РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Глава IV
ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА
§ 14. Общие сведения о коротком замыкании
Токи короткого замыкания (ток к. з.) возникают вследствие случайных замыканий между различными фазами токоведущих частей электроустановок. Такие замыкания резко уменьшают сопротивление соответствующей цепи, что приводит к недопустимому увеличению тока.
В современных мощных электрических системах токи короткого замыкания могут достигать десятков и сотен тысяч ампер. Такие токи в электрических аппаратах и в проводниках вызывают большие электродинамические (механические) силы, а также сильное термическое действие (нагрев). Для уменьшения вредного воздействия этих токов короткозамкнутые цепи необходимо быстро отключать. Это отключение в высоко- и низковольтных цепях производится выключателями и предохранителями.
Для уменьшения токов короткого замыкания в высоковольтных цепях иногда применяют реакторы, которые искусственно увеличивают сопротивление цепи.
В участке короткого замыкания обычно возникает электрическая дуга, которая несколько увеличивает сопротивление цепи, но так как учет переходного сопротивления дуги практически невозможен, то определение токов короткого замыкания ведут по наихудшим условиям металлического короткого замыкания.
Основной причиной коротких замыканий является повреждение изоляции фаз. Это может быть следствием естественного старения изоляции и недоброкачественных профилактических испытаний либо следствием механического повреждения изоляции, а также атмосферных или коммутационных перенапряжений.
Вторая причина коротких замыканий — неправильные действия эксплуатационного персонала, нарушение правил технической эксплуатации, эксплуатационных инструкций или правил техники безопасности.
Рис. 14-1. Диаграмма напряжений в сети при нормальном режиме и при коротком замыкании: а — однолинейная схема; б — диаграмма напряжений
Короткое замыкание вызывает нарушение нормального электроснабжения потребителей вследствие полного или частичного снижения напряжения.
На рис. 14-1, а и б, приведены диаграммы напряжений в сети, питающей две тяговые подстанции с шин электрической станции. Диаграмма 1 напряжений соответствует нормальному режиму, диаграмма 2 — режиму короткого замыкания на шинах второй тяговой подстанции; диаграмма 3 — режиму короткого замыкания на шинах первой тяговой подстанции.
В нормальном режиме работы установки индуктивное сопротивление цепи составляет небольшую часть от активного сопротивления, определяемого полезной нагрузкой на шинах потребителя (в частности, на шинах тяговых подстанций Т-1
и Т-2). В режиме короткого замыкания сопротивление цепи определяется лишь параметрами линии. Вследствие этого в короткозамкнутой цепи преобладает индуктивное сопротивление, а следовательно, индуктивная составляющая тока. Этот ток вызывает в синхронных генераторах увеличение размагничивающей реакции статора, что приводит к уменьшению э. д. с. генераторов.
Так как снижение э. д. с. на генераторных шинах отрицательно влияет на потребителей, то современные генераторы оборудуются автоматическими регуляторами напряжения (АРВ).
Токи коротких замыканий могут быть симметричными и несимметричными. К симметричным видам относится трехфазное металлическое короткое замыкание. К несимметричным видам относятся все остальные виды короткого замыкания — двухфазное короткое замыкание и однофазное короткое замыкание на землю.
Поскольку теория симметричных составляющих позволяет приводить величины прямой последовательности несимметричного короткого замыкания к эквивалентному значению при трехфазном коротком замыкании, то режим трехфазных коротких замыканий является наиболее общим.
В условиях городского электротранспорта с изолированной нейтралью системы 6—10 кВ и с широким применением кабельных сетей основными видами короткого замыкания являются трех- и однофазное на землю.
Векторные диаграммы токов и напряжений при различных видах короткого замыкания приведены на рис. 14-2, а, б, в, г.
Вследствие преобладания в короткозамкнутой цепи индуктивного сопротивления фазный угол φκ на диаграммах показан близким к 90° эл.
Этот рисунок достаточно нагляден, но требует пояснений в отношении однофазного короткого замыкания на землю в системе с незаземленной нейтралью (рис. 14-2,а).
В нормальном режиме емкостный ток утечки с фаз на землю будет соответственно
При замыкании фазы А на землю ток утечки в фазах В и С
Результирующий ток короткого замыкания в цепи фаза А — земля
т. е. ток однофазного короткого замыкания на землю в три раза превышает емкостный ток утечки в нормальном режиме.
Величина тока однофазного замыкания на землю при изолированной нейтрали может быть определена по следующим эмпирическим формулам:
для воздушной сети
(14-1)
для кабельной сети
(14-2)
где U — напряжение, кВ; I — длина сети, км.
Практически длину сети не всегда возможно учесть, поэтому однофазный ток короткого замыкания задается энергосистемами, которые определяют его для различных точек сети экспериментально.
Рис. 15-1. Расчетная схема для определения тока короткого замыкания