Часть вторая КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ, РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
ГЛАВА 4
КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
§ 10. Причины и виды коротких замыканий
Основные определения коротких замыканий и причины их возникновения.
При работе станций, подстанций и сетей возможны ненормальные режимы их работы, приводящие к повреждениям и авариям. Большинство таких аварий происходит по причине возникновения коротких замыканий.
Коротким замыканием (к.з) называется всякое не предусмотренное нормальным режимом работы соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью — также и с землей или с нулевым проводом (в четырехпроводных системах).
Замыкания между отдельными фазами или фазой и землей большей частью происходят из-за повреждений изоляции между токоведущими частями. В этих случаях ток проходит не через приемники электроэнергии, а более коротким путем — через место повреждения изоляции. Общее сопротивление цепи при этом резко снижается, а ток возрастает во много раз. Такие токи и называются токами короткого замыкания. Величина тока короткого замыкания не зависит от нагрузки, она обусловлена характеристикой генератора и сопротивлением участка цепи, на котором произошло короткое замыкание. Ввиду больших мощностей генераторов в системах, питающих сельские установки, и малого сопротивления короткозамкнутого контура, токи короткого замыкания могут достигать значительной величины и приводить к серьезным повреждениям. Они могут возникать и в нормальных режимах работы электроустановки, но при ошибочных действиях обслуживающего персонала, например, при включении цепи на неснятые за коротки, или при отключении нагрузки разъединителями и переброски возникшей дуги на соседние фазы. Об этом всегда следует помнить при производстве работ и выполнении оперативных переключений на станциях и подстанциях.
Основные причины возникновения токов короткого замыкания связаны с повреждением изоляции электроустановок. Они могут возникну и от действия различных перенапряжений, естественного изноет (старения) изоляции или ее дефектов, не обнаруженных до включения электроустановки под напряжение. При работе возле элементов установки могут возникнуть также непредвиденные механические повреждения изоляции; она может быть повреждена различными животными и птицами или в результате преднамеренных злоумышленных действий.
Чаще всего повреждается изоляция сельских воздушных линий из за загрязнения изоляторов, растрескивания их под действием атмосферных осадков, температурных перепадов или перенапряжений. Появление микроскопических трещин в теле изоляторов и их последующий пробой может возникнуть также от постоянной механической нагрузки, которую испытывают изоляторы при вибрации и раскачивании проводов.
Все указанные причины приводят к возникновению короткого замыкания и, как их следствию, нежелательным аварийным отключениям или повреждениям элементов установки.
Различают нарушения изоляции как между отдельными фазами, так и между фазами и землей. Повреждения междуфазовой изоляции и установках с изолированной и заземленной нейтралями всегда приводят к возникновению аварийных режимов короткого замыкания. То же происходит и при повреждениях изоляции фаз по отношению к земле при наличии заземленной нейтрали или фаз по отношению к нулевому проводу при наличии заземленного нулевого провода. При изолированной нейтрали замыкание одной из фаз на землю создает не аварийный, а лишь ненормальный режим работы установки.
Виды коротких замыканий и их характеристики.
Выше было отмечено, что для выработки и потребления электрической энергии наибольшее распространение нашли трехфазные системы переменного тока с изолированной и заземленной нейтралью. В общем случае в таких системах могут возникнуть трехфазные, двухфазные и однофазные короткие замыкания, а также замыкания между фазными проводами и землей. Разберем более подробно виды коротких замыканий, возникающих в различных системах (рис. 28).
В системах, работающих с изолированной (незаземленной) нейтралью, короткие замыкания могут быть трехфазные в одной точке (рис. 28, а); двухфазные в одной точке (рис. 28, б); двухфазные в двух точках при замыкании фаз на землю (рис. 28, в).
В системах с заземленной нейтралью встречаются следующие короткие замыкания: трехфазные в одной точке (рис. 28, г); двухфазные в одной точке (рис. 28, д); двухфазные на землю в одной и в двух точках (рис. 28, е); однофазные на землю (рис. 28, ж) или на заземленный нулевой провод (в четырехпроводных системах).
В системах с изолированной нейтралью большинство аварий (около 90%) приходится на двухфазные короткие замыкания и лишь небольшая часть приходится на трехфазные короткие замыкания. В системах, работающих с заземленной нейтралью, наиболее часто встречаются однофазные короткие замыкания (65%), затем двухфазные на землю (20%), двухфазные (10%) и трехфазные (5%). Таким образом, подавляющее большинство коротких замыканий является несимметричным (к симметричным коротким замыканиям относятся лишь трехфазные).
Рассмотрим, как меняются в общих чертах токи и напряжения при различных видах коротких замыканий.
При трехфазных коротких замыканиях (рис. 28, а и г) все три фазы А, В и С замыкаются между собой. В точке короткого замыкания К(3) все линейные и фазные напряжения равны нулю, а токи во всех трех фазах равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на угол 120° (имеем случай симметричного короткого замыкания).
При двухфазном коротком замыкании между фазами В и С (рис. 28, б и д') линейное напряжение между поврежденными фазами в точке короткого замыкания К(2) будет равно нулю, а фазные напряжения не равны нулю, так же как не равно нулю и напряжение неповрежденной фазы А. Токи короткого замыкания в поврежденных фазах равны по величине и направлены в разные стороны (несимметричное короткое замыкание). Таким образом, условия для этого вида короткого замыкания могут быть записаны так: ток короткого замыкания в фазе А отсутствует (она не повреждена), следовательно Iка == 0; в поврежденных фазах В и С токи IКв = —Iκc, а напряжения UКв=Uкс.
При двухфазном замыкании на землю в одной точке в системе с заземленной нейтралью (рис. 28, е) фазные напряжения в поврежденных сказах В и С в точке R(2) равны нулю, а в неповрежденной фазе А оно остается почти неизменным. Токи короткого замыкания в поврежденных фазах равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на некоторый угол.
В случае однофазного короткого замыкания на землю (рис. 28, ж) фазное напряжение поврежденной фазы А в точке К(1) будет равно или почти равно нулю, а напряжение в неповрежденных фазах В и С имеет почти нормальную величину. Сумма фазных напряжений не равна нулю. Ток замыкания на землю протекает только в поврежденной фазе А (случай несимметричного короткого замыкания). В сокращенном виде условия режима однофазного короткого замыкания можно записать следующим образом: Iкв = 0; Iкс =0, Iка =0· Остальные векторы напряжений и тока показаны на векторной диаграмме рис. 28, ж.
Таким образом, большинство из рассмотренных видов коротких замыканий характеризуется несимметричной системой векторов тока и напряжения в точке короткого замыкания. Наибольшую величину имеет ток однофазного короткого замыкания, однако путем принятия специальных мер (например, заземлением не всех нейтралей установки) добиваются, чтобы его величина не превышала тока трехфазного короткого замыкания. При возникновении аварии несимметричные короткие замыкания переходят в симметричные короткие замыкания всех трех фаз (при развитии аварии) и это приводит к особо тяжелым последствиям. Поэтому при эксплуатации электроустановки следует предотвращать всякую возможность появления коротких замыканий. Для отключения токов короткого замыкания на станциях и подстанциях устанавливаются масляные выключатели, отделяющие поврежденные участки сети.
