_Со = U_фwС, где С — емкость фазы относительно земли

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает не­скольких ампер и практически не влияет на загрузку генераторов.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают в корень из 3 раз и становятся равными междуфазному напряжению.

Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увели­чиваются в соответствии с увеличением напряжения в корень из3 раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта емкость оказывается закороченной.

Для тока в месте повреждения можно записать:

1с = — {1св + 1сс),

т. е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежден­ных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток Iс оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:

I_с = 3I_Со =3 U_фwС,

Согласно выражению ток I_с зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли. Последняя зависит в ос­новном от конструкции линий сети и их протяженности.

В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз — больше фазного, но меньше линейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.

Допустимая длительность работы с заземлен­ной фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч.

Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и вызвать двух- или трехфазное к.з.

10 15—20 35 20 15 10

Напряжение сети, кВ -. 3—6

Емкостный ток замыкания на землю, А 30

б) Трехфазные сети с резонансно-заземленными нейтралями

В сетях 3—35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм применяется зазем­ление нейтралей через дугогасящие катушки.

В нормальном режиме работы ток через катушку практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной из фаз дугогасящая катушка оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I_с также индуктивный ток катушки IL. Так как индук­тивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в ме­сте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если 1с = IL (резонанс), через место замыкания на землю ток проте­кать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не воз­никает и устраняются связанные с нею опасные последствия.

Суммарная мощность дугогасящих катушек для сетей опреде­ляется из выражения

Q= nIcUф

где n — коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять п = 1,25; I_с — полный ток замыкания на землю, А; U_ф — фазное напряжение сети, кВ.

По рассчитанному значению Q в каталоге подбираются катушки требуемой номинальной мощности.При 1_С>50 А к установке принимают две дугогасящие катушки с суммарной мощностью.Реакторы бывают 2-ух типов: РЗДСОМ и РЗДПОМ. Дугогасящие катушки должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не ме­нее чем тремя линиями. При компенсации сетей генераторного напряжения катушки располагают обычно вблизи генераторов.

в) Трехфазные сети с глухо- и эффективно-заземленными нейтралями

Глухое заземление нейтрали применяется в сетях 220 и 380 В. При этом все нейтрали источников питания соединяются

с землей.

В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа зазем­ления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Здесь при­меняется эффективное заземление нейтралей, при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления ней­тралей.

Сети напряжением 110 кВ и выше работают,как правило, с глухозаземленной нейтралью.

Однако рассматриваемые режимы нейтрали имеют и ряд недо­статков. Так, при замыкании одной из фаз на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с ма­лым сопротивлением, к которому приложена э. д. с. фазы. Возникает режим к. з., сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное про­текание больших токов недопустимо, поэтому к. з. быстро отклю­чаются релейной защитой. Правда, значительная часть однофазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относится к самоустраняющимся, т. е. исчезающим после снятия напряжения. В таких случаях эффективны устройства автомати­ческого повторного включения (АПВ), которые, действуя после

работы устройств релейной защиты, восстанавливают питание потребите­лей за минимальное время.

Второй недостаток — значитель­ное удорожание выполняемого в рас­пределительных устройствах контура заземления, который должен отвести на землю большие токи к. з. и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооруже­ние.

Рис. 1-16. Трехфазная сеть с эффективно-заземленной нейт­ралью.

Третий недостаток—значительный ток однофазного к. з., который при большом количестве заземленных ней­тралей, а также в сетях с автотранс­форматорами может превышать токи трехфазных к. з. Для умень­шения токов однофазного к. з. применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в се­тях 110—220 кВ). Возможно применение для тех же целей токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали транс­форматоров.