Глава 24

Токи короткого замыкания

24.1. Общие сведения, виды коротких замыканий

Причиной большинства аварий в электрических установках является короткое замыкание, возникающее из-за нарушения изоляции между токоведущими частями, ошибочных действие при коммутационных переключениях (например, отключение воздушного разъединителя под нагрузкой) и по другим причинам.

Токи короткого замыкания (токи к. з.) в современных мощных электрических системах могут достигать огромных значений (в несколько десятков и сотен тысяч ампер). Такие боль­шие токи к. з. представляют значительную опасность для электрических установок, поэтому электрооборудование электри­ческих устройств должно обладать достаточной электродинами­ческой (механической) и термической устойчивостью от дейст­вия токов к. з., т. е. должно выдерживать без повреждения действие наиболее возможных в установке токов к. з.

Знание величин токов к. з. в общем случае необходимо: для выбора электрооборудования (электрических аппаратов, шин, изоляторов, кабелей и т. п.); для проектирования релей­ной защиты; для выбора средств ограничения токов к. з.

В трехфазной системе возможны три основных вида корот­ких замыканий: трехфазное, двухфазное и однофазное.

При замыкании двух фазовых проводов короткое замыка­ние называют двухфазным. При замыкании всех трех фазовых проводников наступает трехфазное короткое замыкание.

В системе с глухозаземленной нейтралью трансформатора и в четырехпроводных сетях возможно возникновение однофаз­ного короткого замыкания при соединении фазового провода с землей или с нулевым проводом. При изолированной ней­трали соединение фазового провода с землей, хотя и является повреждением и представляет опасность для обслуживающего персонала, а также для изоляции аппаратуры и кабелей, не является коротким замыканием. Наиболее опасным обычно ока­зывается трехфазное короткое замыкание.

24.2. Процесс протекания короткого замыкания

На рис. 24.1, а приведена схема короткого замыкания в трех­фазной цепи, обладающей индуктивностью и активным сопротивлением. Поскольку цепь предполагается симметрич­ной, можно ограничиться рассмотрением явлений, происходя­щих в одной фазе. Для простоты обычно пользуются одноли­нейным изображением схем цепей, где наблюдается рассмат­риваемое короткое замыкание.

После трехфазного короткого замыкания уменьшается соп­ротивление нагрузки, которая продолжает питаться от генера­тора. В цепи, соответствующей рис. 24.1, при коротком

замыкании сопротивления уменьшились и оказались равными: ак­тивное— r, индуктивное — х.

Такое изменение сопротивления цепи при постоянном при­ложении напряжения. приводит к значительному увеличению тока.

В сети переменного тока изменение тока после короткого замыкания не может происходить мгновенно вследствие влия­ния индуктивности, проявляющегося в виде магнитной инерции. Изменение тока короткого замыкания в функции времени ха­рактеризуется законом, графически представленным на рис. 24.2 (кривые i_K).

Кривая тока не симметрична по отношению к оси времени. Эта асимметрия постепенно уменьшается, и через некоторое время ток вновь, как и до короткого замыкания, становится синусоидальным. Период от начала короткого замыкания до достижения установившегося значения тока короткого замы­кания I_­∞ называют неустановившимся режимом внезапного ко­роткого замыкания (участок II). Дальше начинается устано­вившийся режим короткого замыкания (участок III).

Ток к. з. в неустановившемся режиме может быть пред­ставлен суммой периодической и апериодической составляю­щих.

Периодическая составляющая тока к. з. протекает под дей­ствием напряжения в сети. Закон изменения периодического тока представлен кривой i_п.

Апериодическая составляющая тока возникает за счет э. д. с. самоиндукции цепи короткого замыкания и изменяется по за­кону

На рис. 24.2 он представлен кривой i_a.

В-уравнении (24.1) величину Т_а называют постоянной вре­мени затухания апериодического тока, она равна отношению ' индуктивности цепи короткого замыкания к активному сопроивлению цепи, т. е.

Генераторы на электростанциях имеют автоматическое регулирование напряжения (АРН), наличие которого отражаете: на характере изменения тока к. з. (см. рис. 24.2, а). При отсутствии АРН напряжение генератора при токе к. з. уменьшаете: из-за размагничивающего действия магнитного потока статора С уменьшением напряжения уменьшается и ток к. з. до √2 I_∞ (рис. 24.2, б). При наличии АРН после возникновения к. а до начала действия АРН ток к. з. уменьшается, но через не которое время (t ≈ 0,2 с) АРН увеличивает ток возбуждения генератора и его напряжение повышается до номинального В связи с этим ток к. з. увеличивается (см. рис. 24.2, а) и установившийся ток к. з. в этом случае будет больше установившегося тока к. з. при отсутствии АРН генераторов (см рис. 24.2, б).

Если короткое замыкание происходит в удаленной точке о генератора или источник можно считать неограниченной мощности, что является характерным для сетей карьеров, получающих электроэнергию от мощных энергосистем, то периодическая составляющая тока к. з. не изменяется и можно считать что ток к. з. с момента возникновения к. з. равен установивше муся значению, т. е.

В этом случае применяют упрощенный метод расчета т. к. з.