Лекция 4. Короткие замыкания в энергосистемах

Основные сведения о коротких замыканиях. Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием, как по виду, так и по характеру повреждения. Короткие замыкания (КЗ) возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала (включения под напряжение заземленного оборудования, отключения разъединителей под нагрузкой) и других причин. В большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, термическое действие которой приводит к разрушениям токоведущих частей, изоляторов и электрических аппаратов. Одновременно в сети, электрически связанной с местом повреждения, происходит глубокое понижение напряжения, что может привести к остановке электродвигателей и нарушению параллельной работы генераторов. Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственные (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми. Основные виды КЗ показаны на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Основные виды коротких замыканий:

а – трехфазное; б – двухфазное; в – двухфазное на землю; г – однофазное

Междуфазные КЗ — двухфазные и трехфазные — возникают в сетях как с заземленной, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью. Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия изоляции испражнениями птиц, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др. Трехфазное короткое замыкание. Симметричное трехфазное КЗ — наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения всех фаз равны по значению как в месте КЗ, так и в любой другой точке сети:

Векторная диаграмма токов и напряжений при трехфазном КЗ приведена на рисунке 4.2. Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток КЗ, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол (φ_н), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыкания:

Для линий 110 кВ этот угол равен 60—78°; 220 кВ (один провод в фазе) — 73—82°; 330 кВ (два провода в фазе) — 80—85°; 500 кВ (три провода в фазе) — 84—87°; 750 кВ (четыре провода в фазе) — 86—88° (большие значения угла соответствуют большим сечениям проводов). Напряжение в месте КЗ равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено, как показано на рисунке 4.2,б. Так как все фазные и междуфазные напряжения в точке трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, их уровни незначительны. Рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы с точки зрения устойчивости параллельной работы электростанций и узлов нагрузки.

Рисунок 4.2 - Трехфазное КЗ;

а – расчетная схема; б – диаграмма токов и напряжений в месте КЗ; в – векторная диаграмма для определения напряжений в промежуточных точках сети.

Двухфазное короткое замыкание. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного КЗ между фазами В и С (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Двухфазное КЗ между фазами В и С.

а – векторная диаграмма токов и напряжений; б – схема сети

В поврежденных фазах и месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток КЗ отсутствует

Междуфазное напряжение (U_bc) в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения

Так же как и при трехфазном КЗ токи, проходящие в поврежденных фазах, отстают от создающей их ЭДС (в данном случае от ЭДС E_bc или параллельного ему вектора U_bc) на угол φ_k, определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи. Соответствующие векторные диаграммы для места КЗ построены на рисунке 4.3,а. По мере удаления от места КЗ фазные напряжения U_B, U_с и междуфазное напряжение U_ac будут увеличиваться, как показано на рисунке 4.3,а штриховыми линиями для точки п. С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трехфазное КЗ. Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с заземленной нейтралью. Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного КЗ. Токи, проходящие в месте КЗ и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ. В сетях же с заземленной нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем двухфазное КЗ. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте КЗ, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других – до значения фазного напряжения неповрежденной фазы (рисунок 4.4). Соотношения токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения имеют следующий вид:

Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью. Однофазное КЗ может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью. Векторные диаграммы токов и напряжений в месте однофазного КЗ фазы А приведены на рисунке 4.5, а формулы, определяющие соотношения между ними, даны ниже:

Однофазные КЗ, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения только одного фазного напряжения, представляют меньшую опасность для работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

Литература1осн[59-77], 2 осн [30 -39]. Контрольные вопросы: 1.Назовите виды коротких замыканий. 2.Объясните однофазное короткое замыкание на землю. 3.Объясните двухфазное короткое замыкание на землю.

Лекция 5. Ненормальные режимы работы в энергосистемах Однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью. В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3—35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ. При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы (Uа на рисунке 5.1, а) относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз Uв и Uс увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным (Úв⁽¹⁾ и Úс⁽¹⁾ на рисунке 5.1, б)

Рисунок 5.1 - Однофазное замыкание на землю фазы А в сети с малым током замыкания на землю (изолированная нейтраль)

Под действием напряжений Úв и Úc через место повреждения проходит ток I_зА, замыкающийся через емкости неповрежденных фаз В и С. Емкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через нее не проходит. Значение тока в месте замыкания на землю определяется следующим выражением:

где –Х_∑ суммарное сопротивление цепи замыкания на землю. Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь, тогда

,

где: f – частота сети, равная 50 Гц;

C – емкость одной фазы сети относительно земли.

Поскольку при замыкании фазы А на землю напряжения фаз В и С относительно земли равны по значению междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60°, то

В результате

Емкость сети в основном определяется длиной присоединенных линий, в то время как емкости относительно земли обмоток генераторов и трансформаторов сравнительно невелики. Для расчета емкостного тока (А/км), проходящего при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, можно воспользоваться следующими выражениями, определяющими ток на 1 км кабельной линии:

для линии 6 кВ

для линии 10 кВ ,

где S– сечение кабеля, мм²; Uном– номинальное междуфазное напряжение кабеля, кВ. Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения емкостных токов: 6 кВ — 0,015 А/км; 10 кВ — 0,025 А/км; 35 кВ — 0,1 А/км. Для сетей с изолированной нейтралью считается допустимой работа при емкостных токах замыкания на землю не превосходящих величины 20А,15А, 10А соответственно для сети 6кВ, 10кВ, 35кВ. Для линий с железобетонными опорами независимо от уровня напряжения ток замыкания на землю должен быть не более 10А. Это требуется для предотвращения повреждения железной арматуры опоры длительно протекающим током замыкания на землю. Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства — дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшого остаточного значения. Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшие значения, а все междуфазные напряжения остаются неизменными (рисунок 5.1), однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал. Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок. Пробой изоляции другой фазы может произойти в другом месте данной линии, или вообще на другой линии или шинах. Такое замыкание называется двойным замыканием на землю. Это короткое замыкание, ток проходит часть пути через места замыкания и через землю. В данном случае в принципе достаточно отключить только одно место замыкания на землю, после чего в сети останется другое. При заземлении нейтрали через активное сопротивление (чаще всего это резисторы общим сопротивлением 100 Ом), в месте КЗ протекает активный ток, величина которого определяется практически только сопротивлением этого резистора:

Для сети 10кВ этот ток равняется примерно 60 А, для сети 6 кВ – 36 А. Такое замыкание необходимо отключать для предотвращения развития повреждения. В сетях с изолированной нейтралью, питающих торфопредприятия и передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала, защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение. В настоящее время рассматривается вопрос об отключении замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью на линиях, проходящих в населенной местности, так как приближение к оборванному проводу может быть опасно для людей. Другие ненормальные режимы оборудования. Перегрузка оборудования, вызванная увеличением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток I, проходящий по оборудованию, превышает номинальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной теплоты температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что приводит к ускоренному старению изоляции и токоведущих частей. Время tд, допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их значения. Характер этой зависимости, определяемой конструкцией оборудования и типом изоляционных материалов, приведен на рисунке 5.2. Величина выделяемого тепла определяется квадратом тока, и поэтому нагрев резко растет с увеличением кратности тока. Причиной сверхтока может быть увеличение нагрузки или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для предупреждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению в пределах времени t_д.

Рисунок 5.2 - Зависимость допустимой длительности перегрузки от значения тока t_д = f(I) (I ном – номинальный ток оборудования).

Повышение напряжения. Обычно возникает на трансформаторах, генераторах и линиях высокого напряжения и может быть передано в распределительные сети. В распределительных сетях появляются дополнительные причины для повышения напряжения: неправильная работа РПН, влияние емкостной компенсации при внезапном сбросе нагрузки. В ряде случаев, величина такого напряжения может оказаться опасной для оборудования: электронных устройств, бытовых приборов, двигателей и трансформаторов. Например, для ламп накаливания повышение напряжения на 5% свыше номинального сокращает срок их службы в два раза. Действующими нормами защита от таких режимов требуется для устройств емкостной компенсации (БСК). Понижение напряжения. Оно особенно опасно для электродвигателей, которые для поддержания необходимой величины момента, увеличивают потребление тока, что приводит к их токовой перегрузке и выходу из строя. При понижении напряжения резко уменьшается светоотдача ламп накаливания. Защита от понижения напряжения обычно применяется в сетях промышленного назначения, питающих электродвигатели, в особенности синхронные, а также в сетях собственных нужд электростанций. Режим работы двумя фазами. Он происходит при обрыве фазы в питающей сети. Двигатели при этом могут остаться в работе, если момента развиваемого двигателями достаточно или остановиться. В обоих случаях ток резко растет, что приводит к перегрузке двигателя и выходу его из строя. Поэтому очень часто двигатели снабжаются специальной защитой от работы двумя фазами (обрыва фазы). Для предотвращения возникшей перегрузки может быть использована и защита от перегрузки, действующая на отключение, эта защита должна быть установлена хотя бы в двух фазах, чтобы защита не оказалась подключенной к оборванной фазе.

Литература1осн [77-89,101-107], 2 осн [39-41].

Контрольные вопросы: 1.Поясните однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю. 2.Что такое перегрузка оборудования? 3.Объясните повышение и понижение напряжения.