Коротке замикання в електричних установках

Тема: Коротке замикання в електричних установках. 

     Короткі замикання (КЗ) в електричних системах виникають при порушенні ізоляції струмоведучих елементів електричних установок в результаті їх природного старіння (зносу), своєчасно не виявленого шляхом профілактичних робіт, або яких-небудь пошкоджень при експлуатації.

     Механічне пошкодження ізоляції можливі, наприклад, при пошкодженні силових кабелів під час розкопок траншеї, при падінні кріплень або обриві проводів повітряних ліній електропередач.

     Можливі пошкодження ліній електропередач при перенапругах, наприклад, при прямих ударах блискавки в проводи повітряних ліній або відкритих розподільчих пристроїв.

     До  КЗ часто призводять помилкові дії обслуговуючого персоналу в результаті не виконаних правил технічної експлуатації, експлуатаційних інструкцій, правил технічної безпеки.

     КЗ виникають також при перекритті голих струмоведучих частин тваринами і птахами.

     КЗ супроводжується протіканням в електролінії струму КЗ, значно більший між струм нормального режиму роботи пошкодженого елемента системи (генератора, трансформатора, лінії передачі), а також зниженням напруги в електролінії і тим більшим, чим ближче КЗ до збірних шин електроустановки.

     В цілях попередження появи аварії пошкоджений елемент системи повинен автоматично і якомога скоріше бути відключений найближчим до місця пошкодження вимикачем. Якщо при цьому пошкодженні елемент не заміщається резервним, то виключається електропостачання, що живляться від його споживача.

     В сучасних потужних електроустановках  напруга 6-20кВ струму КЗ досягає більше ніж в декілька десятків і навіть сотень тисяч ампер. Електроустаткування, що застосовується, повинне витримувати механічні і теплові дії на стільки великих струмів, повинні бути електродинамічно і термічно стійкими.

     Зниження  напруги в електролініях при КЗ пояснюється тим, що при протіканні струму КЗ, який значно більший струму нормального режиму елементів лінії і має велику індуктивну складову, по-перше, зменшуються розмагнічуюючі дії реакції статора і по-друге,  збільшуються втрати напруги в усіх елементах ланки КЗ.

     Темп спаду напруги визначається часом автоматичного вимкнення місця пошкодження, залежного від часу дії релейного захисту і вимикача.

     Глибоке і тривале зниження напруги в лінії при КЗ може порушити нормальну роботу електроприймачів, що споживаються від нерухомих ланок лінії. Так, як момент обертання електродвигуна залежить від підведеної до його напруги, то при значному пошкодженні напруга в момент обертання двигуна може виявитись не достатньою для обертання механізмів і двигун зупиниться.

     Значне  зниження напруги в останній електролінії системи може призвести до порушення  стійкості нормальної роботи станції, виходу її з синхронності і виключення лінії, з’єднаних станції.  В результаті цього система може розпастися на групи несинхронно працюючих станції. Це в свою чергу може призвести до перевантаження деяких станцій, що призведе до відключення частин споживача. Чим більше зниження напруги при КЗ, час дії релейного захисту і час дії вимикача виключеного пошкодженого ділянки, тим вірогідніше порушення стійкості паралельної роботи станції системи.

     З перерахованого вище випливають наступні основні заходи, що покращують роботу електричної системи при КЗ:

     1) автоматичне швидке вимикання  місця КЗ; 2) автоматична заміна резервним аварійним виключенням елементів системи; 3) використання на генераторах станції автоматичних генераторів збудження, збільшуючих струм збудження генераторів при КЗ, завдяки чому знижується напруга на лінії, а після короткого вимкнення, напруга швидше відновлюється і стає нормальною. У деяких випадках штучно обмежують величину струму КЗ.

     Визначення  струму КЗ необхідне для: 1) вибору електроустаткування;

     2) Вибору засобів обмеження КЗ; 3) проектування релейного захисту.

     Для обчислення двох перших задач достатнє приблизне визначення струму трьохфазного і рідше струму двохфазного КЗ, який тече в місце пошкодження. При проектуванні релейного захисту буває необхідність визначення струму і напруги як і при трьохфазному, так і при різних не симетричних КЗ.

     Величина  струму і напруги при КЗ залежить від багатьох умов, багато з яких врахувати дуже важко. Тому в практичних розрахунках КЗ приймають наступним спрощенням, що не мають значних помилок в результаті обчислення:

1. рахують трьохфазну систему симетричною;
2. не враховують перехідних опорів в місці КЗ, рахують КЗ металевим (глухим);
3. приймають, що в вході всього процесу КЗ всіх генераторів системи співпадає по фазі (відсутнє коливання генераторів);
4. не враховують насичення магнітних ліній, що дозволяє рахувати постійними і незалежними від струму індуктивний опір всіх елементів коротко замкнутих ланок;
5. нехтують намагнічуючими струмами силових трансформаторів автотрансформаторів;
6. не враховують ємність всіх елементів коротко замкнутої ланки, включаючи повітряні і кабельні лінії (практично необхідно враховувати ємність тільки дуже потужних ліній великої довжини, наприклад ліній напругою 500кВ і вище).

 

     Трьохфазне  коротке замикання.

     а) особливості тьохфазного КЗ

     Трьохфазне  КЗ являється симетричним, так як при ньому симетрія струмів і напруги не порушуються.

     При металічній характеристиці замикання напруга в місті трьохфазного КЗ рівна нулю.

     Величина  струму КЗ і напруги в лінії  залежить від електричної віддаленості місця КЗ або інакше від сумарного опору лінії, що складається із опору генератора  і зовнішніх елементів до місця пошкодження. Із зменшенням відстані пошкодження струму КЗ в лінії зростає, а напруга в ланці зменшується.

     При трьохфазному КЗ система залишається  рівномірною так як геометричні  суми струмів так і в будь –якому місці мережі залишаються рівними нулю.

     Кут зсуву  між струмами і наругами при КЗ дозволяє розглянути зміни струмів і напруги тільки в одній фазі, а в розрахунках використовують однолінійні схеми заміщення і значення опору фаз елементів ланки КЗ. 

     б) КЗ в ланці, що споживається від генераторів без автоматичних регуляторів збудження.

     КЗ  порушує нормальний режим ланки, в результаті чого струм і магнітний  потік ланки змінюються. З теоретичної  електротехніки відомо, що в лаках є індуктивність струм моментально змінюватись не може. Зміни опору ланки викликає перехідний процес в результаті якого струм в ланці змінюється до деякого нового встановленого значення. Подібний перехідний процес має місце і при КЗ але з відмінностями, що в процесі, встановлення струму КЗ генератора не залишається постійним.

     Розглянемо  трьохфазне КЗ при невеликій віддаленості від генератора, не має автоматичного регулятора збудження, що дозволяє рахувати його струм збудження не зміненим в процесі КЗ.

     КЗ  можливе при любому миттєвому значенні генератора. Якщо то струм КЗ являється індуктивним і найбільше значення має при КЗ в момент коли миттєве значення генератора рівне нулю. Крива струму КЗ для показаного випадку приведена на малюнку. До КЗ генератора працював при струмі навантаження . КЗ виникло при е =0 і . Струм КЗ змінюється від найбільшого значення , що називається критичним струмом КЗ (амплітудне значення), до струму що з’явився (тут - діюче значення струму що з’явився).

     В ланці полегшення як аналізу явищ, так і розрахунків прийнято струм перехідного процесу (примусовою) і аперіодичною (вільною) складовою:

     

     Не  вдаються в деталях процесу миттєвого  КЗ синхронних генераторів, розглянутого в теорії електричних машин, нагадаємо тут тільки основні причини появи і зміни під час складових струму КЗ.

     Періодична  складова струму КЗ (дальше періодичний струм) величина якої залежить від є.р.с. генератора і опору фази коротко замкнутої ланки, змінюється по гармонічній кривій синхронної частоти з затухаючими по часі амплітудами від найбільшого початкового значення до встановленого . Це зменшення амплітуди, а відповідно і діючі значення періодичного струму визначається зменшенням в процесі КЗ е.р.с генератора в наслідок поступового збільшення розмагніченої дії реакції статора, зменшення результуючого магнітного потоку в повітряному проміжку генератора.

     Періодичний струм  в розглянутих умовах відстає по фазі від е.р.с генератора на кут близький до 90⁰ створює магнітний потік поздовжньої реакції статора, направлений на зустріч магнітному потоку збудження генератора. Але так як обмотка збудження має індуктивність, то сполучений з нею магнітний потік не може миттєво змінитись в перший момент КЗ повинен залишатися не змінним. А можливо тільки в тому випадку коли в обмотці збудження в перший момент КЗ з’являється аперіодичний струм, який має такий самий напрямок, що і струм збудження генератора і створює вільний магнітний потік по величенні і протилежний по напрямку магнітному потоку реакції статора. Цей вільний магнітний потік ротора витискає потік статора на шляху розсіяння роторної обмотки в результаті чого магнітний потік сполучений з обмоткою збудження, залишається незмінним. Незмінною залишається і е.р.с генератора.

     В перший момент КЗ вільний струм наводяться також в заспокійливих контурах ротора (при їх наявності), які в  свою чергу створюють додатковий вільний магнітний потік, напрям проти потоку реакції статора. Тому в дійсності повздовжній потік реакції статора витісняється на шляху розсіяння ротора в результаті свобідної дії магнітних потоків, створених вільними струмами в обмотці і його заспокійливих контурах.

     Обмотка збудження і заспокійливі контури  ротора володіють активними опором, тому наведені в них перші моменти  КЗ вільні струми затухають по експоненціальному  закону в залежності від сталої часу цих контурів. При затуханні вільних струмі зменшуються і створені ним вільні магнітні потоки. В результаті потік статора поступово проникає в контури роторної ланки, результуючий магнітний потік в повітряному зазорі машини зменшується е.р.с статора і періодичного струму. В момент зникнення вільних струмів в роторах ланки зупиняється зміна е.р.с генератора періодично струму – настає режим що утворюється при КЗ.

     Таким чином, тривалість перехідного процесу  КЗ визначається тривалістю вимірювання  періодичного струму, котрий в свою чергу визначається часом затухання вільних струмів в роторах ланки. При КЗ на зажимах генератора тривалість затухання періодичного струму, а тим самим і тривалість перехідного процесу КЗ складає приблизно 3-5сек.

     Діюче значення струму в любий момент часу визначається величиною е.р.с генератора для тогож моменту часу і опором ланки КЗ:

         (1)

     В турбогенераторах, машинах з циліндричним ротором спеціальних заспокійливих обмоток не має, так як їх роль виконують металеві клини, укріплені в пазах провідники обмотки збудження і стальне тіло (бочка) ротора. Ці елементи і називають заспокійливими контурами турбогенераторів.

     Гідрогенератори середньої і великої потужності зазвичай мають на полюсах ротора заспокійливі обмотки

     де  - повний активний і індуктивний опір ланки КЗ.

     У випадку малого значення     , що зазвичай має місце в установках напругою вище 1000В., можна користуватись  більш простою формулою:

         (2)

     де  - зверхперехідний індуктивний опір генератора;

       - зовнішній індуктивний опір ланки КЗ;

     Зверхперехідний індуктивний опір є параметром генератора, що характеризує його в момент порушення його режиму, тобто в перший момент КЗ. Цей же опір приймають і при визначення значення періодичного струму в будь – який момент процесу КЗ так як це було обумовлено в 8, при обчисленні струмів КЗ не враховують насичення магнітних систем і виходять з сталості індуктивних опорів елементів ланки.

     Амплітуди періодичного струму змінюються, тому під  розуміють діюче значення періодичного струму, визначене за період, в середині якого знаходиться момент , тобто рахуючи що протягом одного періоду періодичний струм змінюється по синусоїді. Відповідно цьому моменту часу амплітуда періодично струму можу бути визначена з кривою огибающей амплітуди періодичного струму.

     При КЗ в момент е =0 початковий періодичний  струм  має максимальне значення . Нехтуючи затуханням періодичного струму за перший період після настання короткого можна рахувати, що є амплітудою періодичного струму за вказаний період.