Основные сведения о коротких замыканиях. КЗ, возникающие в электросетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения. Для упрощения расчётов и анализа поведения РЗ при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчётах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственное (или, как говорят, “глухое” или “металлическое”) соединение фаз между собой или на землю (для сети с глухозаземлённой нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330кВ. Сопротивления всех трёх фаз считаются одинаковыми.

Основные виды КЗ: междуфазные КЗ – двухфазные и трёхфазные – возникают в сетях как с заземлённой нейтралью, так и с изолированной нейтралью. Однофазные КЗ могут происходить только в сетях с заземлённой нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлёстывания и обрывы проводов при гололёде, набросы, перекрытие загрязнённой и увлажнённой изоляции, ошибки персонала и др.

Трёхфазное короткое замыкание. Симметричное трёфазное КЗ – наиболее простой для расчёта и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения всех фаз равны по значению как в месте КЗ, так и в любой другой точке сети:

I_A= I_B= I_C; U_A= U_B= U_C.

Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток, проходящий в каждой фазе, отстаёт от создающей его ЭДС на одинаковый угол φ_к, определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи КЗ:

Для линий 110кВ этот угол равен 60 - 78°; 220кВ (один провод в фазе) – 73 - 82°; 330кВ 9два провода в фазе) – 80 - 85°; 500кВ 9три провода в фазе) – 84 - 87°; 750кВ (четыре провода в фазе) – 86 - 88° ( большие значения угла соответствуют большим сечениям проводов). Так как все фазные и междуфазные напряжения в точке трёхфазного КЗ равны нулю, а в точках, удалённых от места КЗ на небольшое расстояние, незначительны по значению, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы с точки зрения устойчивости параллельной работы электростанций и узлов нагрузки.

Двухфазное короткое замыкание. При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерных для КЗ между фазами В и С. В повреждённых фазах в месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповреждённой фазе ток отсутствует, т.е.

I_A= 0, I_B - I_C

Междуфазное напряжение в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения будут:

U_B= U_C= E/2; при U_BC= 0.

Так же как и при трёхфазном КЗ, токи, проходящие в повреждённых фазах, отстают от создающей их ЭДС на угол φ_к, определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи. По мере удаления от места КЗ фазные напряжения U_B, U_C, и междуфазное напряжение U_BC , будут увеличиваться.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трёфазное КЗ.

Двухфазное КЗ на землю в сети с заземлённой нейтралью. Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного КЗ. Токи, проходящие в месте КЗ, а так же междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ.

В сетях же с заземлённой нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем просто двухфазное КЗ. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте КЗ, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других – до значения фазного напряжения неповреждённой фазы. Соотношение токов и напряжений в месте КЗ для этого вида повреждения:

I_A= 0, U_B= U_C= 0.

Однофазное КЗ в сети с заземлённой нейтралью. Оно может иметь место только в сетях с заземлённой нейтралью. Соотношение токов и напряжений в месте однофазного КЗ:

U_A= 0; I_B= I_C= 0.

Однофазные КЗ, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения только одного фазного напряжения, представляют меньшую опасность для работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю. В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3 – 35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение повреждённой фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповреждённых фаз увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным. Под действием напряжений неповреждённых фаз через место повреждения проходит ток, замыкающийся через ёмкости неповреждённых фаз. Ёмкость повреждённой фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через неё не проходит. Значение тока в месте замыкания:

X_Σ – суммарное сопротивление цепи замыкания на землю. Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь. Тогда:

, где – частота сети=50Гц; С – ёмкость одной фазы сети относительно земли. Поскольку при замыкании одной фазы на землю напряжения неповреждённых фаз относительно земли равны по значению междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60°, то

| U⁽¹⁾_B+U⁽¹⁾_C | = 3U_ф.А,

В результате:

I_з = 3_фС =3U_ф2.

Ёмкость сети в основном определяется длиной присоединённых линий, в то время как ёмкости относительно земли обмоток генераторов и трансформаторов сравнительно невелики. Для расчёта ёмкостного тока (А/км), проходящего при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, можно воспользоваться выражением, определяющим ток на 1 км кабельной линии:

I_з = (95+2,84S) /(2200+6S)U_ном.;

Для линии 10 кВ:

I_з = (95+1,44S)/(2200+0,23S)U_ном.

S – сечение кабеля, мм²; U_ном. – номинальное междуфазное напряжение кабеля, кВ.

Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения ёмкостных токов:

6кВ – 0,015 А/км;

10кВ – 0,025 А/км;

30кВ – 0,1 А/км.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства – дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землёй. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшого остаточного значения.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшие значения, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал. Однако длительная работа сети с заземлённой фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а так же повышенные в 1,73 раза напряжения неповреждённых фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 часов для обнаружения места повреждения и выведения его из сети.