Передмова

Надійність роботи електроенергетичних систем може бути забезпечена з врахуванням електромагнітних перехідних процесів, зумовлених короткими замиканнями (КЗ).

У конспекті лекцій подаються загальні відомості про КЗ, причини їх виникнення та наслідки, наводиться послідовність розрахунку струмів КЗ, розглядаються практичні методи розрахунку струмів симетричних і несиметричних КЗ, а також особливості розрахунку струмів КЗ в низьковольтних мережах. Поряд з цим, для розуміння фізики процесів розглядаються теоретичні питання, пов’язані з протіканням електромагнітних перехідних процесів, наводяться аналітичні співвідношення між схемними та режимними параметрами при КЗ в колі генераторів, а також система диференційних рівнянь Парка-Горєва, яку використовують для розрахунку надперехідних струмів КЗ і експрес-аналізу стійкості режимів енергосистем.

Належна увага в конспекті лекцій приділяється застосуванню обчислювальної техніки для розрахунку струмів КЗ, що дає можливість значно підвищити швидкість і точність розрахунків.

Поданий в конспекті матеріал ілюструється розрахунковими схемами, векторними діаграмами, графіками, що допомагає краще засвоїти теоретичний матеріал під час самостійної роботи студентів, а також розвиває практичні навики моделювання та використання обчислювальної техніки для аналізу електромагнітних перехідних процесів.

При складанні цього конспекту автори використовували відомі роботи в області перехідних процесів і власний досвід читання лекцій з цього курсу. Враховуючи навчальний характер конспекту, посилання на використані першоджерела не робилися, а в кінці наведений перелік використаних джерел, бібліографічний список яких є значно ширшим.

Розроблений конспект лекцій рекомендується для студентів всіх форм навчання спеціальності “Електротехнічні системи електроспоживання” та студентів інших споріднених електротехнічних спеціальностей. Він може бути використаний також інженерно-технічними працівниками енергетичних служб підприємств і слухачами післядипломної освіти.

1 Загальні відомості про короткі замикання в електричних системах

1.1 Основні визначення

Коротким замиканням (КЗ) у трифазній системі змінного струму називають непередбачене нормальними умовами роботи замикання між фазами, а в системах з заземленою нейтраллю  також замикання однієї або кількох фаз на землю чи нульовий провід.

Трифазні мережі можуть працювати з ізольованою, глухозаземленою або заземленою через індуктивний опір нейтраллю. В Україні з глухозаземленою нейтраллю працюють мережі напругою 220/380 В, а також мережі напругою 110 кВ і вище. Мережі 335 кВ працюють з ізольованою нейтраллю, або з нейтраллю, заземленою через індуктивний опір, в залежності від величини ємнісного струму при замиканні однієї з фаз на землю. Електричні мережі напругою 635 кВ працюють з ізольованою нейтраллю, якщо ємнісні струми замикання на землю не перевищують значень: в мережах напругою 320 кВ із залізобетонними і металічними опорами та мережах напругою 35 кВ10 А, в мережах з дерев’яними опорами напругою 36 кВ30 А, при напрузі 10 кВ20 А, а при напрузі 1520 кВ15 А. Для компенсації ємнісних струмів, якщо вони перевищують наведені вище значення, в нейтраль системи вмикають індуктивний опір –спеціальний дугогасний реактор.

У системах з ізольованою нейтраллю, або нейтраллю, заземленою через компенсувальний пристрій, замикання однієї з фаз на землю називають простим замиканням. При цьому виді пошкодження протікання струму зумовлено, головним чином, ємністю фаз відносно землі.

Мережі з ізольованою та компенсованою нейтраллю називають мережами з малими струмами замикання на землю, а мережі з глухозаземленою нейтраллю  мережами з великими струмами замикання на землю.

З метою зменшення струму однофазного КЗ частину нейтралей трансформаторів в мережах напругою 110кВ залишають розімкненими. Такі мережі називають мережами з ефективно заземленою нейтраллю.

КЗ характеризується різким збільшенням струму в пошкодженому колі – генераторах, трансформаторах, лініях, а також значним зниженням напруги на шинах споживачів, що знаходяться поблизу місця замикання.

Діюче значення струму КЗ на виводах генератора в перший момент часу досягає від (8..10) I_ном для гідро та до 15 I_ном для турбогенераторів.

Усталений струм КЗ (I_) в залежності від типу генератора, виду і місця замикання досягає значень (1,5..5)I_ном , а при наявності АРН може бути ще більшим (пристрій АРН забезпечує форсування збудження генератора, підтримуючи напругу в заданих межах).

У місці КЗ виникає деякий перехідний опір (електричної дуги, контактних з’єднань), наявність якого у деякій мірі обмежує струм КЗ і полегшує аварійний стан обладнання. При вирішенні задач стійкості обладнання в аварійних умовах слід виходити з найбільш важкого стану. Тому перехідний опір у місці КЗ приймають рівним нулю. Таке КЗ називають глухим або металічним.

Розрізняють наступні основні види КЗ:

 трифазне (замикання трьох фаз між собою);

 двофазне (замикання двох фаз між собою);

 однофазне (замикання однієї з фаз на землю або нульовий провід);

 двофазне КЗ на землю (замикання між двома фазами з одночасним замиканням цих фаз на землю).

Трифазне КЗ є симетричним замиканням. Всі інші види КЗ є несиметричними, оскільки при кожному з них фази знаходяться в різних умовах. Значення струмів і напруг окремих фаз, а також кути їх зсуву різні за величиною.

У таблиці 1.1 наведені основні види КЗ, їх умовні позначення на розрахункових схемах та відносна імовірність у відсотках [1]. Відносна імовірність всіх основних видів КЗ наведена для мереж з глухозаземленою нейтраллю, причому за 100% прийнято загальна кількість замикань в системі.

З таблиці 1.1 видно, що переважна більшість КЗ пов'язана з замиканнями на землю. Лише незначна частина припадає на долю трифазного КЗ, яке є найбільш важким.

Таблиця 1.1 – Основні види КЗ та їх відносна імовірність

Види короткого замикання	Принципова схема	Умовне позначення короткого замикання	Відносна імовірність, %
Трифазне		К(3)	5
Двофазне		К(2)	10
Однофазне		К(1)	65
Двофазне на землю		К(1,1)	20

У процесі розвитку аварії початковий вид КЗ часто змінюється. Так, наприклад, у кабельних мережах з трифазними кабелями несиметричні замикання часто переходять у трифазні через пошкодження ізоляції між жилами кабелю. У системах з ізольованою нейтраллю однофазні замикання на землю внаслідок перенапруг у непошкоджених фазах часто переростають в дво і трифазні КЗ.

Під час розрахунку трифазних КЗ, оскільки система залишається симетричною, можна використати замість трифазної однофазну схему заміщення, що значно спрощує розрахунок.

Застосування методу симетричних складових дає змогу визначити значення струмів та напруг при несиметричних КЗ як відповідні їм величини при умовному трифазному КЗ, віддаленому від дійсної точки замикання на деякий додатковий опір.

Крім основних видів КЗ в одній точці, в електричній системі можуть виникати замикання одночасно в різних її точках. Тут можливі самі різноманітні комбінації. Одним з частих видів таких пошкоджень є замикання на землю різних фаз у різних точках мережі з ізольованою нейтраллю. Такі види пошкоджень називають складними. До складних видів пошкоджень відносять також одночасне порушення симетрії трифазної мережі при КЗ. Як приклад, можна навести випадок обриву проводу повітряної лінії, коли кінець його, розміщений поблизу точки підвішування, залишається ізольованим, а інший, що впав на землю, створює однофазне КЗ.

Розрахунок струмів при складних видах пошкоджень, так само як розрахунок струмів несиметричних КЗ, проводять за допомогою методу симетричних складових. Розрахунок струмів трифазного КЗ найчастіше проводиться методом вузлових напруг.

Щодо відносного розподілу загальної кількості пошкоджень в електричній системі, то його можна характеризувати такими даними: у повітряних і кабельних мережах кількість пошкоджень становить 44,5%; в електричній частині станцій і підстанцій  55,5%.

Практика експлуатації електричних установок показує, що переважна більшість виникаючих пошкоджень (особливо в повітряних лініях) носить короткочасний, перехідний характер. Тому широке застосування знайшло автоматичне повторне вмикання (АПВ). Успішно використовують також пофазне автоматичне повторне вмикання (ОАПВ), тим більше, що однофазні КЗ становлять переважну більшість.