Вот, что крайне не любят мои инженеры, так это считать токи коротких замыканий (КЗ) в проектах. Так и норовят принять оборудование по аналогам, с запасом, без расчета. И судя по всему — не только мои. Уже какой сторонний проект наблюдаю, так значения трехфазного КЗ крайне завышены (или вообще указаны «от балды»), соответственно, оборудование подобрано прилично дороже, чем требуется. Надежность и безопасность решения вызывают вопросы, так как не понятно, сработает ли защита. А ведь специалисту достаточно одного взгляда, чтобы закрались подозрения.
Что такое короткое замыкание и как оно «работает»?
Общее представление и закон Ома
Возьмем ГОСТ Р 52735 — 2007 и прочитаем, что коротким замыканием в электроустановке называется случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных точек (фаз) электроустановки между собой или с землей, при котором токи в ветвях, примыкающих к месту его возникновения, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
Написано, конечно, сложно. В быту мы все знаем, что если замкнуть два провода в розетке, то случится «трах-бах-бах», как правило, со световыми и шумовыми эффектами. Такое очень опасно, множество бытовых пожаров с этого и начинается. Я даже не говорю про последствия поражения электрическим током для здоровья человека, что сотворил глупость.
Если отбросить нюансы, то все объясняет закон Ома. Вы ведь его помните, конечно? Ну про то, что ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален электрическому сопротивлению. В нормальном режиме источник питания (генератор или трансформатор подстанции) работает как источник напряжения: напряжение на выводах в определенных пределах поддерживается постоянным, а мы подключаем нагрузку, которая и определяет ток в участке сети до этой нагрузки.
Тут есть один нюанс, связанный с источником питания и постоянным напряжением, понимание которого нам потребуется дальше. Да, генератор (трансформатор) рассчитаны на поддержание определенного напряжения и это напряжение будет присутствовать на его выводах, если нагрузка отсутствует (в режиме холостого хода). Однако, если подключить-таки нагрузку, то напряжение на выходе источника все равно немного снизится. Почему? Потому, что при подключении нагрузки потечет ток, в том числе внутри источника, проявит себя внутреннее сопротивление Zист. На внутреннем сопротивлении возникает падение напряжения ΔU и напряжение Uвых станет меньше его внутренней ЭДС (электродвижущей силы) E на эту величину.
Любой реальный источник обладает внутренним сопротивлением, но это не резистор, который можно потрогать, а эквивалентная величина, отражающая: активное сопротивление обмоток (R) и индуктивное сопротивление рассеяния (X).
Вообще прямой аналог напряжения — создание давления насосом для перемещения воды в гидросистеме.
Когда мы накоротко замыкаем наши, в рассмотренном случае, фазу и ноль, то исключаем основную нагрузку.
- Сопротивление цепи до точки КЗ очень сильно падает и напряжение (которое равно произведению тока на сопротивление U==I*Zпотр.) начинает стремиться к нулю. Если вернуться к аналогии с гидросистемой, то прямо рядом с выходом случается разрыв, куда устремляется вся вода (ток), но давление на выходе насоса мгновенно падает, а вся его энергия начинает тратиться на разгон воды внутри себя и выброс ее наружу. Напряжение на шинах источника питания проседает, но, конечно, не до нуля.
- По итогу в первые же микросекунды аварии система перестает быть источником напряжения и становится для цепи КЗ источником тока. Величина тока теперь определяется не потребителем (сопротивлением нагрузки Zпотр.), а внутренним сопротивлением самого источника и сопротивлением линии до места повреждения I=U/(Zист+Zл). Значения тока по итогу достигают значительных величин. Как правило (но не всегда!), это порядок кА.
Максимальный ток КЗ, который может сгенерировать источник питания, прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален его внутреннему сопротивлению.
Это означает, что параметры источника питания, определенные для нормального режима, для КЗ не могут быть использованы напрямую, для определения мощности и тока КЗ на его выводах. Один деятель на полном серьезе пытался мне доказать, что мощность КЗ за трансформатором не может быть больше номинальной мощности питающего трансформатора! Чем, между прочим, замотивировал написать когда-нибудь эту статью.
Ток короткого замыкания после силового трансформатора
Чтобы сразу закрыть этот вопрос.
Естественно, что чем дальше от источника, тем все-таки больше полное сопротивление и меньше (относительно) будет значение тока КЗ. То есть, когда на шинах ТП (трансформаторной подстанции) условно 25 кА, а потом на ВРУ (вводно-распределительном устройстве) вдруг оно становится 55 кА, ситуация в общем случае фантастическая. Точнее гипотетическая, требующая серьезного обоснования.
Так что грубо оценить диапазон возможных токов КЗ сразу за трансформатором (при условии отсутствия за ним иных источников питания) легко и без расчета.
Энергия короткого замыкания
Энергия, которая выделяется в точке КЗ через огромные токи (в виде тепла, света дуги, разрушений), берется из двух основных источников:
- От источников питания (периодическая составляющая тока КЗ). В их качестве выступают внешняя сеть, а также подключенные параллельно им функционирующие генераторы. То есть вблизи мощного дизель-генератора, работающего синхронно с сетью ток КЗ будет выше, чем прямо в точке подключения предприятия к сети. Рассмотрим такую ситуацию (крайне редко встречающуюся на практике) далее, но уже в следующей статье.
- От индуктивных компонентов сети (это энергия магнитного поля обмоток двигателей, реакторов, трансформаторов, которая накопилась в них до аварии). Именно эта энергия создает апериодическую составляющую тока КЗ и ударный ток iуд.
Ниже для понимания представлен график изменения короткого замыкания и его составляющих во времени. Дело в том, что методики расчета КЗ и нормативные документы легко и непринужденно оперируют понятиями апериодической и периодической составляющими тока КЗ, представлять это наглядно крайне полезно.
Факторы, влияющие на величину токов короткого замыкания
Синхронные и мощные асинхронные двигатели, подключенные к шинам за трансформатором механически инертны и при исчезновении питания некоторое время продолжают крутиться, то есть работать как генераторы (это называется подпитка КЗ от двигателей). Явление может увеличивать суммарный ток КЗ в первое время на 20–50%.
На величину тока КЗ за трансформатором влияет мощность питающей сети. Если трансформатор подключен к мощной сети (или «системе бесконечной мощности»), то ток КЗ за трансформатором будет определяться практически только его собственным сопротивлением. Приведенная выше формула работает именно для этого случая. Но, если питающая сеть имеет значительное сопротивление, она будет дополнительно ограничивать ток КЗ, и реальная величина может оказаться ниже расчетной. Не учет данного фактора грозит неправильным подбором защитно-коммутационного оборудования, которое просто не сработает в требуемый диапазон времени при аварии. При проектировании всегда нужно запрашивать мощность КЗ на шинах питающей подстанции. Нельзя автоматически считать, что трансформатор подключен к системе «бесконечной мощности».
Что еще может повлиять на величину тока КЗ?
В реальной установке на пути тока КЗ помимо сопротивления кабельных линий и шинопроводов есть:
- переходные сопротивления контактов (болтовые соединения, разъемы);
- сопротивление дуги в месте КЗ.
При определении максимальных значение токов КЗ в связи с незначительностью, этими сопротивлениями обычно пренебрегают, но для целей проверки чувствительности в минимальном режиме они, как правило, учитываются.
Причины коротких замыканий
Среди причин возникновения КЗ можно выделить следующие:
- нарушение изоляции электрооборудования, вызываемое ее старением, загрязнением поверхности изоляторов, механическими повреждениями;
- пробоем изоляции в момент перенапряжений;
- механические повреждения элементов электрической сети (обрыв провода линии электропередачи и т. п.);
- грозовое перекрытие (воздушной) изоляции;
- перекрытие токоведущих частей животными (в том числе птицами)
и неразумными человеками; - падение деревьев на участки ЛЭП;
- гололедообразование;
- ошибки персонала при выполнении переключений, обслуживания или ремонтных работах.
Кстати, помните, в определении было про преднамеренное соединение различных точек (фаз) электроустановки между собой или с землей. Так вот КЗ могут возникать из-за действия короткозамыкателей — специальных аппаратов, которые создают короткие замыкания, чтобы быстро отключить линию с помощью вышестоящего защитно-коммутационного оборудования. Ну это когда по месту полноценное распределительное устройство ставить дорого, а управлять ситуацией надо.
Вообще короткое замыкание — это не сказать, чтобы редкое явление. Так согласно данным ПАО «ФСК ЕЭС» за 2016 год в зоне их ответственности в среднем КЗ возникало каждый 56 часов в течении года.
Электротехнический персонал, ответственный за эксплуатацию электроустановок, занимается профилактикой коротких замыканий. В ее рамках, в ходе планово-предупредительных ремонтов осуществляют очистку изоляции, замену морально и технически устаревших компонентов электроустановок, расчистку трасс от насаждений и т. д. Кроме того, выполняют регулярные замеры и контроль сопротивления изоляции, испытания оборудования повышенным напряжением. Это позволяет своевременно обнаруживать дефекты элементов и осуществлять замену. Перечень мероприятий и требования к их выполнению приводятся в нормативно-технической документации: Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП), Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭЭСС), Объем и нормы испытаний электрооборудования (СТО 34.01-23.1-001-2017) и др.
Виды коротких замыканий
Различных видов КЗ выделяют довольно много.
Стоит сказать, что трехфазные системы электроснабжения могут использовать разную схему подключения нейтрали, а именно: изолированную и глухозаземленную. Для каждой из них токи замыкания при равных условиях могут отличаться.
Для целей правильного выбора элементов электроустановок и определения уставок релейной защиты в трехфазной сети переменного тока определяют величину следующих токов КЗ.
Короткие замыкания в трехфазных сетях разделяют на трех-, двух-, однофазные и двухфазные на землю. Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при нем все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку фазы оказываются в разных условиях, а системы токов и напряжений получаются искаженными.
- Трехфазное КЗ: дает максимальный ток в начальный момент. Именно его мы обычно считаем для проверки оборудования на термическую и электродинамическую стойкость.
- Двухфазное КЗ: ток ниже, чем при трехфазном, но составляет значительную долю. Важно для расчета чувствительности защит междуфазных замыканий.
- Однофазное КЗ на землю: в сетях с глухозаземленной нейтралью (сети 110 кВ и выше, а также сети 0,4 кВ) ток однофазного КЗ часто ограничивается переходным сопротивлением дуги и сопротивлением петли «фаза-ноль». Если мы его недооценим, автоматический выключатель может просто не сработать за время, достаточное для безопасного отключения. Автомат не сработает по защите от КЗ, а будет отключаться по тепловой защите с задержкой в секунды или минуты. За это время проводка может перегреться и стать источником пожара. Значение однофазного КЗ используется для целей выбора заземляющих устройств.
Также для проверки оборудования используется величина ударного тока iуд (максимальная величина мгновенного значения тока, которая наступает через 0,01 с после начала процесса КЗ).
Как работает и устраивается защита от короткого замыкания
Короткое замыкание необходимо обнаружить и отключить от источника (источников) питания. Для этого используют защиты, которые осуществляют автоматическое снятие напряжения с оборудования (отключение), подвергшегося действию повышенных токов. Важно понимать, что разрушительная энергия распространяется по сети «сверху-вниз» до точки КЗ и на ней уже преобразуется из электрической в другие виды. Электрический ток же, проходя по любому проводнику, вызывает термический нагрев токопровода и наведение магнитного поля. На этом конструктивно построены существующие устройства защиты.
Так простой автоматический выключатель имеет в своем составе биметаллическую пластину (тепловой расцепитель), которая нагревается при относительно небольшом превышении допустимого значения тока (или перегрузке), что приводит к её изгибу и активизации механизма отключения. Электромагнитный расцепитель состоит из катушки и подвижного сердечника. При появлении достаточного магнитного поля от сверхтока, сердечник мгновенно размыкает автомат. Естественно, первичные преобразователи тока могут быть вынесены, а сигналы с них преобразованы в цифровой вид и далее обрабатываться в интеллектуальных системах.
Величину тока, на который защиты настраивают для отключения, называют уставкой по току. Также существует уставка по времени, которая определяет, когда отключение должно произойти с момента обнаружения превышения уставки по току. Уставки могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. Например, для модульных автоматов (MCB) уставки расцепителей нерегулируемые, задаются типом характеристики: B (для электромагнитного расцепителя: 3–5 In), C (5–10 In), D (10–20 In). Выбор характеристики зависит от характера нагрузки и пусковых токов.
Вся система секционируется на участки, для каждого из которых устраивается свое защитно-коммутационное устройство (это может быть предохранитель, автоматический выключатель, выключатель с цифровым или релейным блоком защиты и т. д.). При этом ближайшая к поврежденному участку защита должна сработать в первую очередь. Таким образом, физически обеспечивается избирательность — отключается только поврежденный участок, остальная электроустановка продолжает функционировать. Это так называемый принцип селективности.
Отключение поврежденного участка должно происходить как можно быстрее. Согласно требованиям, автоматические выключатели должны отключать КЗ за десятые секунды, современные аппараты делают это за 0,01–0,005 секунды. Токоограничение не позволяет выделиться значительной энергии в точке КЗ, а значит вероятность негативных последствий снижается. Такой подход называется принципом быстродействия.
Ну и принцип энергетической координации. Все элементы цепи (кабели, аппараты, шины) должны быть согласованы по энергетическим характеристикам. Условие защиты формулируется так: энергия, которую пропускает защитный аппарат, должна быть меньше энергии, которую способен выдержать проводник. Если это условие нарушено, кабель может сгореть раньше, чем сработает автомат.
Методы обеспечения принципа селективности
Как добиться того, чтобы отключался только поврежденный участок? В стандартах описано несколько подходов.
Токовая селективность. Чем ближе к источнику питания, тем выше ток КЗ. Устанавливаются разные пороги срабатывания защит у вышестоящего и нижестоящего автоматов. Но если ток КЗ очень велик (КЗ на шинах рядом с вышестоящим автоматом) или разница для участков незначительна, селективность может нарушиться.
Временная селективность. Вводится искусственная задержка срабатывания у вышестоящего автомата. Из-за задержки вышестоящий автомат пропускает через себя большую энергию КЗ, поэтому он должен быть рассчитан на более высокую термическую стойкость.
Энергетическая селективность. Основан на использовании токоограничивающих автоматов, которые разрывают цепь настолько быстро (в доли миллисекунды), что полный ударный ток КЗ не успевает развиться. Производители автоматических выключателей публикуют специальные таблицы сочетаемости автоматов (координационные таблицы). Если выбрать пару согласно таблице, нижестоящий успеет отключиться, не дав «разогнаться» току вышестоящего. Это используется в связках «вводной автомат — отходящие линии» в главных распределительных щитах (ГРЩ).
Зонная селективность. Когда используются интеллектуальные алгоритмы или сторонняя координация срабатывания. Условно, если нижестоящий автомат «видит» КЗ, он посылает сигнал вышестоящему. Вышестоящий автомат блокирует свое срабатывание на заданное время. Если нижестоящий по какой-то причине не отключился (неисправность) или он не посылает сигнал, и вышестоящий отключается, выступая в роли резервного.
Специфика защиты цепей постоянного тока
Защитно-коммутационные аппараты, используемые в цепях переменного тока в общем случае, не подходят для цепей постоянного тока. В цепях переменного тока ток дважды за период (каждые 10 мс при 50 Гц) проходит через ноль. В этот момент дуга легко гасится дугогасительной камерой. В цепях постоянного тока нет «естественного нуля». Дуга горит стабильно и гасится гораздо сложнее.
Автоматические выключатели для постоянного тока имеют специальные дугогасительные камеры (часто с постоянными магнитами для выдувания дуги). Для защиты некоторого полупроводникового оборудования предъявляются особые требования к быстродействию защиты, которая должна составлять единицы микросекунд (полупроводниковые ключи (IGBT, MOSFET) выходят из строя за 10–20 мкс).
Учет возможных коротких замыканий при проектировании электроустановок
Если не отключить КЗ, источник питания будет «пытаться» выдать «бесконечный» ток, пока не сгорит сам или его не отсоединит от поврежденного участка защита. Как известно из закона Джоуля — Ленца количество теплоты Q, выделяемое на участке цепи с сопротивлением R, пропорционально квадрату силы тока Iна этом участке. Можно прикинуть, что если ток КЗ увеличился относительно номинального в 10 раз, то количество теплоты, что выделится при этом, возрастет примерно в 100 раз (при прочих равных условиях).
Кроме того, нельзя забывать, что при КЗ имеют место механические электродинамические силы, что способны разрушить шины, изоляторы, деформировать другое оборудование. Вспомним основы электромагнетизма: проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Если рядом оказывается другой проводник с током, их поля взаимодействуют. На каждый из проводников действует сила Ампера. Если не вдаваться в подробности, получается, что она по значению пропорциональна произведению токов в проводниках. Теперь представим, что при трехфазном КЗ в каждом проводнике течет свой ток (например, iуд), сдвинутый по фазе. В худшем случае, когда в одной фазе пик, а в другой — такой же пик, но противоположного знака, сила будет пропорциональна также квадрату тока.
Тут есть еще один практический аспект, на который хочу обратить внимание. Предположим, что до того, как сработала защита, ударный ток iуд создал усилие, которое погнуло шину или повредило изоляцию кабеля. Выключатель отключился. Включать его снова сразу нельзя — произойдет авария. Обязательно необходимо произвести обследование места повреждения.
Расчет токов КЗ при проектировании систем электроснабжения и отдельных электроустановок выполняется по итогу для решения двух задач:
- выбора (проверки) используемого электрооборудования (на термическую и электродинамическую стойкость, автоматических выключателей — на коммутационную способность);
- выбора уставок защит электрооборудования для функционирования электроустановок.
Что же, я постарался максимально, как это вижу, просто рассказать про физику короткого замыкания. При наличии дополнений, пожеланий и благодарностей прошу оставлять их в комментариях. А в следующей статье поговорим о практике расчетов токов КЗ.
Я выполняю моделирование токов КЗ: Iк(3), Iк(2), Iк(1), iуд на коммерческой основе в программе EnergyCS «Энергия ТКЗ». Это позволяет мне оставаться практикующим инженером, а не просто управленцем. Если вам нужна помощь в расчете токов КЗ (разовые заказы или небольшие проекты), то пишите описание задачи на почту. В теме письма укажите «Расчет токов КЗ», чтобы ваше обращение не потерялось.
Ознакомиться с содержанием журнала.
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи. При желании вы можете поблагодарить автора чашкой кофе для стимулирования мыслительного процесса и блогерского энтузиазма.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.