Короткие замыкания на зажимах электрических генераторов.
Электрическая энергия вырабатывается на станциях синхронными генераторами. Физические явления, происходящие в синхронном генераторе при коротком замыкании, весьма сложны. Здесь мы ограничимся лишь общим рассмотрением этих явлений. Если замкнуть зажимы всех трех фаз синхронного генератора, работающего под полным напряжением, то но его обмоткам пойдет ток короткого замыкания. В общем случае величина тока короткого замыкания будет определяться величиной напряжения и полного сопротивления короткозамкнутой цепи. Применительно к генератору величина его тока короткого замыкания будет определяться полем возбуждения и сопротивлением его обмоток. У современных генераторов реактивное сопротивление обмоток х значительно больше их активного сопротивления r, поэтому ток, проходящий по обмоткам, будет почти чисто индуктивным. Следовательно, вектор тока короткого замыкания будет отставать от вектора э. д. с. почти на 90. При таком сдвиге фаз между токами и э. д. с. мгновенное значение тока будет минимальным при максимальном значении э. д. с. и, наоборот, наибольшим — при прохождении э. д. с. через нуль.
Таким образом, величина или значение начального тока короткого замыкания в обмотках генератора будет зависеть от момента, когда наступает короткое замыкание (т. е. от положения полюсов по отношению к обмотке статора, в которой индуктируется э. д. с.).
При внезапном изменении сопротивления внешней цепи возникает переходной процесс, в течение которого изменяется и величина тока короткого замыкания. Однако это изменение тока не может произойти мгновенно, так как цепь обладает значительной индуктивностью. Переходной процесс осложняется также тем, что э. д. c. генератора не остается постоянной, а изменяется под действием магнитного потока.
В начальный момент времени после наступления короткого замыкания возникает так называемый ударный ток, наибольший по своей величине. Он в 1,41—2,55 раза превышает действующее значение периодической слагающей тока короткого замыкания, который в свою очередь больше тока нормального режима и затухает до установившегося значения через 3 —5 с. Ударный ток короткого замыкания определяет наибольшие механические усилия, возникающие между токоведущими частями электроустановки. Наибольшее значение ударный ток имеет при коротком замыкании на зажимах генератора. Здесь он в 2,55 раза больше максимального действующего значения периодической слагающей тока короткого замыкания. Если короткое замыкание произошло в точке сети, удаленной от генератора, то ударный ток только в 1,41 раза больше действующего значения периодической слагающей тока короткого замыкания.
Рис. 29. Характер изменения действующего значения тока короткого замыкания генераторов:
а—с автоматическим регулированием возбуждения (АРВ), б — без автоматического регулирования возбуждения
При коротком замыкании напряжение генератора заметно снижается из-за размагничивающего действия тока короткого замыкания и связанного с этим уменьшения магнитного потока генератора и его э. д. с. Для поддержания напряжения генератора на определенном уровне, как было показано в главе III, применяют автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) на генераторах. При снижениях напряжения устройство АРВ действует на величину тока возбуждения генератора, автоматически увеличивая его. Это в свою очередь приводит к увеличению напряжения и э. д. с. генератора. Ток короткого замыкания в начальный момент снижается, а затем возрастает, начиная с момента действия AРB. Это действие сказывается на величине установившегося тока короткого замыкания, который при наличии устройства АРВ всегда больше, чем без него.
На рис. 29 показан характер изменения во времени действующего значения тока короткого замыкания на выводах генератора при наличии (а) и отсутствии (б) устройства АРВ. Из рисунка видно, что ток короткого замыкания сначала спадает, а затем при наличии АРВ возрастает до некоторого установившегося значения, которое и отключается масляным выключателем. В настоящее время все генераторы средней и большой мощности оборудуются устройствами АРВ. Время, за которое действующее значение достигает своего установившегося значения, составляет 3—5 с для крупных и 1—1,5 с для генераторов сельских станций мощностью 1000—1500 кВт.
Короткие замыкания могут привести к нарушению устойчивости параллельно работающих генераторов станций и даже целых энергетических систем. Поэтому, чтобы правильно выбрать схему станции или подстанции, установить режимы их защиты, проводят расчеты токов короткого замыкания. Эти расчеты выполняют для различных точек схемы электроснабжения с учетом сопротивлений генераторов, трансформаторов и отдельных участков линий. В расчетах должны быть учтены типы синхронных генераторов (турбо- или гидрогенераторов), их параметры, а также наличие или отсутствие устройств АРВ. Значения токов короткого замыкания, полученные в результате расчетов для различных точек, используют для выбора высоковольтной аппаратуры и токоведущих частей, их проверки на динамическую и термическую устойчивость действиям токов короткого замыкания, выбора способов и схем защиты оборудования станций, подстанций и сетей.
Рис. 30. Принципиальная схема установки:
а — при трехфазном коротком замыкании, б — векторные диаграммы при нормальном режиме работы, в—при коротком замыкании в точке К
Короткие замыкания в электрических сетях.
Вследствие коротких замыканий электроснабжение потребителей может быть расстроено частично или полностью. Причиной этого расстройства может быть не только повреждение оборудования токами короткого замыкания, но и глубокое снижение напряжения в линии, питающей потребителей электроэнергии.
Рассмотрим простейший случай изменения напряжения в линии при коротком замыкании. Для простоты будем считать, что схема содержит лишь трехфазный генератор Г, нагрузку потребителя П и соединительные провода, между которыми произошло симметричнее трехфазное короткое замыкание. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 30, а. В нормальном режиме работы напряжение у потребителя лишь незначительно отличается от напряжения генератора на величину падения напряжения в линии (5—7%). Предполагается, что потребитель имеет смешанную нагрузку, т. е. индуктивную (электродвигатели) и активную (лампы накаливания, бытовые приборы). Поэтому вектор тока в каждой фазе потребителя при нормальном режиме отстает от вектора напряжения этой же фазы на угол φΗ (при cos φΗ = 0,8, угол φΗ ≈ 36°). Векторная диаграмма для нормального режима нагрузки показана на рис. 30, б.
Теперь рассмотрим, как изменятся токи и напряжения в сети при возникновении короткого замыкания в точке Д', т. е. до потребителя. При коротком замыкании нагрузка потребителя отрезается от генератора; в линии проходит ток короткого замыкания, ограниченный лишь ее сопротивлением и сопротивлением обмоток генератора. Эти сопротивления, как правило, во много раз меньше, чем сопротивление нагрузки, поэтому ток короткого замыкания в линии во много раз больше тока нормального режима.
Кроме того, ток короткого замыкания меняет свою фазу в результате изменения соотношений активного и реактивного сопротивлений в цепи после возникновения короткого замыкания. Так как нагрузка с преобладающим активным сопротивлением точкой короткого замыкания оказалась отрезанной, в цепи стало преобладать индуктивное сопротивление обмоток генератора и проводов. Ток короткого замыкания поэтому стал практически чисто индуктивным, и его вектор отстает от вектора фазных напряжений на угол, близкий к 90°. Это изменение тока при возникновении короткого замыкания можно проследить по векторной диаграмме (рис. 30, d). Фазные напряжения в точках короткого замыкания уменьшились вследствие значительной потери напряжения в линии за счет возросшего тока короткого замыкания. При полном коротком замыкании в точке K напряжение практически равно нулю. Поэтому нормальная работа потребителей, расположенных за точкой К, будет нарушена резким снижением напряжения в сети при коротком замыкании.
Следует отметить, что снижение напряжения при коротком замыкании ухудшает работу всех потребителей сети, даже расположенных до точки короткого замыкания, т. е. между точкой короткого замыкания и генератором. Для иллюстрации этого положения рассмотрим диаграмму изменения напряжения вдоль сети при коротком замыкании в разных ее точках (рис. 31). В нормальном режиме напряжение U1 на шинах электростанции (точка 1) поддерживается несколько выше, чем номинальное, в расчете на дальнейшее падение напряжения в сети. В точке 2 напряжение равно номинальному, а в точке 3 оно несколько ниже номинального за счет падения напряжения в сети ΔU1-3 и составляет величину U3. Таким образом в разных точках сети имеют место различные уровни напряжения, определяемые прямой I и близкие к номинальным (U1, U2, U3). Потребители сети, подключенные к точкам 1, 2, 3, работают при этих напряжениях.
При коротких замыканиях в какой-либо точке сети картина резко меняется. Так, при коротком замыкании в самой отдаленной точке сети U3 напряжение вследствие короткого замыкания резко снижается и его изменение вдоль сети можно определить прямой II (в точке 3 напряжение равно нулю). Из рис. 31 видно, что напряжение в точке 2 также значительно ниже номинального, что объясняется возросшим падением напряжения в сети, вызванным протеканием тока короткого замыкания вдоль всей сети. Под действием тока короткого замыкания снижается также э. д. с. генератора и напряжение в точке I уменьшается. Поэтому короткое замыкание даже в самой отдаленной точке сети (точка 3) вызывает резкое ухудшение условий работы всех потребителей сети.
Короткое замыкание в точке 2, т. е. ближе к генераторам станции, чем в предыдущем случае, вызовет еще большее расстройство работы потребителей сети, так как в этом случае напряжение в сети будет изменяться по прямой III (в точке короткого замыкания оно равно нулю). К еще большему ущербу в работе потребителей приведет возникновение короткого замыкания на шинах генераторов станции, т. е. в точке 1. В этом случае все потребители лишаются питания на то время, пока короткое замыкание не будет отключено масляными выключателями станции.
Понижение напряжения в сети при коротком замыкании резко ухудшает работу основных приемников электроэнергии — асинхронных электродвигателей и ламп накаливания. Поэтому в сетях применяют различные средства, позволяющие отключать поврежденные участки сети, чтобы оставить в работе неповрежденные участки.
Действие токов короткого замыкания и средства для их уменьшения.
При протекании токов короткого замыкания через элементы электроустановки последние подвергаются электродинамическим и тепловым воздействиям токов короткого замыкания. Ввиду больших значений токов короткого замыкания, намного превышающих номинальные, динамическое и термическое воздействия могут привести к повреждению оборудования и выходу его из строя.
Механическая сила взаимодействия, возникающая между двумя проводниками с током, прямо пропорциональна произведению токов в проводниках, их длине и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Она также зависит от формы и сечения проводника. Это положение может быть использовано для определения силы взаимодействия между такими протяженными проводниками, как например, шины распределительных устройств станций и подстанций.
В нормальном режиме токи, а значит и силы взаимодействия между шинами невелики. При коротком замыкании по ним проходит наибольший, т. е. ударный ток короткого замыкания и электродинамические усилия на шины возрастут во много раз, причем они не будут одинаковыми для всех шин. Расчетами установлено, что в трехфазных системах при параллельном расположении трех шин, наибольшему механическому воздействию при прохождении тока короткого замыкания подвергается средняя шина. Наибольшее динамическое усилие оказывают токи трехфазных коротких замыканий, на которые обычно и ведут расчет аппаратура. Расчетам на электродинамическую прочность подвергают, кроме шинных конструкций и их изоляторов, также все виды выключателей, разъединителей и трансформаторов тока, т. е. всю ту аппаратуру, через которую в эксплуатационных условиях могут протекать токи короткого замыкания.
Термическое действие токов коротких замыканий сводится к нагреву токоведущих частей и аппаратов, по которым в данный момент времени проходит ток короткого замыкания. При расчетах учитывают прежде I сего температуру токоведущей части в момент, предшествующий возникновению короткого замыкания, и прибавляют ее к температуре перегрева токоведущей части током короткого замыкания. Значение температуры, предшествовавшей короткому замыканию, обычно принимается максимально возможным, соответствующим максимальному току нагрузки и наибольшим для данной окружающей среды. Так, для голых стальных шин за наивысшую температуру принята температура 70° С, при максимальной температуре окружающей среды, — равной 25° С (т. е. перегрев шин составляет 45° С).
В точных расчетах для определения температуры перегрева проводника током короткого замыкания обычно пользуются специальными кривыми, учитывающими изменение удельного сопротивления и удельной теплоемкости проводника с изменением температуры.
Установлены следующие максимально допустимые температуры перегрева токоведущих частей током короткого замыкания: голые медные шины и провода 300° С; голые алюминиевые шины и провода 200° С; голые стальные шины, используемые в качестве токоведущих 250° С, используемые для заземляющих устройств 350° С; силовые кабели напряжением до 10 кВ с медными жилами 200° С, с алюминиевыми жилами 150° С.
При выборе элементов электроустановки стремятся к тому, чтобы все токоведущие части, выбранные для нормального режима работы, выдерживали также наибольшие возможные электродинамические и термические действия токов короткого замыкания. Если это по условиям токов короткого замыкания трудно выполнимо, тогда принимают меры к ограничению величины токов короткого замыкания и уменьшению времени их действия.
Уменьшение величины тока короткого замыкания в электроустановках достигается выбором рациональной схемы соединений установки или искусственным увеличением сопротивления отдельных участков цепи. Например, при выборе схемы можно отказаться от параллельной работы трансформаторов или питающих линий, тогда сопротивление одиночной цепи возрастет по сравнению с параллельной и, ток короткого замыкания в ней уменьшится. Искусственное увеличение сопротивления участка цепи может быть достигнуто установкой реакторов (катушек, обладающих большим индуктивным сопротивлением). Реакторы выполняют без стальных сердечников, вследствие чего их индуктивность остается постоянной и не зависит от величины протекающего тока. Катушки реактора укреплены на бетонном каркасе, выполненном в виде колонок (обозначение таких реакторов — РБ и РБА).
На крупных станциях и подстанциях с большими токами короткой замыкания применяют шинные, групповые и линейные реакторы. Шинные реакторы подключают непосредственно к шинам для ограничения токов короткого замыкания самой станции; групповые устанавливают для нескольких отходящих линий сразу, а линейные — для отдельной отходящей линии. Выбирать реактор можно по мощности масляного выключателя. Если мощность тока короткого замыкания в данной точке сети превышает предельно отключаемую мощность выключателя, указанную на его табличке, в этой точке устанавливают реактор для ограничения тока короткого замыкания.
При сравнительно малых мощностях сельских станций и большой удаленности потребителей токи короткого замыкания на шинах станции или в сети, хотя и превосходят токи нормального режима, все же не достигают значений, при которых возникает необходимость установить реакторы. Их установка может потребоваться лишь в отдельных редких случаях, например, на крупных подстанциях энергосистемы, для ограничения тока короткого замыкания на шинах, или для группы отходящих линий. Поэтому на сельских электростанциях реакторы не используют.
