Короткие замыкания в электрических сетях

2.1.Виды повреждений оборудования

и линий электропередачи.

Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждений. В электрических сетях имеет место наибольшее количество повреждений по сравнению с другими элементами электрической системы. Основные виды повреждений линий в трехфазных сетях:

1. Трехфазные замыкания:

- замыкания между тремя фазами;

- замыкания между тремя фазами на землю.

2. Двухфазные замыкания:

- замыкания между двумя фазами;

- замыкания между двумя фазами на землю.

3. Двойные замыкания на землю.

4. Однофазные замыкания на землю.

5. Обрыв фазы.

Возможны и более сложные виды повреждений, представляющие сочетание некоторых из перечисленных. Так, например, при обрыве провода линии один его конец, расположенный близко к изолятору, может остаться изолированным, а другой, упав на землю, образует однофазные замыкания на землю. В процессе развития повреждения возможны переходы одного вида повреждения в другой (однофазных в многофазные).

Причинами повреждений линий являются:

- перекрытия или пробои изоляторов линий в результате прямых ударов молний или перенапряжений;

- неправильные действия эксплуатационного персонала (включение на заземления, разрыв разъединителем рабочего тока ВЛ);

- гололед и вибрация проводов;

- перекрытие изоляции при загрязнении;

- нарушение изоляции животными или птицами;

- замыкания проводов стрелами кранов и т.п.;

- механические повреждения опор, изоляторов, разъединителей и т.п.

В количественном отношении повреждений (к.з.) в сетях распределяются следующим образом:

1-но ф.к.з. – 65%;

2-х ф.к.з. и двойные к.з. на землю – 20%;

замыкания между двумя фазами – 10%;

3-х ф.к.з. – 5%.

2.2. Понятие о симметричных составляющих.

При однофазных или двухфазных к.з., когда трехфазная система становиться несимметричной, фазы оказываются в разных условиях, что не позволяет выполнить расчет, как это делается при 3-х ф.к.з., только для одной из них. с целью управления расчетов несимметричных режимов в трехфазной системе предложен метод симметричных составляющих. Сущностью этого метода состоит в том, что любая трехфазная несимметричная система векторов токов и напряжений может быть заменена суммой трех симметричных систем:

(2.1)

Затем производится расчет этих трех симметричных систем с учетом уже упоминавшегося нами упрощения, т.е. по расчетным формулам для одной фазы. Таким образом вместо одной схемы используется три, но более простые.

Система прямой последовательности состоит из трех векторов равных по величине и повернутых друг относительно друга на 120⁰. Причем вектор отстает от вектора на 120⁰, а вектор опережает на 120⁰. Используя оператор трехфазной системы можно записать:

В₁=a²А₁;

С₁=aА₁.

Система обратной последовательности состоит из трех векторов равных по величине и повернутых по отношению друг к другу на 120⁰. Причем вектор опережает на 120⁰:

В₂=aА₂;

С₂=a²А₂.

Система нулевой последовательности состоит из трех векторов совпадающими по фазе:

(2.2)

2.3. Трехфазные короткие замыкания.

Симметричное 3-х ф.к.з. –это наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в любой другой точке сети:

I_A=I_B=I_C; U_A=U_B=U_C

Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток походящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол j_к.з., определяемый соотношением активного и реактивного сопротивления цепи к.з.:

Для линий 35 кВ этот угол обычно равен 45⁰, 110кВ – 60⁰, 220кВ – 80⁰. Напряжение в месте к.з. равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено как показано на рис.2.2. Так как все фазные и междуфазные напряжения в месте 3-х ф.к.з. равны нулю, а в точках, удаленных от места к.з. на небольшое расстояние, незначительны по величине, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы.

2.4.Двухфазное короткое замыкание.

При 2-х ф.к.з. токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для 2-х ф.к.з. между фазами В и С. В поврежденных фазах в месте к.з. проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток отсутствует:

I_A=0; I_B=-I_C

Междуфазное напряжение в месте к.з. U_BC=0, а фазные напряжения .

Так же как и при 3-х ф.к.з., токи, проходящие в поврежденных фазах, отстает от создающей их ЭДС (в данном случае вектор E_BC или параллельный ему вектор U_BC) на угол j_к.з. определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи. По мере удаления от мета к.з. фазные напряжения U_B, U_С и междуфазное напряжение U_BC будут увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем 3-х ф.к.з.

2.5.Двухфазное короткое замыкание на землю

в сети с заземленной нейтралью.

Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от 2-х ф.к.з.. Отличие состоит лишь в том, что поврежденные фазы, например В и С, в точке К принужденно приобретает потенциал земли а нейтраль системы получает но отношению к земле смещение равное 0,5E_A. Поэтому в сети появляется также слагающие напряжения нулевой последовательности.

2-х ф. замыкания на землю в сетях с большими токами замыкания на землю представляют достаточно сложный вид повреждения, сопровождающийся сильным снижением как фазных, так и междуфазных напряжений поврежденных фаз (в точке к.з. до нуля) и возникновением неуравновешенной системы, характеризуемой наличием слагающих нулевой последовательности напряжений и токов. Соотношение токов и напряжений в месте к.з. для этого вида поврежденья имеют следующий вид:

I_A=0; U_B=U_C=0; U_ВС=0

Степень опасности того или другого повреждения линии характеризуется прежде всего его влиянием на устойчивость системы и непосредственно на работу потребителей. С этой точки зрения многофазные к.з. являются наиболее тяжелыми. В современных электрических системах металлические 3-х ф.к.з. и 2-х ф.к.з. на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью, возникающие в близи шин станций и длящиеся более 0,15-0,3 сек., уже могут нарушать динамическую устойчивость системы. В особо напряженных работающих электропередачах (400кВ, 500кВ) допустимое время отключения к.з. может быть еще меньше порядка 0,1-0,15 сек. Силовая нагрузка потребителей (в особенности синхронные двигатели и асинхронные двигатели с фазным ротором, работающие па привод с постоянным моментом сопротивления) присоединения вблизи места повреждения, при недостаточной быстроте отключения повреждения может быть потеряна. Большие токи к.з. могут вызвать в месте пробоя перегорания провода и разрушения оборудования. Поэтому на линиях устанавливается защита от междуфазных к.з., обеспечивающая достаточно быстрое отключение повреждений. Для 2-х ф.к.з. на землю применяется специальная защита от 1-но ф.к.з. – защита нулевой последовательности.

2.6.Однофазные короткие замыкания

в сети с заземленной нейтралью.

Однофазные к.з. является характерным видом повреждения для сетей с большим током к.з. на землю. Такие сети в Росси (110кВ и выше) работают с глухозаземленной нейтралью. При этом заземляются все или часть нейтралей силовых трансформаторов имеющих соединение Y/D, и обычно все нейтрали автотрансформаторов.

1-но ф.к.з. представляют в целом также тяжелый вид повреждения, хотя и менее опасным с точки зрения устойчивости и сохранения силовой нагрузки, чем многофазные к.з. Поэтому установка быстродействующих защит от этого вида повреждений также необходима. Защита может действовать как на отключение трех, так и на отключение одной фазы.

2.7.Однофазные замыкания на землю

в сетях с малыми токами к.з. на землю.

Сети с малыми токами замыкания на землю работают с нейтралью, изолированной или заземленной через высокоомное сопротивление. В России к ним относятся воздушные и кабельные линии напряжением 3-35кВ, а иногда 110кВ (в северных районах). Высокоомными заземляющими устройствами обычно являются дугогасящие катушки.

Соотношение напряжений в случаях однофазных замыканий на землю при разных режимах заземления нейтралей имеет ряд общих свойств. Фазы сети имеют по отношению к земле примерно одинаковые емкости. Поэтому при нормальной работе фазы линии имеют напряжения относительно земли, равны эквивалентной ЭДС, а нейтраль системы - потенциал земли (нуль).

В случае однофазного металлического замыкания на землю в точке К фаза А получает пе=потенциал земли, т.е. . Падения напряжения в рассматриваемой сети от малых токов повреждения ничтожны. Поэтому во всех точках сети напряжение фазы А также снижается до нуля. Нейтраль системы получает по отношению к земле смещение:

.

Напряжения неповрежденных фаз В и С оказываются теперь равными:

В сети появляется напряжение нулевой последовательности:

Поскольку напряжения во всех точках сети остаются практически неизменными, распределенные емкости фаз могут быть заменены сосредоточенными емкостями того же значения, присоединении к фазам линии. Через место повреждения в землю проходит ток, определяемый напряжением нулевой последовательности U₀ и сопротивлениями фаз системы по отношению к земле, равными при пренебрежении активными проводимостями . При условном направлении токов к месту повреждения, учитывая, что в месте повреждения U₀⁽¹⁾=-Е_ф получаем:

Таким образом, ток I⁽¹⁾_зА опережает ЭДС Е_А на 90⁰.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю искажаются только фазные напряжения. Треугольник междуфазных напряжений остается неизменным. Поэтому к фазам нагрузки продолжают подводиться нормальные напряжения (измеряемые расстоянием от центра тяжести треугольника до его вершин) и бесперебойность работы напряжений не нарушается. Токи в месте пробоя имеют небольшие значения и быстро произвести значительные нарушения (например, пережог междуфазной изоляции в 3-х фазных кабелях) не могут.

Таким образом, однофазные замыкания при правильно поддерживаемом режиме заземления нейтрали непосредственной опасности для потребителей и системы не представляют. Учитывая это обстоятельство возможное отсутствие у потребителей резерва, а также целесообразность уменьшения количества защищаемых устройств в системе защиту от замыканий на землю в рассматриваемых типах сетях выполняют обычно действующей на сигнал. Контроль изоляции осуществляется в сетях 6-10кВ. для создания селективной сигнализации применяется защита, реагирующая на токи повреждения нулевой последовательности (емкости или остаточное), иногда в сочетании с напряжениями нулевой последовательности.

2.8.Короткие замыкания в сетях

с изолированной нейтралью.

В нормальных условиях напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C, которые в свою очередь равны ЭДС источника питания E_A, E_B, E_C поскольку нагрузка отключена. Векторы фазных напряжений образуют симметричную звезду, а их сумма равна нулю в результате чего напряжения в нейтрали Н отсутствует: U_Н=0. Под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли C_А, С_В, С_С проходят токи опережающие соответствующие напряжения на 90⁰:

Токи и напряжения, возникающие при замыканиях на землю.

При металлическом замыкании одной фазы, например фазы А, ее напряжение относительно земли снижается до нуля (U_A=0). Напряжение нейтрали U_Н по отношению к земле становиться равным напряжению между точками Н и К, т.е. равному по величине и обратному знаку ЭДС заземлившейся фазы. Напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного.

Учитывая, что нейтраль Н имеет относительно земли напряжение U_Н, можно выразить напряжения U’_B и U’_С через U_Н:

Поскольку U_A=0, то I_А(С)=0, то в двух других фазах под действием напряжения U_B и U_С появляются токи опережающие их на 90⁰:

Ток I_З в месте повреждения равен геометрической сумме токов в фазах В и С и противоположен им по фазе:

Из диаграммы видно, что:

Таким образом ток в месте замыкания равен утроенному току нормального емкостного тока фазы (I_CФ=U_Ф/Хс). Величина I_З зависит от величины напряжения сети и емкости фаз (Х_С=1/wС) и может быть подсчитана через:

где с_уд – удельная емкость одной фаза на 1 км сети;

l – общая протяженность одной фазы сети.

В следствии нарушения симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие нулевой последовательности:

Пренебрегая сопротивлением проводов, которое значительно меньше Х_С получаем, что во всех точках сети U₀=U_ок. Токи I₀, возникающие под действием U_ок, замыкаются через емкости фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются.

Из распределения токов I₀, следует, что:

Знак минус в выражении учитывает, что за положительное направление токов и напряжений принято направление от источника питания к месту повреждения I_З=3I₀. Токи I₀ и I_З совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения U_ок на 90⁰.

Дата добавления: 2014-01-11