1-3. Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах

Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на величины токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте к. з. и все повреждения рассматриваются как «глухое» или, как говорят, «металлическое» соединение фаз между собой или на землю для сети с заземленной нейтралью. Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи линий напряжением до 330—500 кВ. Сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

Основные виды коротких замыканий приведены на рис. 1-17. Междуфазные короткие замыкания — двухфазные и трехфазные — возникают как в сетях с заземленной, так и в сетях с изолированной нейтралью. Однофазные короткие замыкания могут происходить только в сетях с заземленной нейтралью.

Основными причинами, вызывающими повреждения на линиях, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывание и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

б) Трехфазное короткое замыкание

Симметричное трехфазное короткое замыкание — наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к. з., так и в любой другой точке сети:

Векторная диаграмма токов и напряжений при трехфазном к. з. приведена на рис. 1-18.

Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его э. д. с. на одинаковый угол определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыкания:

Для линий 35 кВ этот угол обычно равен 45°, 110 кВ — 60°, 220 кВ — 80°.

Напряжение в месте короткого замыкания равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено, как показано на рис. 1-18, в.

Так как все фазные и междуфазные напряжения в месте трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места к. з. на небольшое расстояние, незначительны по величине, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы.

в) Двухфазное короткое замыкание

При двухфазном к. з. токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного к. з. между фазами В и С (рис. 1-19). В поврежденных фазах в месте к. з. прохо

Так же как и при трехфазном к. з., токи, проходящие в поврежденных фазах, отстают от создающей их э. д. с.

(в данном случае или параллельный ему вектор на угол определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

Соответствующие векторные диаграммы для места к. з. построены на рис. 1-19, а. По мере удаления от места к. з. фазные напряжения и междуфазное напряжение будут увеличиваться, как показано на рис. 1-19, а штриховыми линиями для точки n.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трехфазное короткое замыкание.

г) Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с заземленной нейтралью

Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного короткого замыкания. Токи, проходящие в месте к. з. и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном к. з.

В сетях же с заземленной нейтралью двухфазное к. з. на землю значительно более опасно, чем двухфазное короткое замыкание. Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте короткого замыкания, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других — до величины фазного напряжения неповрежденной фазы (рис. 1-20).

Соотношения токов и напряжений в месте к. з. для этого вида повреждения имеют следующий вид:

д) Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью

Однофазное короткое замыкание может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью (в Советском Союзе, как правило, с заземленной нейтралью работают сети напряжением 110 кВ и выше). Векторные диаграммы токов и напряжений в месте однофазного к. з. фазы А приведены на рис. 1-21, а формулы, определяющие их основные соотношения:

Однофазные короткие замыкания, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения одного

фазного напряжения, представляют меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные к. з.

е) Однофазное замыкание на землю в сети с малым током замыкания на землю

В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3—35 кВ, работающие с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку, замыкания одной фазы на землю сопровождаются значительно меньшими токами, чем короткие замыкания.

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы ( на рис. 1-22, а) относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в 1,73 раза и становятся равными междуфазным ( на рис. 1-22, б). Под действием напряжений через место повреждения проходит ток , замыкающийся через емкости неповрежденных фаз В и С. Емкость по- врежденной фазы зашунти- рована местом замыкания, и поэтому ток через нее не проходит.

Величина тока в месте замыкания на землю определяет-ся следующим выражением:

где — суммарное сопротивление цепи замыкания на землю. Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь. Тогда

где f — частота сети, равная 50 Гц; С — емкость одной фазы сети относительно земли.

Поскольку при замыкании фазы А на землю напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60°, то

Емкость сети в основном определяется длиной присоединенных линий, в то время как емкости относительно земли

обмоток генераторов и трансформаторов сравнительно невелики.

Для расчета величины емкостного тока (А/км), проходящего при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью, можно воспользоваться следующими выражениями, определяющими ток на 1 км кабельной линии:

для линии 6 кВ

где S — сечение кабеля, мм²; U_HOM — номинальное междуфазное напряжение кабеля, кВ.

Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения емкостных токов: 6 кВ — 0,015 А/км; 10 кВ — 0,025 А/км; 30 кВ — 0,1 А/км.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства — дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшой остаточной величины.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшую величину, а все междуфазные напряжения остаются неизменными (рис. 1-22), однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал.

Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного к. з. Поэтому согласно Правилам технической эксплуатации допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок.

В сетях, питающих торфопредприятия и передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение.