§ 4. ПОНЯТИЕ О ТОКАХ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Короткое замыкание (КЗ) сопровождается увеличением тока на участке сети между местом КЗ и генераторами, питающими сеть, и снижением напряжения. Изменения токов и напряжений не могут происходить мгновенно, поскольку элементы сети имеют индуктивность, задерживающую увеличение тока и снижение напряжения. Наличие на генераторах регуляторов напряжения и устройств форсирования возбуждения, которые при снижении напряжения, вызванном коротким замыканием, увеличивают возбуждение генераторов, способствует увеличению тока КЗ и остаточного напряжения.
Рис. 69. Схема протекания процесса короткого замыкания: а — волновая диаграмма; б — схема замещения
В результате величина и форма кривой тока короткого замыкания изменяются по сложным законам, точный учет которых затрудняет расчеты.
В случае когда короткое замыкание происходит на линии, подключенной к шинам мощной энергосистемы, расчет и анализ процессов, происходящих при повреждении, значительно упрощаются. Форма кривой КЗ iк для этого случая показана на рис. 69, а. Такую форму имеет ток в цепи, состоящей из активного и индуктивного сопротивлений (рис. 69, б), при подключении к ней источника синусоидального напряжения постоянной величины.
Этот ток можно представить состоящим из двух составляющих. Одна из них ia, которая называется апериодической составляющей появляется в момент возникновения короткого замыкания и затухает до нуля. Время ее затухания определяется соотношением величин активного и индуктивного сопротивлений короткозамкнутой сети. Чем больше активное сопротивление, тем быстрее уменьшается величина апериодической составляющей. Поскольку в распределительных сетях активное сопротивление велико, а периодическая составляющая затухает настолько быстро (за сотые доли секунды), то в практических расчетах токов КЗ для выбора уставок релейной защиты не учитывается.
Вторая составляющая — периодическая in представляет собой синусоидальный ток с неизменной амплитудой. Величина его действующего значения при трехфазном КЗ определяется согласно закону Ома по выражению
(87) где V — междуфазное напряжение источника питания, В; z∑ — суммарное сопротивление цепи короткого замыкания, Ом/фазу. В питающей сети 6—35 кВ, работающей с изолированной нейтралью, могут возникать междуфазные короткие замыкания, как трехфазные, так и двойные замыкания на землю.
Для расчетов релейной защиты необходимо знать величины токов трехфазного и двухфазного короткого замыкания. Расчет ведется для случая так называемого металлического короткого замыкания; когда фазы соединяются непосредственно, без переходного сопротивления. В действительности короткие замыкания часто бывают не металлические, а через переходное сопротивление, например, через упавшее дерево, через землю при обрыве проводов, через электрическую дугу, возникающую от схлестывания проводов, и т. д.
На рис. 69, б суммарное сопротивление цепи короткого замыкания состоит из эквивалентного сопротивления системы хе и сопротивления от шин до точки КЗ (r, xL).
Эквивалентное сопротивление системы (Ом/фазу) до шин, подстанции или распределительного устройства можно определить по выражению
Индуктивное сопротивление реактора
Ток КЗ, протекая через проводники, интенсивно их нагревает, так как значение его велико по сравнению с нормальным рабочим током (термическое действие). Начальная амплитуда тока КЗ, значение которой достигает очень больших значений, может вызвать механические разрушения в аппаратах и конструкциях распределительных устройств (динамическое действие). Правильно выбранные провода и аппараты должны обладать достаточной устойчивостью против термического и динамического действия токов КЗ.
В связи с тем, что длительность протекания токов КЗ мала, допустимая температура нагрева проводников токами КЗ значительно выше, чем длительно допустимая температура, установленная для работы при нагрузке, создаваемой рабочим током.
Для шин, выполненных из меди, наибольшая допустимая температура составляет 300 °С, для алюминиевых шин и голых проводов при тяжении менее 9,81 Н/мм2 — 200°С для остальных шин, не имеющих непосредственное соединение с аппаратами — 400 °С, для кабелей до 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией — 200 °С.
Для всех аппаратов распределительных устройств приводятся токи термической и динамической устойчивости к действию токов КЗ, которые при выборе этих аппаратов сравниваются с расчетными. Если расчетные токи КЗ оказываются выше гарантированных токов КЗ для данного аппарата, то считается, что он не может устойчиво работать в этих условиях.
Для создания устойчивой работы аппаратов к действию токов КЗ проводятся мероприятия по их снижению. Для этого применяют реакторы или трансформаторы с повышенным индуктивным сопротивлением.
