Режимы работы и замыкания в электроустановках



Система электроснабжения (СЭС) может находиться в различных режимах работы: нормальном, ненормальном и аварийном. Рассмотрим эти режимы.

Основные определения

Нормальный режим работы — это такой режим работы электроустановки, при котором обеспечивается снабжение электроэнергией любых потребителей надлежащего качества. При этом показатели качества электроэнергии находятся в пределах, установленных ГОСТ 32144–2013 [3].

Аварийный режим работы — это режим работы электроустановки, который сопровождается отклонением рабочих параметров от предельно-допустимых значений. Этот режим работы характеризуется повреждением элементов СЭС, выходом из строя электрооборудования, возможным перерывом электроснабжения.

Ненормальный режим работы — это режим работы электроустановки, при котором значение какого-либо одного из параметров, характеризующего режим работы СЭС выходит за пределы диапазона допустимых рабочих значений. Они связаны с отклонениями значений величин тока, напряжения и частоты. Ненормальные режимы работы могут быть опасны для оборудования или устойчивой работы энергосистемы.

К аварийным режимам работы электроустановок относятся короткие замыкания: трехфазные (К⁽³⁾), двухфазные (К⁽²⁾), двухфазные на землю (К^(1.1)), однофазные (К⁽¹⁾). Все эти виды замыканий справедливы для сетей с заземленным режимом работы нейтрали [1, 2, 4, 5].

Короткое замыкание(КЗ) — это электрическое соединение двух точекэлектрической цепис разными значениямипотенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу или состояние, при котором сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания. Кроме того, короткое замыкание может возникать при нарушении изоляции токоведущих элементов [1, 2, 4, 5].

Виды коротких замыканий, основные соотношения токов инапряжений

При трехфазном коротком замыкании токи и напряжения во всех трех фазах равны по величине не только в месте короткого замыкания, но и любой другой точке сети: ; .

При двухфазном коротком замыкании на здоровой фазе ток отсутствует, а в поврежденных фазах проходят токи, одинаковые по величине и противоположные по направлению: , . Напряжение между поврежденными фазами равно нулю, а фазные напряжения равны: , .

При двухфазном коротком замыкании на землю соотношения токов и напряжений имеют следующий вид: , .

Для сетей с заземленной нейтралью этот вид короткого замыкания является более опасным по сравнению с двухфазным коротким замыканием из-за значительного уменьшения линейных напряжений в месте короткого замыкания.

При однофазном коротком замыкании соотношения токов и напряжений принимают следующий вид: ; . (Этот вид короткого замыкания справедлив только для сетей с заземленной нейтралью, также как и двухфазное короткое замыкание на землю.)

В электрических машинах возможны межвитковые короткие замыкания (замыкание витков обмотокротораилистатора, либо витков обмоток трансформаторов), а также замыкание обмотки на металлический корпус машины.

Короткое замыкание в любом из элементов СЭС может нарушить её функционирование — у некоторых потребителей может упасть питающее напряжение, что приводит к повреждению оборудования; в трёхфазных сетях при коротких замыканиях возникает несимметрия напряжений, нарушающая её нормальное электроснабжение. В системообразующих сетях короткое замыкание способно вызвать тяжёлые системные аварии [1–5].

Основные причины возникновения коротких замыканий

1. Старение и, вследствие этого, пробой изоляции.
2. Набросы на провода линий электропередачи (ЛЭП).
3. Обрывы проводов ЛЭП с падением на землю.
4. Механические повреждения изоляции кабельных ЛЭП при земляных работах.
5. Удары молнии в ЛЭП.

Чаще всего КЗ происходит через переходное сопротивление (через сопротивление электрической. дуги, возникающей в месте повреждения изоляции). Иногда возникают металлические КЗ без переходного сопротивления.

Таблица 1

Вероятность возникновения повреждений вэлектрических сетях

Вид КЗ/повреждения	Вероятность возникновения
Трехфазное — К(3)	1–7 %
Двухфазное — К(2)	2–13 %
Двухфазное на землю — К(1.1)	5–20 %
Однофазное — К(1)	60–92 %
Однофазное замыкание на землю — З(1)	60–92 %

Другие ненормальные режимы работы

В сетях, не имеющих непосредственного заземления нейтрали (изолированная, компенсированная или резистивно заземленная нейтраль) могут возникать только трехфазные и двухфазные короткие замыкания.

В упомянутых выше сетях (без заземления нейтрали) при электрическом контакте любой из трех фаз с землей возникают однофазные замыкания на землю (ОЗЗ), которые относятся к ненормальным режимам работы (не являются короткими), так как в режиме работы сети при однофазном замыкании на землю сеть (в классическом случае) не отключается устройствами релейной защиты и продолжает работать. В этом случае напряжения на здоровых фазах возрастают до линейных значений. Допустимые значения емкостных токов при однофазном замыкании на землю для сетей с различными классами напряжений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Допустимые значения емкостного тока при однофазном замыкании на землю

Класс напряжения, кВ	Допустимое значение емкостного ток, А
3–6	30
10	20
15–20	15
35	10
Генераторные цепи	5
ЛЭП на ж/б опорах	10

Именно этот режим работы в настоящее время вызывает живой интерес, так как на данный момент еще никому не удалось создать универсальную селективную защиту от однофазных замыканий на землю, поэтому актуальность и перспективность создания такой защиты не вызывает сомнений.

Кроме всего вышеперечисленного следует выделить режим перегрузки как одну из разновидностей ненормальных режимов работы. К ним относятся: перегрузка оборудования при превышении номинального значения тока, перегрузка оборудования при превышении номинального значения напряжения. При превышении номинального значения тока возникает повышенный износ изоляции, что приводит к её повреждению. При превышении напряжения выше номинального значения уменьшается срок службы электрооборудования и увеличивается вероятность возникновения аварий.

В заключение приведем таблицу с режимами работ нейтралей СЭС и видами замыканий, которые могут возникнуть в каждом конкретном случае.

Таблица 3

Виды замыканий всистемах электроснабжения

Вид замыкания или повреждения
Трехфазное — К(3)	+	+
Двухфазное — К(2)	+	+
Двухфазное на землю — К(1.1)		+
Однофазное — К(1)		+
Однофазное замыкание на землю — З(1)	+

Литература:

1. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В. А. Андреев. М.: Высшая школа, 2006. — 642 с.
2. Беркович М. А. и др. Основы техники релейной защиты / М. А. Беркович, В. В. Молчанов, В. Л. Семенов. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 376 с.
3. ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014. — 16 с.
4. Правила Устройства Электроустановок. 7-е издание.
5. Рожкова Л. Д. и др. Электрооборудование электрических станций и подстанций / Л. Д. Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В. Чиркова. — 4-е изд., стер. — М.: Академия, 2007. — 448 с.