Ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях промышленных предприятий

Разновидности коротких замыканий и вероятности их возникновения

Коротким замыканием называется нарушение нормальной работы электроустановки, вызванное замыканием фаз между
собой, или замыканием фазы на землю.

Токи к.з. в современных мощных электросистемах могут достигать огромных значений (10-100 тыс. ампер). Поэтому
оборудование электроустановок должно обладать достаточной электродинамической (механической) и термической
стойкостью к действию токов к.з.

Причинами возникновения короткого замыкания могут быть:

1. Нарушение изоляции происходящее в следствии её несовершенства, или посторонних причин (обрыв, удар молнии,
   попадание посторонних предметов).
2. Ошибки при ремонтных работах, включениях и отключениях.

Несмотря на все меры, принимаемые при проектировании и эксплуатации, вероятность короткого замыкания не
исключена, поэтому правильный выбор электрооборудования, основанный на знании характера протекания короткого
замыкания и ожидаемого тока, является самой действенной мерой предотвращения опасных последствий к.з.

Короткие замыкания бывают:

• трёхфазные — возникающие при одновременном замыкании накоротко всех трёх фаз (I₍₃₎max
  1,6 I₍₂₎min);
• двухфазные;
• однофазные — возникающие при замыкании между фазой и землёй (возможны только в системах с заземлённой
  нейтралью)

Процесс протекания короткого замыкания слагается из двух режимов:

1. Переходного:
   • ударный ток — возникает в течении первых 0,01-0,2 секунд, сопровождается электродинамическим
     эффектом,
     способным сорвать провода с изоляторов, повредить обмотки двигателей, трансформаторов;
   • разрывной ток — появляется в течении первых 0,2 секунд, в течении которых сеть должна быть отключена
     автоматической защитой.
2. Установившегося. Возникает при несрабатывании защиты, ведёт к злектротермическому эффекту.

Действующее значение периодической составляющей к.з. может быть определено по формулам Тоя:

• I(3) = E / (31/2 Z) ;
• I(2) = E / (Z₁ + Z₂);
• I(1) = (3 1/2 E) / (Z₁ + Z₂ + Z₃), где

Е — действующее значение ЭДС генератора;

Z₁, Z₂, Z₃ — сопротивление прямой, обратной и нулевой последовательности.

Знать токи короткого замыкания необходимо:

• для выбора электрооборудования;
• для проектирования релейной защиты;
• выбора средств ограничения токов к.з.

Как правило, в точке к.з. возникает электродуга, которая образует переходное сопротивление. Для упрощения
расчётов, будем рассматривать только металлическое к.з., т.е. без учётов переходного сопротивления.

При появлении к.з., сопротивление в сети падает. Однако, скачком ток увеличиться не может, т.к. сеть обладает
индуктивностью. Из курса ТОЭ известно, что ток можно представить, как сумму апериодической (i_а) и
периодической
i_р) составляющих.

i_к = i_а + i_р

В результате этого, результирующий ток в некоторые моменты времени может превосходить амплитуду установившегося
тока. Быстрота перехода в установившийся режим определяется постоянной установления:

τ = L / r, где L — индуктивность

Через время t ≈ 3τ (0,1-0,2 сек) в цепи будет протекать только периодический или установившийся ток
короткого замыкания.

В конце первого полупериода ток достигает максимального значения, называемого ударным током (i_у).

Для удобства расчёта ударного тока, вводят ударный коэффициент 1 ≤ k_у ≤ 2

• При к.з. вблизи генераторной станции величина активного сопротивления будет минимальной, τ →
  ∞, ударный ток
  будет 2 max;
• Когда к.з. происходит в удалённой точке, то τ → 0, r → ∞. k_у = 1

По ударному току проверяют электроаппараты, шины, изоляторы — на электродинамическую стойкость. По действующему
значению установившегося тока проверяют аппаратуру на термическую стойкость.

Ограничение мощности короткого замыкания осуществляется с помощью бетонных реакторов (РБ, РБН). Они имеют
мизерное активное сопротивление и достаточно большое индуктивное. РБ устанавливаются на поверхности, в спец
камерах подстанций, в начале и конце линии.

На новых угольных шахтах допускаемая мощность короткого замыкания не должна превышать S ≤ 100 МВА (старые
шахты —
до 50).

Защита от токов короткого замыкания производится плавкими предохранителями и максимально-токовой защитой.