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:
- Нарушение изоляции происходящее в следствии её несовершенства, или посторонних причин (обрыв, удар молнии, попадание посторонних предметов).
- 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:
- 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.
- Установившегося. Возникает при несрабатывании защиты, ведёт к злектротермическому эффекту.
Действующее значение периодической составляющей к.з. может быть определено по формулам Тоя:
- I(3) = E / (3½ Z);
- I(2) = E / (Z1 + Z2);
- I(1) = (3½ 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 (iа) и периодической iр) составляющих.
iк = iа + iр
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 (iу).
Для удобства расчёта ударного тока, вводят ударный коэффициент 1 ≤ kу ≤ 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 → ∞. kу = 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.
