Общие сведения о коротком замыкании

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 13Следующая ⇒

Коротким замыканием называется всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режим работы, электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или землей, при котором токи в ветвях электроустановки резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима. Иначе говоря замыкание электрической цепи на весьма малое сопротивление и есть короткое замыкание.

Виды коротких замыканий:

· трехфазное короткое замыкание – называется симметричным коротким замыканием – самый тяжелый режим работы электрической цепи, так как сопровождается самым большим током;

· двухфазное короткое замыкание;

· однофазное короткое замыкание – наиболее часто встречающийся вид короткого замыкания.

Возможно двойное замыкание на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки в системах с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями.

Проверка оборудования на устойчивость к токам короткого замыкания производится по трехфазному короткому замыканию.

Причины коротких замыканий:

- не правильное действие обслуживающего персонала;

- механическое разрушение изоляции токоведущих частей;

- старение изоляции;

- нарушение технологических процессов;

- стихийные бедствия.

Последствиями коротких замыканий являются резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в отдельных точках системы. Дуга, возникающая в месте кз, приводит к частичному или полному разрушению аппаратов, машин и других устройств. Увеличение тока в ветвях электроустановки, примыкающих к месту КЗ, приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие части и изоляторы, на обмотки электрических машин. Прохождение больших токов вызывает повышенный нагрев токоведущих частей и изоляции, что может привести к пожару в распределительных устройствах, в кабельных сетях и других элементах энергоснабжения и будет причиной дальнейшего развития аварии.

Снижение напряжения приводит к нарушению нормальной работы механизмов, при напряжении ниже 70 % номинального напряжения двигатели затормаживаются, работа механизмов прекращается. Еще большее влияние снижение напряжения оказывает на работу электросистемы, где могут быть нарушены условия синхронной параллельной работы отдельных генераторов или станций между собой.

Ток КЗ зависит от мощности генерирующего источника, напряжения и сопротивления короткозамкнутой цепи. В мощных энергосистемах токи КЗ достигают нескольких десятков тысяч ампер, поэтому последствия таких ненормальных режимов оказывают существенное влияние на работу электрической установки.

Для уменьшения последствий коротких замыканий необходимо как можно быстрее отключить поврежденный участок, что достигается применением быстродействующих выключателей и релейной защиты с минимальной выдержкой времени. Немаловажную роль играют автоматическое регулирование и форсировка возбуждения генераторов, позволяющие поддерживать напряжение в аварийном режиме на необходимом уровне. Все электрические аппараты и токоведущие части электрических установок должны быть Выбраны таким образом, чтобы исключалось их разрушение при прохождении по ним наибольших возможных токов КЗ, в связи с чем возникает необходимость расчета этих величин.

Расчет токов короткого замыкания

Вся электрическая аппаратура и токоведущие части должны быть устойчивы к действию токов короткого замыкания в течении времени от момента возникновения короткого замыкания до момента отключения места короткого замыкания. Поэтому для правильного выбора токоведущих и электрических аппаратов, для расчета и настройки релейной защиты, а также для выбора средств ограничения токов короткого замыкания производится расчет необходимых значений токов и мощности короткого замыкания. Методы расчета различны для различных условий, так как характер изменения тока короткого замыкания в переходном режиме для различных условий не одинаков. Поэтому, прежде чем приступить к выполнению задания на расчет токов короткого замыкания, нужно хорошо разобраться в процессах, протекающих при коротком замыкании.

После возникновения короткого замыкания, ток короткого замыкания не сразу достигает установившегося значения (I_∞). Обусловлено это в цепях переменного тока индуктивностью электрической цепи и возникновением апериодической составляющей тока короткого замыкания (i_а). Складываясь с периодической составляющей тока короткого замыкания (i_п), апериодический ток вызывает изменение тока короткого замыкания по сложному закону в течении времени переходного режима. Если при этом место короткого замыкания расположено в электрическом отношении близко к источнику питания и напряжение на источнике уменьшается, то характер кривой тока короткого замыкания усложняется. Если же генераторы на электростанции имеют устройства для автоматической форсировки возбуждения (с целью автоматического регулирования напряжения), то кривая (осциллограмма) тока короткого замыкания ещё более усложняется. Все эти процессы и значения токов короткого замыкания в различных периодах (переходном, установившемся) нужно хорошо знать. Хорошо нужно разобраться, в каком случае процесс короткого замыкания будет затухающим, а в каком – незатухающим. Что такое система неограниченной мощности нужно представлять на примерах из практики.

В задании требуется выполнить расчет токов и мощности короткого замыкания. Для расчетов дается схема, для каждого варианта различная. На схеме указана точка, для которой нужно выполнить расчеты. Для каждого элемента указаны все необходимые расчетные данные. Расчет следует вести в относительных единицах. По расчетной схеме составляется схема замещения, определяются относительные сопротивления каждого участка схемы, приведенные к базисной мощности.

Базисная мощность может быть взята произвольно (обычно 100 МВА). За базисное напряжение принимается среднее значение напряжения ступени. Базисный ток определяется из соотношения между этими тремя величинами . В соответствии со схемой замещения определяется результирующее относительное сопротивление до точки короткого замыкания. При расчетах токов короткого замыкания студент должен хорошо представлять, почему при расчетах сопротивлений в относительных единицах мощность для всех участков схемы должна быть одинаковой (базисная мощность).

По результирующим сопротивлениям определяются следующие значения токов и мощности короткого замыкания:

1. Для незатухающего режима (варианты 1, 4, 5, 6, 7):

I ^″= I_к – действующее значение апериодической составляющей тока короткого замыкания, которое необходимо для определения ударного тока;

I_к= I_∞ - действующее значение установившегося тока короткого замыкания, которое необходимо для проверки электрических аппаратов и токоведущих частей на термическую устойчивость;

I_у – ударный ток короткого замыкания, который необходим для проверки электрических аппаратов и конструкций на динамическую устойчивость;

S_к – мощность короткого замыкания, которая необходима для выбора высоковольтных выключателей.

2. При затухающем режиме (варианты 2, 3, 8, 9, 10), который имеет место в том случае, если напряжение на источнике при коротком замыкании в электрической цепи будет уменьшаться, значение апериодической составляющей тока короткого замыкания в различные периоды будут неодинаковы:

Поэтому определяются следующие значения:

I^″- сверхпереходный ток короткого замыкания – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания за первый период;

I_у – ударный ток короткого замыкания;

I_∞ - установившийся ток короткого замыкания;

S_к – наибольшая мощность короткого замыкания, которая определяется для времени 0,2 с.

Расчет в этом случае ведется по расчетным кривым (кривые затухания).

При расчете по этим кривым необходимо иметь в виду следующее: во всех вариантах источниками являются турбогенераторы; если относительные сопротивления участков расчетной схемы приведены к произвольно взятой базисной мощности, то результирующее сопротивление (его в этом случае называют расчетным) нужно считать относительно суммарной мощности генератора подстанции по формуле:

где X_*рас – относительное расчетное сопротивление до данной точки короткого замыкания;

X_*рез– относительное результирующее сопротивление до этой же точки, подсчитанное относительно базисной мощности, например, 100 МВА;

S_∑ - сумма номинальных мощностей генераторов электростанция, МВА;

S_б - базисная мощность, МВА.

Для того, чтобы не делать указанного пересчета, рекомендуется за базисную мощность принимать мощность, равную суммарной мощности генераторов, .

В варианте 6 при расчете токов короткого замыкания нужно учесть влияние синхронного электродвигателя, который при коротком замыкании переходит в генераторный режим в результате снижения напряжения, и будет генерировать дополнительную мощность в точку короткого замыкания.

Наибольшую мощность и ток короткого замыкания синхронный двигатель будет генерировать при коротком замыкании на шинах, от которых он питается.

В этом варианте вначале рассчитываются токи короткого замыкания от системы (как от источника большой мощности), затем определяются токи и мощность короткого замыкания от синхронного двигателя по кривым затухания. Сумма значений этих токов и будет расчетной величиной, по которой определяются устойчивость к действию токов короткого замыкания шин и аппаратов.

В вариантах 1 и 10 установлены силовые двухобмоточные трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой. Две обмотки низшего напряжения одного трансформатора включаются на раздельные секции шин, за счет чего увеличивается сопротивление короткозамкнутой сети и уменьшаются токи короткого замыкания. Сопротивления обмоток трансформатора определяются по формулам.

Сопротивление обмотки высшего напряжения:

Сопротивление обмотки низшего напряжения:

Где, U_кв-н – напряжение короткого замыкания трансформатора.

рисунок 13

Общее сопротивление трансформатора в относительных единицах, приведенное к базисной мощности, определяется по формуле:

При расчетах токов короткого замыкания определять общее сопротивление до точки короткого замыкания нужно с учетом режима работы линий и трансформаторов, а также наличия устройств автоматического включения резерва.

Ниже приводятся примеры расчета токов короткого замыкания.

Пример 1. По расчетной схеме рассчитать токи и мощность короткого замыкания для указанных на схеме точек короткого замыкания.

рисунок 14

1. По расчетной схеме составляем схему замещения. Расчет ведем в относительных единицах. Поскольку схема питается от системы неограниченно большой мощности, процесс короткого замыкания будет незатухающим, все точки короткого замыкания можно считать электрически удаленными от источника.

2. Задаемся базисными условиями:

Определяем базисные токи:

;

3. Определяем относительные сопротивления участков схемы, приведенные к базисной мощности:

3.1. сопротивление до точки К:

;

3.2. сопротивление воздушной линии:

;

3.3. сопротивление силовых трансформаторов:

;

3.4. сопротивление реактора:

4. Определяем результирующие сопротивления до расчетных точек:

5.Определяем токи и мощность короткого замыкания для точки К₁:

5.1.Установившийся ток короткого замыкания:

;

5.2.Ударный ток:

;

5.3.Мощность короткого замыкания:

или:

6.Определяем токи и мощность короткого замыкания для точки К₂:

7. Определяем токи и мощность короткого замыкания для точки К₃:

7. Результаты расчетов сводим в таблицу:

Расчетные точки	I_K, кА	I_у, кА	S_K2, МВА
К₁	6,8	17,3	435
К₂	9,4	24	102
К₃	4,85	12,35	52,6

Пример 2. По расчетной схеме рассчитать токи и мощность КЗ для точки К.

Турбогенераторы электростанции имеют АРН (автоматическое регулирование напряжения).

S_Н1=S_Н2=30МВА

рисунок 15

1. Составляем схему замещения.

2. Задаемся базисными условиями:

U_б= 6,3кВ.

3. Определяем относительные сопротивления участков схемы, приведенные к базисной мощности:

Сопротивление генераторов:

Сопротивление реактора:

4. Определяем расчетное сопротивление до точки К:

Так как расчетное сопротивление меньше 3, то процесс КЗ – затухающий. Расчет токов и мощности КЗ ведем по кривым затухания, рис.

5. Пользуясь кривыми затухания для турбогенераторов с АРН, находим кратность периодической составляющей тока КЗ для x_рас=0,688 и времени:

t=0 : t=0,2c : t=∞ :

6. Определяем значение токов КЗ для различных моментов времени:

где К_у – ударный коэффициент.

7. Определяем мощность КЗ:

Результаты расчетов заносим в таблицу:

Расчетные точки	I^”=I_п=I_∞, кА	i_у, кА	S_к, МВА
К	26,8	68,22	251

Пример 3. Рассчитать токи и мощность при коротком замыкании в точке К. Расчетная схема приведена на рисунке. Линии и трансформаторы работают раздельно.

рисунок 16

Решение:

1. Составляем схему замещения:

2. Задаемся базисными условиями:

S_б=100МВА; U_б1=115кВ; U_б2=10,5кВ.

3. Определяем относительные сопротивления участков схемы, приведенные к базисной мощности:

Сопротивление линий:

Сопротивление трансформатора:

4. Определяем результирующее сопротивление до точки К:

5. Определяем токи и мощность при коротком замыкании в точке К:

5.1. Действующее значение периодическое составляющей тока КЗ и установившийся ток:

5.2. Ударный ток:

i_у=2,55I_п=2,55∙5,85=14,92кА;

5.3. Мощность короткого замыкания:

6. Результаты расчетов заносим в таблицу:

Расчетные точки	I_п, кА	i_у, кА	S_к, МВА
К	5,85	14,92	106,3

Вариант 3 1. Постройте схему замещения