Короткие замыкания в трехфазных цепях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородское высшее военно-инженерное командное училище

Кафедра электроснабжения

Лекция

Короткие замыкания в трехфазных цепях

Кстово - 2008

Введение

замыкание электрический ток

Учебные и воспитательные цели:

получить общие сведения о коротких замыканиях в электрических цепях;

знать назначение расчетов токов КЗ и основные виды коротких замыканий; причины и вероятность их возникновения; последствия коротких замыканий; выбор расчетных условий короткого замыкания;

акцентируя внимание на значимости расчетов токов КЗ, воспитывать заинтересованность курсантов в добросовестном изучении материала дисциплины.

На предыдущей лекции рассмотрены основные понятия и определения, характеризующие переходные процессы в электроэнергетических системах. Напомнить некоторые из них:

Что такое переходный процесс в ЭЭС?

Какие стадии можно выделить в переходном процессе?

Какая основная задача решается при анализе электромагнитного переходного процесса?

Наиболее частой причиной возникновения аварийных переходных процессов являются короткие замыкания (КЗ).

Короткое замыкание - всякое не предусмотренное нормальными условиями работы замыкание между фазами, а в системах с глухозаземленными нейтралями или четырехпроводных системах - также замыкания одной или нескольких фаз на землю или нулевой привод.

Токи короткого замыкания обычно превышают во много раз нормальные нагрузочные токи, достигая в мощных энергосистемах весьма значительных величин в десятки и даже сотни тысяч ампер. Достаточно указать, что максимальное мгновенное значение тока при коротком замыкании на выводах генераторов может достигать 15 кратной амплитуды его номинального тока.

Для того, чтобы квалифицированно решать задачи проектирования и эксплуатации ЭЭС при подобных ненормальных режимах инженеру-специалисту по электроснабжению необходимо знать основные виды коротких замыканий, причины и вероятность их возникновения, последствия коротких замыканий, расчетные условия и назначение расчетов токов КЗ. Эти вопросы являются предметом изучения настоящей лекции.

1. Основные понятия и определения. Классификация коротких замыканий

Из всего разнообразия электромагнитных переходных процессов в электрической системе наиболее распространенными являются:

включение и отключение приемников электрической энергии;

пуск и самозапуск электродвигателей;

короткие замыкания в элементах системы;

повторные включения и отключения короткозамкнутой цепи;

возникновение местной несимметрии;

несинхронное включение синхронных машин.

Однако нарушения нормальной работы электрических систем вызываются преимущественно короткими замыканиями. При этом используются следующие термины и определения.

Замыкание - всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землей.

Короткое замыкание - замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Чтобы облегчить задачу исследования электромагнитных переходных процессов, связанных с КЗ, последние принято классифицировать по виду, характеру и другим признакам.

В трехфазных системах возможны следующие основные виды коротких замыканий (см. рисунок 1).

Возможны также одновременные КЗ в различных точках сети, представляющие собой разнообразные сочетания из указанных выше основных видов КЗ (Например, двойное короткое замыкание на землю К⁽¹⁺¹⁾ - совокупность двух однофазных коротких замыкание на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки и др.).

	1. Трехфазное короткое замыкание К(3) - КЗ между тремя фазами в трехфазной ЭЭС (рис. 1,а). 2. Двухфазное короткое замыкание К(2) - КЗ между двумя фазами в трехфазной ЭЭС (рис. 1,б). 3. Однофазное короткое замыкание К(1) - КЗ на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза (рис. 1,в). 4. Двухфазное короткое замыкание на землю К(1,1) - КЗ на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо- или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы (рис. 1,г).

Рисунок 1. Виды коротких замыканий

В системах с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю не является КЗ и называется замыканием на землю З⁽¹⁾ или простым замыканием. В дальнейшем ограничимся рассмотрением лишь основных видов короткого замыкания.

В местах КЗ часто образуется электрическая дуга, сопротивление которой имеет нелинейный характер. Учет влияния дуги на ток КЗ представляет собой сложную задачу.

Кроме сопротивления дуги в месте КЗ возникает переходное сопротивление, вызываемое загрязнением, наличием остатков изоляции, гари и пр. В случае, когда переходное сопротивление и сопротивлении дуги малы, ими пренебрегают. Такое замыкание называют металлическим. Расчет максимально возможных токов проводят для металлического КЗ.

В трехфазных системах все КЗ обычно делят на симметричные и несимметричные. При симметричном КЗ все фазы электроустановки находятся в одинаковых условиях, а при несимметричном КЗ одна из фаз находится в условиях, отличных от условий для двух других фаз (такую фазу называют особой). К симметричным относится трехфазное КЗ (обозначается К⁽³⁾), а к несимметричным относятся однофазное, двухфазное КЗ и двухфазное КЗ на землю.

Короткие замыкания могут быть и видоизменяющимися, т.е. переходящими из одного вида в другой, а также устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивыми называются КЗ, условия возникновения которых сохраняются во время бестоковой паузы коммутационного электрического аппарата (выключателя), т.е. кратковременного отключения электрического аппарата с целью устранить причину КЗ с помощью временного обесточивания поврежденного элемента. Неустойчивыми называются КЗ, условия возникновения которых самоликвидируются во время бестоковой паузы. К ним относятся, например, КЗ, вызванные перекрытием фаз воздушных линий электропередачи в результате грозовых перенапряжений.

В количественном отношении К3 в сетях, по усредненным данным согласно [4], распределяются по видам следующим образом:

К^(З) = 5 %; К^{( 2 )} = 10 %; К⁽¹⁾ = 65 %; K^(1,1) и K⁽¹⁺¹⁾ = 20 %.

Однако статистические исследования, проведенные в последние годы, показали, что относительная частота различных видов К3 существенно зависит и от напряжения сети (таблица 1) [1].

Как видно из этих данных, преобладающее большинство коротких замыканий является однофазным. Хотя трехфазное КЗ возникает относительно редко, тем не менее, не считаться с ним нельзя, так как в ряде случаев этот вид КЗ является расчетным для решения многих практических задач.

Изучение трехфазного короткого замыкания особенно важно в связи с тем, что применение метода симметричных составляющих позволяет определить величины токов и напряжений прямой последовательности любого несимметричного КЗ.

Таблица 1

Вид и условное обозначение К(n) короткого замыкания	Относительная частота коротких замыканий (%) в сетях напряжением, кВ
	До1	6-20	35	110	220	330	500	750
Трехфазные - К(3)	29	9-11	8	4	2	1	1	1
Двухфазные -К(2)		17-19	18	5	3	4	2	1
Однофазные -К(1)	71	60-61	67	83	88	91	95-96	97
Двухфазные на землю - К(1,1)		11-12	7	8	7	4	1-2	1

Назначение расчетов токов коротких замыканий

Расчет токов короткого замыкания требуется для правильного разрешения ряда практических задач, возникающих при проектировании и эксплуатации электрических установок и СЭС. К числу этих задач относятся:

выбор электрических аппаратов, проводников и проверка их по условиям работы при коротких замыканиях;

выявление условий работы потребителей при аварийных режимах;

проектирование и настройка устройств релейной защиты и автоматики (РЗА);

выбор средств ограничения токов короткого замыкания;

проектирование заземляющих устройств: определение числа заземленных нейтралей трансформаторов и расположение их в системе;

определение влияния ЛЭП на линии связи;

анализ аварий в электрических системах;

подготовка к проведению различных испытаний в ЭЭС и др.

Точное вычисление токов короткого замыкания представляет значительные трудности. Для упрощения расчетов применят ряд допущений. При этом погрешность не должна превышать 5-10%. Наибольшие требования в отношении точности расчетов ставит релейная защита. В остальных случаях представляется возможным ограничиться приближенным способом вычислений.

Выводы:

При коротких замыканиях в элементах ЭЭС (электроустановках) токи в ветвях, прилегающих к месту КЗ, резко возрастают, превышая наибольшие допустимые токи продолжительного режима.

Основными видами КЗ, используемые при решении проектных и эксплуатационных задач, являются трехфазное, двухфазное и однофазное КЗ. Наиболее вероятным является однофазное КЗ.

Расчет максимально возможных токов проводится для металлических КЗ.

2. Причины возникновения и последствия коротких замыканий

Причины возникновения аварийных переходных процессов весьма разнообразны, но в большинстве случаев они являются результатом своевременно необнаруженных и не устраненных дефектов электрооборудования, допущенных ошибок при проектировании, а также неудовлетворительного монтажа и (иди) эксплуатации электроустановок.

Короткие замыкания являются результатом нарушения фазной или (и) линейной изоляции токоведущих частей электрооборудования, которое в основном вызывается:

старением изоляционных материалов электротехнических устройств, своевременно не выявленным путем профилактических испытаний изоляции электрооборудования повышенным напряжением;

загрязнением поверхности изоляторов;

недостаточно тщательным уходом за оборудованием (в практике эксплуатации наблюдались случаи повреждения ограждений и крыш закрытых распределительных устройств, а также перекрытия изоляции животными и птицами);

механическими повреждениями, имеющими место во время раскопок траншей, набросов посторонних предметов на токоведущие части, при падении опор линий электропередачи;

перенапряжениями в электроустановках (особенно в сетях с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями), если, их величина превосходит испытательное напряжение изоляции;

прямыми ударами молнии.

К коротким замыканиям могут приводить ошибочные действия эксплуатационного персонала при невыполнении им правил технической эксплуатации и должностных инструкций.

Сейчас еще применяются «упрощенные» схемы электрических соединений понижающих подстанций, которые были спроектированы и построены в 60-70-х годах XX века. Наличие короткозамыкателей в таких схемах и действие их создают преднамеренные короткие замыкания с целью быстрых отключений возникающих повреждений.

Уменьшение количества коротких замыканий в электрических системах вязано со строгим соблюдением правил технической эксплуатации электроустановок и повышением качества продукции электротехнической промышленности.

Наиболее опасные последствия коротких замыканий проявляются обычно в элементах системы вблизи шин станций (генераторов). В результате этого может возникнуть системная авария, приводящая к нарушению устойчивости системы и значительному технико-экономическому ущербу. Если КЗ появилось на большой электрической удаленности от источника питания, то увеличение тока воспринимается генераторами как некоторое повышение нагрузки, а сильное снижение напряжения происходит только вблизи места короткого замыкания.

Последствиями коротких замыканий являются:

1. Недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и его термическое повреждение из-за значительного увеличения токов (в 10 - 15 раз и более). Под термическим действием тока короткого замыкания понимается его тепловое действие, вызывающее изменение температуры элементов электроустановки. Характеристикой теплового действия тока короткого замыкания на рассматриваемый элемент электроустановки является интеграл Джоуля - условная величина, численно равная

где - ток короткого замыкания; t_откл - момент отключения тока КЗ.

Ток термической стойкости электрического аппарата при КЗ - нормированный ток, термическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании в течение нормированного времени.

2. Нарушение термической стойкости может привести к увеличению пожарной опасности и возгораниям в электроустановках вследствие перегрева токоведущих частей, воспламенения горючих изоляционных материалов, самовоспламенения взрывоопасной среды. В электроустановках, находящихся в условиях взрывоопасной внешней среды, резкое увеличение тока при коротких замыканиях может нарушить взрывонепроницаемость электрооборудования за счет коробления его оболочек. Увеличение пожароопасности могут вызвать электрические искры и дуги, также обладающие воспламеняющей способностью.

3. Появление больших усилий между токоведущими частями, особенно в начальной стадии процесса КЗ, которые могут привести к их механическому повреждению и разрушению. В этом проявляется электродинамическое действие тока КЗ - механическое действие электродинамических сил, обусловленных током короткого замыкания, на элементы электроустановки. Ток электродинамической стойкости электрического аппарата при КЗ - нормированный ток, электродинамическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.

4. Снижение напряжения и искажение его симметрии, что отрицательно сказывается на работе потребителей. Момент вращения асинхронных электродвигателей пропорционален квадрату подведенного напряжения М_д? U². Поэтому даже при сравнительно небольшом снижении напряжения момент двигателя может оказаться недостаточным для вращения механизма. При незначительных снижениях напряжения угловая скорость вращения ротора двигателей уменьшается, а это приводит к уменьшению производительности и увеличению потребляемого ими тока. При понижении напряжения на 30-40% в течение 1с и более останавливаются достаточно загруженные электродвигатели, в результате чего нарушается технологический процесс промышленных предприятий и возникает экономический ущерб. Оставаясь включенными в сеть, остановившиеся двигатели могут вызвать дальнейшее снижение напряжения сети, то есть полное нарушение электроснабжения не только данного предприятия, но и за его пределами.

5. При замыканиях на землю возникают неуравновешенные системы токов. Они способны создавать магнитные потоки, которые достаточны, чтобы в соседних линиях сигнализации и связи навести ЭДС, величины которых могут быть опасны для обслуживающего персонала и аппаратуры этих линий.

6. При задержке отключений КЗ сверх допустимой продолжительности может произойти нарушение устойчивости электрической системы, что является одним из наиболее опасных последствий КЗ, так как оно отражается уже на работе всей системы.

Выводы:

Основной причиной коротких замыканий является нарушения фазной или (и) линейной изоляции токоведущих частей электрооборудования из-за её старения, загрязнения или механического повреждения, а также перенапряжений в сети и прямых ударов молний.

Наиболее тяжелыми последствиями КЗ являются:

- системные аварии, связанные с нарушением устойчивости системы;

- термическое и электродинамическое повреждение электрооборудования;

- ухудшение условий работы потребителей из-за резкого снижения напряжения и искажения симметрии в узлах нагрузки;

- создание опасных электромагнитных помех в линиях связи и сигнализации.

3. Расчетные условия коротких замыканий

Расчетные условия КЗ - это наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия КЗ. Они формируются на основе опыта эксплуатации установок, анализа отказов электрооборудования, последствий КЗ и условий функционирования электроэнергетической системы. Расчетные условия КЗ определяются индивидуально для каждого элемента электрической сети (электроустановки) - электрических аппаратов, ЛЭП, кабелей, шин РУ.

Утяжеление расчетных условий может привести к неоправданным дополнительным затратам, если возникновение таких ситуаций маловероятно. Выбор легких расчетных условий может привести к нарушению электроснабжения потребителей.

В соответствии с ПУЭ допускается не проверять по режиму КЗ некоторые проводники и электрические аппараты, защищенные плавкими предохранителями, а также проводники и аппараты в цепях маломощных, неответственных потребителей, имеющих резервирование в электрической или технологической частях. При этом должны быть исключены возможности взрыва или пожара в электроустановках.

Расчетные условия КЗ включают в себя расчетную схему электроустановки, расчетный вид КЗ, расчетную точку КЗ, расчетную продолжительность КЗ.

Расчетная схема - упрощенная однолинейная схема электроустановки, используемая при расчете токов КЗ. Как правило, она включает в себя все элементы электроустановки и примыкающей к ней части энергосистемы исходя из условий, предусмотренных продолжительной работой электроустановки с перспективой не менее чем пять лет после ввода ее в эксплуатацию.

Расчетным видом короткого замыкания является:

а) трехфазное КЗ:

- при проверке электрических аппаратов и жестких проводников (вместе с поддерживающими и опорными конструкциями) на электродинамическую стойкость;

- при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость;

б) двухфазное КЗ:

- при проверке гибких проводников на электродинамическую стойкость (тяжение, опасное сближение и схлестывание проводников);

- при проверке на термическую стойкость проводников и аппаратов в цепях генераторного напряжения электростанций, если оно обусловливает больший нагрев проводников и аппаратов, чем при трехфазном КЗ.

При проверке электрических аппаратов на коммутационную способность расчетным видом КЗ может быть трехфазное или однофазное КЗ в зависимости от того, при каком виде КЗ ток КЗ имеет наибольшее значение.

Двойные КЗ на землю в общем случае допускается не учитывать.

Расчетная точка КЗ - точка, находящаяся непосредственно с одной или с другой стороны от рассматриваемого элемента электроустановки в зависимости от того, когда для него создаются наиболее тяжелые условия в режиме КЗ.

При выборе и проверке выключателей нереактированных линий 6-35 кВ, отходящих от сборных шин распределительных устройств, расчетная точка выбирается за выключателем, считая от сборных шин.

В закрытых распределительных устройствах проводники и электрические аппараты, расположенные на реактированных линиях до реактора, проверяются исходя из того, что расчетная точка КЗ находится за реактором, если они отделены от сборных шин разделяющими полками, а реактор находится в том же здании и все соединения от реактора до сборных шин выполнены шинами.

При проверке кабелей на термическую стойкость расчетной точкой КЗ является:

* точка КЗ в начале кабеля (для одиночных кабелей одной строительной длины);

* точка КЗ в начале каждого участка нового сечения (для одиночных кабелей со ступенчатым сечением по длине);

* точка КЗ в начале каждого кабеля (для двух и более параллельно включенных кабелей одной кабельной линии).

Отступления от этих требований должны быть обоснованы.

Расчетная продолжительность короткого замыкания.

При проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость (и электрических аппаратов на коммутационную способность) в качестве расчетной продолжительности КЗ следует принимать минимально возможное время воздействия тока КЗ, определяемое путем сложения времени действия основной токовой защиты (с учетом действия автоматического повторного включения) t_РЗА, установленной у ближайшего к месту КЗ выключателя, и полного времени отключения этого выключателя t_{В. ОТКЛ}

t_расч.К = t_РЗА + t_{В. ОТКЛ} .

При наличии зоны нечувствительности у основной защиты расчетную продолжительность КЗ следует определять путем сложения времени действия защиты, реагирующей на КЗ в указанной зоне, и полного времени отключения выключателя присоединения.

При проверке кабелей на невозгораемость при КЗ в качестве расчетной продолжительности КЗ следует принимать сумму времени действия резервной защиты и полного времени отключения выключателя присоединения.

Выводы:

Расчетные условия КЗ - это наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия КЗ. Они включают в себя расчетную схему электроустановки, расчетный вид КЗ, расчетную точку КЗ, расчетную продолжительность КЗ.

Основными расчетными видами КЗ при проверке электрических аппаратов и проводников на электродинамическую и термическую стойкость являются трехфазное и двухфазное КЗ, а электрических аппаратов на коммутационную способность - трехфазное и однофазное КЗ.

Расчетная продолжительность короткого замыкания - минимально возможное время воздействия тока КЗ, определяемое временем действия основной токовой защиты (с учетом действия автоматического повторного включения) t_РЗА и полного времени отключения выключателя t_{В. ОТКЛ}.

Заключение

В лекции рассмотрены основные понятия, термины и определения, характеризующие короткие замыкания в трехфазной электрической сети.

Короткие замыкания принято классифицировать по виду, характеру и другим признакам. Основными видами КЗ в трехфазной сети являются трехфазные, двухфазные и однофазные КЗ. Они же являются расчетными при выборе электрических аппаратов и проводников и проверке их по условиям токов КЗ. Наиболее вероятным является однофазное КЗ.

Основной причиной коротких замыканий является нарушения фазной или (и) линейной изоляции токоведущих частей электрооборудования из-за её старения, загрязнения или механического повреждения, а также перенапряжений в сети и прямых ударов молний.

Наиболее тяжелыми последствиями КЗ являются системные аварии, связанные с нарушением устойчивости системы; термическое и электродинамическое повреждение электрооборудования при протекании токов КЗ; ухудшение условий работы потребителей из-за резкого снижения напряжения и искажения симметрии в узлах нагрузки, примыкающих к точке КЗ.

Вопросы для контроля пройденного материала:

Что называется замыканием, коротким замыканием?

Назовите основные виды КЗ.

Какова вероятность возникновения отдельных видов КЗ?

Почему основное внимание уделяется трехфазным КЗ?

Каковы причины коротких замыканий?

Каковы наиболее тяжелые последствия коротких замыканий?

Почему при КЗ увеличивается пожарная опасность объектов?

Что включают в себя расчетные условия КЗ?

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал лекции по конспекту.

2. То же по рекомендованной литературе: [2], с.47-49, [1], с. 10-13, [3], с.9-10, 16-19.

Литература

1. Папков Б.В. Токи короткого замыкания в электрических системах: Учеб. пособие. - Н. Новгород: НГТУ, 2005. - С. 18-35.

2. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах: Учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - С. 10-13.

3. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев, В.А. Старшинов и др.; Под ред. И.П. Крючкова и В.А. Старшинова. - М.: Изд. центр «Академия», 2005. - С. 15-19.

4. Грищенко-Меленевский А.А. Электрическая часть военных станций и подстанций. Часть I. Электрооборудование первичных цепей. - М., ВИА, 1977. - С. 47-49.

5. Крючков И.П. Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах: Учебное пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2000. С. 5-8.

Размещено на Allbest.ru