Короткое замыкание

Литература

Короткое замыкание (КЗ) – всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью также и с землей или с нулевым проводом, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
Замыкание между отдельными фазами или между фазой и землей, большей частью происходит из-за нарушения изоляции между токоведущими частями, вызванные ее старением (износом, высыхания), перенапряжениями (пробоем), механическими повреждениями, дефектами. Повреждение междуфазной изоляции в установках с изолированной или заземленной нейтралью всегда приводит к возникновению аварийных режимов КЗ. Также причинами КЗ могут являться неправильные действия обслуживающего персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой или включение их на ошибочно оставленное заземление); повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, схлестыванием, набросом или перекрытием птицами проводов и другими причинами.
При изолированной нейтрали замыкание одной фазы на «землю» создает не аварийный, а лишь не нормальный режим работы. КЗ в этом случае вызывает ток всего 4 – 5 А, который в дальнейшем поддерживает электрическую дугу и становится причиной пожаров и взрывов.
В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий сопровождающихся резким увеличением тока в поврежденных фазах до значений, превосходящих в несколько раз номинальные.

Чаще всего КЗ происходит через переходное сопротивление, например через сопротивление электрической дуги, возникающей в месте повреждения изоляции – дуговое КЗ, при котором напряжение в точке КЗ может быть значительным. Иногда возникают металлические (глухие) КЗ, когда в месте КЗ существует непосредственный контакт токоведущих элементов. Для упрощения анализа в большинстве случаев при расчете КЗ рассматривают без учета переходных сопротивлений.
В зависимости от места возникновения КЗ различают:
1) КЗ на зажимах источника;
2) КЗ за сопротивлением.
По числу замкнувшихся фаз различают следующие виды КЗ:
1) трехфазное КЗ – три фазы электроустановки соединяются между собой. Точка трехфазного КЗ обозначается К(3).
2) двухфазное КЗ – две фазы соединяются между собой без соединения с землей. В кабельных сетях часто оно переходит в трехфазное КЗ. Точка двухфазного КЗ обозначается К(2).
3) двойное замыкание на землю – две фазы трехфазной четырехпроводной системы соединяются между собой и с землей. Точка двухфазного КЗ на землю обозначается К(1,1).
4) однофазное КЗ – одна фаза трехфазной четырехпроводной системы соединятся с нейтралью источника через землю. Точка однофазного КЗ обозначается К(1).
Относительная вероятность трехфазного КЗ в сети с изолированной нейтралью – 1 – 7 %, двухфазного в сети с изолированной нейтралью – 2 – 13 %, однофазного в цепи с заземленной нейтралью – 60 – 90 %, двухфазного на землю в сети с заземленной нейтралью – 5 – 20 %.

При возникновении КЗ общее сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.
Продолжительность КЗ составляет обычно доли секунды и, как исключение, может длиться несколько секунд. В течение этого короткого промежутка времени выделение тепла настолько велико, что температура проводников и аппаратов выходит за пределы, установленные для нормального режима. Процесс нагревания прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка системы, после чего происходит относительно медленное остывание.
Протекание токов КЗ через элементы электрических установок вызывает электродинамическое и тепловое воздействия.
Даже кратковременное повышение температуры проводников и контактов при КЗ может ускорить старение и разрушение изоляции, вызвать сваривание и разрушение контактов, потерю механической прочности шин и проводов, пожары и т.п. Для надежности работы электрической системы необходимо исключить такие повреждения, что достигается выбором соответствующих размеров токоведущих частей и по возможности быстрым отключением поврежденных частей.
Способность аппарата и проводника противостоять кратковременному тепловому действию тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью.
Термическое действие сводится к нагреву токоведущих частей и аппаратов, по которым протекает ток КЗ. Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов, а также нагревостойкостью изоляции. Допустимые конечные температуры для аппаратов и проводников установлены на основании опыта. Они выше допустимых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяется не только температурой, но и продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала.

Для термической стойкости аппаратов должно быть выполнено условие
Iтер − номинальный ток термической стойкости аппарата;
где Bк − импульс квадратичного тока короткого замыкания, пропорциональный количеству тепловой энергии, выделенной за время короткого замыкания (интеграл Джоуля).
tтер − номинальное время термической стойкости аппарата;
где Wвыд − количество тепловой энергии, выделенной за время короткого замыкания;
Rапп − сопротивление аппарата.
Или
Согласно ПУЭ время отключения tотк складывается из времени действия основной релейной защиты данной цепи tр.з и полного времени отключения выключателя tо.в:
где Iп.0 – действующее значение периодической составляющей начального тока короткого замыкания;
Например тепловой импульс короткого замыкания в электрических сетях можно рассчитать по формуле:
Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания:
tотк = tр.з + tо.в.
В ПУЭ оговорен ряд случаев, когда допустимо не проверять аппараты по режиму короткого замыкания.

Токи КЗ сопровождаются значительными электродинамическими усилиями между проводниками, что может вызвать разрушение токоведущих частей и изоляции. В виду больших значений токов КЗ эти воздействия приводят к повреждению электроустановок, т.к. механическая сила взаимодействия, возникающая между двумя проводниками с током, прямопропорциональна произведению токов в проводниках и обратнопропорциональна расстоянию между ними, т.е. получается – току КЗ в квадрате. Однако она также зависит от формы и сечения проводника. В трехфазных системах наибольшей нагрузке подвергается средняя шина.
Расчетам на электродинамическую стойкость подвергают кроме шинных конструкций и их изоляторов так же все виды выключателей, разъединителей и трансформаторов тока, т.е. всю аппаратуру, через которую протекает ток КЗ.
Способность аппарата (проводника) противостоять силам, возникающим при коротком замыкании, называется электродинамической стойкостью.
где iуд – ударный ток короткого замыкания, кА.
Она выражается либо непосредственно амплитудным значением тока (iдин) при котором механические напряжения детали не превышают допустимых, либо кратностью этого тока амплитуде номинального тока:
iдин ≥ iуд
или

При выборе токоведущих частей шин и изоляторов приходится рассчитывать возникающие ЭДУ и сравнивать их с допустимыми значениями. Механическая прочность элементов конструкций зависит не только от величины ЭДУ, но и от их направления, длительности, крутизны нарастания. Работа электрических аппаратов при динамических режимах работы изучена недостаточно, поэтому расчеты всегда ведут по максимальному значению ЭДУ. Расчет прочности детали конструкции аппарата основан на формуле из сопромата:
где σр – расчетное механическое напряжение в конструкции, МПа;
σр ≤ σдоп,
σдоп – допустимое напряжение материала на изгиб, МПа.
Для шин закрепленных на изоляторах:
Для медных шин σдоп = 171,5 – 178,4 МПа,
для алюминиевых шин σдоп = 41,2 – 48 МПа,
для шин из алюминиевого сплава АД31Т-1 σдоп = 82,9 МПа.
Момент сопротивления для шин зависит от формы поперечного сечения шины и расположения осей. Он определяется по формулам, известным из сопромата:
где М – максимальный изгибающий момент, Н.м;
W – момент сопротивления шины, м3.

Также короткое замыкание в сети может сопровождаться прекращением питания потребителей, присоединенным к точкам, в которых произошло КЗ; нарушением нормальной работы других потребителей, подключенных к неповрежденным участкам сети, вследствие понижения напряжения на этих участках; нарушением нормального работы энергетической системы.
Снижение напряжения на шинах потребителя может привести к опасным последствиям. Особенно чувствительна к снижениям напряжения двигательная нагрузка. При глубоких снижениях напряжения уменьшается вращающий момент двигателя до значений, меньших момента сопротивления механизма. Двигатель тормозится, что влечет за собой увеличение потребляемого им тока. При этом еще больше увеличивается падение напряжения в сети, вследствие чего может развиться лавинообразный процесс, захватывающий все большее количество потребителей электроэнергии.
Резкое понижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов и к системной аварии с большим ущербом.

Рассмотрим возникновение тока КЗ в цепи переменного тока с синусоидальной ЭДС, от источника неограниченной мощности. Значения токов КЗ зависят от момента времени.
Итак, при возникновении КЗ, в цепи появляются токи, имеющие следующие названия:
периодическая составляющая тока КЗ, определяется по закону Ома и изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора с рабочей частотой;
апериодическая составляющая – определяется характером затухания тока КЗ, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора, изменяющаяся со временем без перемены знака.
полный ток КЗ, который получается от алгебраического сложения первых двух.
Действующее значение периодической составляющей тока КЗ
Мгновенное значение периодической составляющей тока КЗ
Апериодическая составляющая затухает по экспоненциальному закону
Ударный ток, соответствующий времени t = 0,01 с, т.е. через пол­периода после возникновения КЗ,