3.1. Виды коротких замыканий

Трехфазное КЗ. Трехфазное КЗ – режим симметричный (рис. 3.1,а). Токи КЗ в месте КЗ одинаковы по значению во всех трех фазах, но их векторы сдвинуты относительно друг друга на 120^о. Все напряжения (линейные и фазные) в точке КЗ равны нулю. От системы до точки КЗ все напряжения уменьшаются от величины ЭДС системы до нуля.

Величина тока трехфазного КЗ

(3.1)

где: Е_С.Ф, Е_С.Л – фазная и линейная (междуфазная) ЭДС системы; Х_К – суммарное фазное сопротивление от системы до точки КЗ.

Ток КЗ примерно в 5–10 и более раз превышает номинальные токи генераторов и трансформаторов.

Рис. 3.1. Векторные диаграммы токов и напряжений

при металлическом трехфазном (а) и двухфазном (б, в) КЗ

Двухфазное КЗ. Двухфазное КЗ – режим несимметричный (рис. 3.1,б). Токи повреждения проходят только по двум замкнувшимся фазам. Их значения равны между собой, а векторы сдвинуты на 180^о, в третьей фазе ток равен нулю. Величина тока двухфазного КЗ

,

(3.2)

где: Е_С.Л – линейная (междуфазная) ЭДС системы; Х₁ и Х₂ – суммарные фазные сопротивления прямой и обратной последовательностей от системы до точки КЗ.

У трансформаторов и линий сопротивления Х₁ и Х₂ имеют одинаковые значения Х₁ = Х₂. Поэтому в электрических сетях вдали от электростанций можно примерно принимать

(3.3)

То есть, величина тока двухфазного КЗ несколько меньше величины тока трехфазного КЗ. Последнее соотношение обычно и используется при определении тока I⁽²⁾_К при расчетах, проводимых для релейной защиты.

В точке КЗ напряжение неповрежденной фазы равно номинальному, а напряжения поврежденных фаз равны между собой и равны половине номинального напряжения. Междуфазное напряжение поврежденных фаз в месте КЗ равно нулю (U_К.В-С), а два других междуфазных напряжения становятся равными 1,5 U_Ф или 0,866 U_Л, т.е. несколько снижаются по сравнению с нормальным режимом.

Однофазное КЗ на землю в сети с заземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше. В сетях с заземленной нейтралью замыкание одной фазы на землю является коротким замыканием. Со стороны питающей сети следует рассматривать два характерных случая: с разземленной нейтралью обмотки ВН трансформатора и с глухо заземленной нейтралью этой же обмотки (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Распределение токов при металлическом однофазном КЗ при глухозаземленной (а) и разземленной (б) нейтрали трансформатора

Токи КЗ протекают от всех заземленных нейтралей трансформаторов к точке КЗ. Поэтому, чем больше заземленных нейтралей в сети, тем больше ток однофазного КЗ на землю. Первоначально электрические сети напряжением 110 кВ и выше работали с глухо заземленной нейтралью, то есть были заземлены нейтрали всех трансформаторов. Постепенно с развитием электрических сетей число трансформаторов увеличивалось, что привело к росту токов однофазного КЗ на землю и они стали превышать токи трехфазного КЗ. Учитывая, что выбор оборудования проводится по токам трехфазного КЗ, возникла необходимость снижения однофазного КЗ на землю до уровня трёхфазного. Поэтому в настоящее время в России электрические сети напряжением 110 кВ работают, как правило, с глухо заземлённой заземленной нейтралью, но возможно применение и эффективно заземленной нейтрали [1, п.1.2.16].

Электрические сети напряжением 220 кВ и выше работают с глухо заземленной нейтралью, так как токи однофазных КЗ в этих сетях не превышают токов трехфазных КЗ.

Однофазное КЗ на землю – режим несимметричный: в месте повреждения ток КЗ протекает в одной поврежденной фазе. Величина тока однофазного КЗ равна

(3.4)

где Е_С.Ф – фазная ЭДС системы; Х₁, Х₂ и Х₀ – суммарные фазные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей от энергосистемы до точки КЗ.

В электрических сетях вдали от электростанций принимается Х₁ ≈ Х₂. Величина сопротивления Х₀ определяется числом заземленных нейтралей трансформаторов. В предельном случае в электрической сети с изолированной нейтралью сопротивление Х₀ = ∞. Тогда

,

(3.5)

то есть, замыкание одной фазы на землю перестает быть коротким замыканием.

Если заземлить нейтрали всех трансформаторов электрической сети, то величина Х₀ станет намного меньше Х₁ и можно принять Х₀ ≈ 0. Тогда

(3.6)

то есть, величина тока однофазного КЗ на землю может быть больше тока трехфазного КЗ максимум в 1,5 раза.

Для снижения тока однофазного КЗ на землю до величины трехфазного можно разземлить нейтрали у части трансформаторов и довести значение сопротивления нулевой последовательности до величины Х₀ = Х₁. В этом случае будем иметь

,

(3.7)

то есть, ток однофазного КЗ на землю станет равным току трехфазного КЗ. Именно это техническое решение применяется в электрических сетях с эффективно заземленной нейтралью напряжением 110 кВ. В энергосистемах производят расчеты токов КЗ и задают точки электрической сети и количество силовых трансформаторов нейтралей должны быть нормально разземлены.

Двойные короткие замыкания на землю . Рассмотрим этот вид повреждения электрической сети напряжением U_С = 3–6–10–35 кВ для се­тей с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы.

	Рассмотрим один из вариантов возникновения двойного КЗ на землю (рис. 3.3). Сначала по каким-либо причинам происходит однофазное замыкание на землю, например в линии Л1 повреждается изоляция фазы С на землю. Далее при горении заземляющей дуги в месте повреждения в электрической сети возникают перенапряжения, которые могут вызвать пробой изоляции на фазе А или В другой линии Л2. При этом
Рис. 3.3. Двойное замыкание на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью

однофазное замыкание на землю переходит в двойное короткое замыкание на землю, сопровождающееся протеканием больших токов.

Если релейная защита отключит одну из линий, например, Л1, то двойное КЗ на землю перейдет в однофазное замыкание на землю на линии Л2, которое может перейти в новое двойное КЗ на землю и так далее. Процесс может продолжаться до отключения линии с однофазным замыканием на землю персоналом электрических сетей.