1 реф. 1. Проектирование электроустановок жилых и общественных зданий
 Скачать 157.7 Kb.
|
При возникновении КЗ сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются. Короткие замыкания в трехфазных сетях разделяют на трех-, двух-, однофазные и двухфазные на землю, а системы токов и напряжений получаются искаженными. Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при нем все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку фазы оказываются в разных условиях, а системы токов и напряжений получачаются искаженными Относительная вероятность возникновения, условные обозначения вида КЗ и поясняющие схемы приведены в табл. Величина тока однофазного замыкания на землю зависит от режима работы нейтралей электрической сети . Короткое замыкание сопровождается переходным процессом. Рассмотрим переходный момент, возникающий при трехфазном КЗ в цепи, питающейся от источника бесконечной мощности. В соответствии с этим токи КЗ обозначаются I(1), I(2), I(3). На практике при проектировании систем электроснабжения для проверки электрооборудования в основном используется режим трехфазного КЗ. При расчете токов трех фазного КЗ определяют следующие величины: It=0 -- начальное значение периодической составляющей тока КЗ; Ју -- максимальное мгновенное значение полного тока КЗ (ударный ток КЗ), знание которого необходимо для проверки электрических аппаратов, шин и изоляторов на электродинамическую устойчивость; 1у -- действующее значение полного тока КЗ за первый период от начала процесса, необходимое для проверки электрических аппаратов на устойчивость в течение этого периода; It=0,1 и It=0,2-- значения периодической составляющей для t = 0,1 с и t = 0,2 с, необходимые для проверки выключателей по отключаемому ими току (для быстродействующих выключателей принимают It=0,1, для небыстродействующих -- It=0,2); It=m -- действующее значение установившегося тока КЗ, по которому проверяют электрические аппараты, шины, проходные изоляторы и кабели на термическую устойчивость; Sf=0<1 и Токи и мощности КЗ необходимо рассчитывать раздельно для сетей напряжением до 1000 В и выше 1000 В. Определение значений тока короткого замыкания позволяет уточнить: 1) выбор оборудования, устойчивого по нагреву и механическим воздействиям; 2) проектирование защитных заземлений; 3) выбор автоматики и специальных защит от тока КЗ; 4) выбор специальных аппаратов для ограничения тока КЗ; 5) условия работы потребителей при КЗ; 6) выбор наиболее рациональных схем электроснабжения. Последствия коротких замыканий в зависимости от места возникновения и продолжительности его повреждения могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения. При возникновении КЗ в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается. Это приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима и вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, особенно большое вблизи места КЗ. Внезапное глубокое понижение напряжения при КЗ отражается на работе потребите лей. В первую очередь это касается двигателей, поскольку даже при кратко временном понижении напряжения на 30...40% они могут остановиться (про исходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей сложно отражается на сфере промышленного предприятия, потому что для восстановления нужного производственного процесса вынуждает длительное время, а неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции пред приятия. При малой удаленности и достаточной длительности КЗ возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т. е. нарушение нормальной работы всей электрической системы, что является самым опасным последствием короткого замыкания. Токи КЗ вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса КЗ, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут возникать разрушения механического характера. При большой удаленности короткого замыкания величина тока КЗ может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов, и возникновение такого КЗ воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Ток КЗ, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, в которой оно произошло. Поэтому и при кратковременном протекании тока КЗ он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих эле ментов и проводников выше допустимого, что может привести к возгоранию проводников. Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы то ков способны создавать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей. Таким образом, результатом коротких замыканий являются: 1) механические и термические повреждения электрооборудования; 2) возгорания в электроустановках; 3) снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению и снижению производительности или даже к их опрокидыванию; 4) выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии; 5) электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т. п. 2.1 Трехфазное короткое замыкание При этом уроне следует принять: - во всех трех фазах этого вида КЗ проходят одинаковые (по модулю) токи, сдвинутые друг относительно друга на угол 120°; - фазовый сдвиг ϕкз, токов КЗ относительно фазных ЭДС Еф:  - абсолютное значение фазных токов КЗ:  где Еф и Ем.ф - фазная и междуфазная ЭДС соответственно; - напряжения фаз в точке К (в месте короткого замыкания):  - напряжения в начале линии (в месте установки защиты):  Векторная диаграмма представлена на рис. 1.2  Рис. 1. Векторная диаграмма при К(3) 2.2 Двухфазное короткое замыкание При этом уроне следует принять: - ток в петле КЗ создается междуфазной ЭДС Евс, - ток в неповрежденной фазе (в данном случае в фазе А) отсутствует  - токи в поврежденных фазах В и С равны по величине противоположны по фазе:  - абсолютные значения токов:  - в месте повреждения междуфазное напряжение Uвск = 0, из чего следует, что Uвк = Uск, - с учетом (1.5) имеем  - в месте установки защиты (в начале линии) напряжения поврежденных фаз можно определить из выражений:  - вектор междуфазного напряжения в начале линии U(2)всн сдвинут относительно тока I(2)в на угол ϕл в сторону опережения. При этом напряжение опережающей фазы В больше по абсолютному значению напряжения отстающей фазы С. Векторная диаграмма представлена на рис. 1.3.  Рис. 2. Векторная диаграмма при К(2)вс 2.3 Однофазное короткое замыкание При этом уроне следует принять: - в поврежденной фазе проходит ток, равный геометрической сумме токов прямой, обратной и нулевой последовательностей, определяемый по выражению; - токи в неповрежденных фазах Iа = Iв = 0 (с учетом принятых допущений):  Где: Z1Ʃ, Z2Ʃ, Z0Ʃ — суммарные сопротивления системы и линии прямой, обратной и нулевой последовательностей соответственно; - ток повреждения сдвинут по фазе относительно ЭДС Ес на угол:  - напряжение поврежденной фазы в месте КЗ равно 0, а в месте установки защиты:  - напряжения неповрежденных этапов А и В отличаются от ЭДС соответствующих фаз вследствие взаимо индуктивной связи с поврежденной фазой (в них индуцируются ЭДС взаимоиндукции Еm). Векторная диаграмма представлена на рис. 1.4.  Рис. 3. Векторная диаграмма при К(1)с 2.4 Двухфазное короткое замыкание на землю Короткое замыкание на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземленными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяются две фазы. Этот вид урона для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от 2-х ф. к. з. Отличие (Рис 2.3.1) состоит лишь в том, что поврежденные фазы, например В и С, в точке К принужденно приобретает потенциал земли а нейтраль системы получает но отношению к земле смещение равное 0,5EA. Поэтому в сети появляется также слагающие напряжения нулевой последовательности. 2-х ф. замыкания на землю в сетях с большими токами замыкания на землю представляют достаточно сложный вид повреждения, сопровождающийся сильным снижением как фазных, так и междуфазных напряжений поврежденных фаз (в точке к. з. до нуля) и возникновением неуравновешенной системы, характеризуемой наличием слагающих нулевой последовательности напряжений и токов. Соотношение токов и напряжений в месте к. з. для этого вида поврежденья имеют следующий вид: IA=0; UB=UC=0; UВС=0 Уровень опасности этого или другого урона линии характеризуется прежде всего его влиянием на устойчивость системы и непосредственно на работу потребителей. С этой точки зрения многофазные к. з. являются наиболее тяжелыми. В современных электрических системах металлические 3-х ф. к. з. и 2-х ф. к. з. на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью, возникающие в близи шин станций и длящиеся более 0,15-0,3 сек., уже могут нарушать динамическую устойчивость системы. В особо напряженных работающих электропередачах (400кВ, 500кВ) допустимое время отключения к. з. может быть еще меньше порядка 0,1-0,15 сек. Силовая нагрузка потребителей (в особенности синхронные двигатели и асинхронные двигатели с фазным ротором, работающие па привод с постоянным моментом сопротивления) присоединения вблизи места повреждения, при недостаточной быстроте отключения повреждения может быть потеряна. Большие токи к. з. могут вызвать в месте пробоя перегорания провода и разрушения оборудования. Поэтому на линиях устанавливается защита от междуфазных к. з., обеспечивающая достаточно быстрое отключение повреждений. Для 2-х ф. к. з. на землю применяется специальная защита от 1-но ф. к. з. - защита нулевой последовательности.  Рис 3. Двухфазное короткое замыкание на землю 2.5 Величина тока короткого замыкания Большой ток короткого замыкания может возникнуть только тогда, когда в месте соединения больше нет активного и индуктивного сопротивления. Если между находящимися под напряжением проводниками есть сопротивление хотя бы очень маленькой величины, тогда речь идет о процессе, подобном короткому замыканию. Между фазовым проводом (например, L1) и N (нулевой провод) прилаживается напряжение 230 В, 50 Гц аварийного тока относительно потенциала земли, так как N заземлен и представляет собой противоположный полюс, и между фазовым проводом (L1) относительно фазового провода (L2) и /или (L3) прилаживается напряжение 400 В тока короткого замыкания. Этот ток во время длительности короткого замыкания tk определяется ,точнее ограничивается, внутренним сопротивлением Ri источника питания (практически вторичной обмоткой предвключенного трансформатора местной электросети) или также сопротивлением дуги в месте короткого замыкания, аварийным сопротивлением в месте короткого замыкания и сопротивлениями проводников (активное и реактивное сопротивление) прямого и обратного провода. 2.6 Трехфазное короткое замыкание в цепи питающейся от источника бесконечной мощности Источником бесконечной энергии называется такой источник, на зажимах которого в нормальном режиме и при КЗ сохраняется симметричная и неизменная по величине трехфазная система напряжений. Угол φ между током и напряжением каждой фазы определяется соотношением активных и индуктивных сопротивлений всей цепи, включая нагрузку. Короткое замыкание делит цепь на две части: -правую - с сопротивлениями r1 и х1=ωL1 в каждой фазе и -левую - содержащую источник питания и сопротивления цепи КЗ rк и хк=ωLк. Процессы обеих долей схемы при трехфазном КЗ протекают независимо. Правая часть рассматриваемой цепи оказывается зашунтированной коротким замыканием, и ток в ней будет поддерживаться до тех пор, пока запасенная в индуктивности L энергия магнитного поля не перейдет в тепло, выделяющееся в активном сопротивлении r1. Величина тока при активно–индуктивном характере сопротивление цепи не превысит тока нормального режима, который постепенно затухая до нуля, не представляет опасности для оборудования.  Рис.4 Трехфазное КЗ в цепи, питающейся от источника бесконечной мощности Изменение режима в левой части цепи, содержащей источник питания, при наличии индуктивности Lк также сопровождается переходным процессом. Из курса ТОЭ уравнение этого процесса:  (4.1)где i и U – мгновенное значение тока и напряжения рассматриваемой фазы. Решение этого уравнения даст выражение для мгновенного значения тока в любой момент времени t от начала КЗ.  (4.2)где Um – амплитудное значение фазного напряжения источника; zk – полное сопротивление присоединенного к источнику участка цепи (цепи КЗ) a – фазовый угол напряжения источника в момент t=0; jk– угол сдвига тока в цепи КЗ относительно напряжения той же фазы; Та – постоянная времени цепи короткого замыкания,  (4.3)Как видим из (4.2) полный ток КЗ слагается из двух составляющих: вынужденной, обусловленной действием напряжения источника (первый член в правой части уравнения), и свободной, обусловленной, изменением запаса энергии магнитного поля в индуктивности Lк (второй член). Вынужденная составляющая тока КЗ имеет периодический характер с частотой, равной частоте напряжения источника. Называют эту составляющую обычно периодическим током КЗ. Амплитуда периодической составляющей тока КЗ обозначается как Iпм и определяется отношением Um/zk:  (4.4)Угол сдвига φк между векторами тока и напряжения определяется соотношением индуктивных и активных сопротивлений цепи КЗ. Для реальных цепей обычно xk>>rk и j k=45¸ 90° Свободная составляющая тока:  (4.5)имеет апериодический характер изменения, на основании чего эту составляющую называют также апериодической составляющей тока КЗ. Начальное значение апериодической составляющей тока КЗ в каждой фазе определяется по выражению (2) для момента времени t=0:  (4.6)Здесь i k0 – начальное значение тока КЗ, которое с учетом невозможности изменения тока в цепи с индуктивностью скачком равно i 0 – току предшествующего режима в данной фазе к моменту t=0. Значение периодической составляющей тока при t=0 определяется как:  (4.7)Рассмотрим условия создания максимально возможного значения полного тока КЗ и его апериодической составляющей. Из (6) и (7) при Хк>>rк и φк » 900 следует, что максимальное значение тока iао будет в случае, если напряжение в момент возникновения КЗ проходит через нулевое значение (α=0) и тока в цепи до КЗ нет, т.е. i 0=0. При этом i n0=Inm. Кривая изменения тока при условии максимального значения апериодической составляющей тока выглядит следующим образом: Максимальная величина мгновенного значения тока наступает через 0,01 с после начала процесса КЗ. Она носит название ударного тока и обозначается iу. Величина ударного тока определяется выражением (2) для момента времени t=0.01 с i  (4.8)iy  (4.9)где kу – ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени цепи КЗ:  (4.10)Переходный процесс при питании цепи от источника бесконечной мощности завершается после затухания апериодической составляющей тока, и далее полный ток КЗ равен его периодической составляющей, неизменной по амплитуде. Действующее значение тока для произвольного момента времени КЗ равно: периодической составляющей  (4.11)апериодической составляющей  (4.12)полного тока КЗ  (4.13) Рис. 5 Изменение тока трехфазного короткого замыкания и его составляющих для случая возникновения максимального значения апериодичесой составляюще Заключение Для обеспечения безопасной работы энергосистем и устранения повреждений оборудования у КЗ нужно моментально отключать поврежденный участок. К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относится также правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств, выбор рациональной схемы сети и т. п. Для осуществления данных мероприятий необходимо научиться определять ток КЗ и характер его изменения во времени. Легко гарантировать спокойное напряжение на нагрузке и вообще качество электроэнергии; имеется перспектива подключения новых потребителей и увеличения нагрузки. Селективность автоматических выключателей и УЗО – отдельная большая тема, в планах есть. Резюмируя достатки и недостатки, можно сказать, что значение тока КЗ – палка о двух концах. В бытовом секторе ток КЗ часто бывает низким, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с высоким сечением проводов и устанавливая новые трансформаторные подстанции. В серьезной энергетике наоборот, применяют методы по уменьшению тока КЗ. Список используемой литературы Бабаханян, И.С. Справочное пособие по проектированию электроснабжения/ Ю.Г. Барыбина. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - 576 с. Карапетян, И.Г. Справочное пособие по проектированию электрических сетей / Под редакцией Д. Л. Файбисовича. - М.: НЦ ЭНАС 2012 -320 с. Карпов Ф.Ф., Козлов В.Н., Справочное пособие по расчету проводов и кабелей: Энергия 2013 - 224 с. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2014. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. – 4-е изд., испр. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2014. Правила устройств электроустановок. М.: Изд-во Норматика, 2013 Рожкова Л.Д., Карнеева Л.К., Чиркова Т.В., «Электрооборудование электрических станций и подстанций», 5-е издание, М.: 2008. Маргулова Т. Х. «Атомные электрические станции», М.: 2002. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника. Учебник для студентов педагогических и технических вузов. Ростов-на-Дону: «Феникс», 1999. Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник. Том 1./В.Л. Лихачев. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. |
