Причины возникновения и последствия электромагнитных переходных процессов

Причины возникновения аварийных переходных процессов весьма разнообразны, но в большинстве случаев они являются результатом своевременно не обнаруженных и не устраненных дефектов электрооборудования, допущенных ошибок при проектировании, а также неудовлетворительного монтажа и (или) эксплуатации электроустановок.

Короткие замыкания являются результатом нарушения фазной или (и) линейной изоляции токоведущих частей электрооборудования, которое в основном вызывается:

• старением изоляционных материалов электротехнических устройств, своевременно не выявленным путем профилактических испытаний изоляции электрооборудования повышенным напряжением;
• загрязнением поверхности изоляторов;
• недостаточно тщательным уходом за оборудованием (в практике эксплуатации наблюдались случаи повреждения ограждений и крыш закрытых распределительных устройств, а также перекрытия изоляции животными и птицами);
• механическими повреждениями кабельных линий, имеющими место во время раскопок траншей;
• набросами посторонних предметов на токоведущие части воздушных ЛЭП и открытые шинопроводы;
• падением опор линий электропередачи;
• перенапряжениями в электроустановках (особенно в сетях с неза- земленными или резонансно-заземленными нейтралями), если их величина превосходит испытательное напряжение изоляции;
• прямыми ударами молнии;
• ошибками оперативного персонала.

К коротким замыканиям могут приводить ошибочные действия эксплуатационного персонала при невыполении им правил технической эксплуатации и должностных инструкций.

Сейчас на некоторых подстанциях, которые были спроектированы и построены в 1960—1970-х гг., еще применяются «упрощенные» схемы электрических соединений. Наличие короткозамыкателей в таких схемах и действие их создают преднамеренные короткие замыкания с целью быстрых отключений возникающих повреждений.

Уменьшение количества коротких замыканий в электрических системах связано со строгим соблюдением правил технической эксплуатации электроустановок и повышением качества продукции электротехнической промышленности.

Наиболее опасные последствия коротких замыканий проявляются обычно в элементах системы, прилегающих к месту короткого замыкания. В результате этого может возникнуть системная авария, приводящая к нарушению устойчивости системы и значительному технико-экономическому ущербу. Если короткое замыкание появилось на большой электрической удаленности от источника питания, то увеличение тока воспринимается генераторами как некоторое повышение нагрузки (см. пример 1.1), а сильное снижение напряжения происходит только вблизи места короткого замыкания.

Последствия коротких замыканий следующие.

1. Недопустимый нагрев токоведущих частей электрооборудования и его термическое повреждение из-за значительного увеличения токов (в 10—15 раз и более). Под термическим действием тока короткого замыкания понимается тепловое действие тока короткого замыкания, вызывающее изменение температуры элементов электроустановки. Характеристикой теплового действия тока короткого замыкания на рассматриваемый элемент электроустановки является интеграл Джоуля — условная величина, численно равная

где i_K — ток короткого замыкания; г_откл — момент отключения тока короткого замыкания.

Ток термической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании — нормированный ток, термическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании в течение нормированного времени.

2. Нарушение термической стойкости может привести к увеличению пожарной опасности и возгораниям в элекроустановках вследствие перегрева токоведущих частей, воспламенения горючих изоляционных материалов, самовоспламенения взрывоопасной среды. В электроустановках, находящихся в условиях взрывоопасной внешней среды, резкое увеличение тока при коротких замыканиях может нарушить взрыво- непроницаемость электрооборудования за счет коробления его оболочек. Увеличение пожароопасности может вызвать электрические искры и дуги, также обладающие воспламеняющей способностью.
3. Появление больших усилий между токоведущими частями, особенно в начальной стадии процесса короткого замыкания, которые могут привести к их механическому повреждению и разрушению. В этом проявляется электродинамическое действие тока короткого замыкания — механическое действие электродинамических сил, обусловленных током короткого замыкания, на элементы электроустановки. Ток электродинамической стойкости электрического аппарата при коротком замыкании — нормированный ток, электродинамическое действие которого электрический аппарат способен выдержать при коротком замыкании без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.
4. Снижение напряжения и искажение его симметрии, что отрицательно сказывается на работе потребителей. Момент вращения асинхронных электродвигателей пропорционален квадрату подведенного напряжения: М_д = U². Поэтому даже при сравнительно небольшом снижении напряжения момент двигателя может оказаться недостаточным для вращения механизма. При незначительных снижениях напряжения угловая скорость вращения ротора двигателей уменьшается, а это приводит к уменьшению производительности и увеличению потребляемого ими тока. При понижении напряжения на 30—40% в течение 1 с и более останавливаются достаточно загруженные электродвигатели, в результате чего нарушается технологический процесс промышленных предприятий и возникает экономический ущерб. Оставаясь включенными в сеть, остановившиеся двигатели могут вызвать дальнейшее снижение напряжения сети, т.е. полное нарушение электроснабжения не только данного предприятия, но и за его пределами.
5. При замыканиях на землю возникают неуравновешенные системы токов. Они способны создавать магнитные потоки, которые достаточны, чтобы в соседних линиях сигнализации и связи навести ЭДС, величины которых могут быть опасны для обслуживающего персонала и аппаратуры этих линий.
6. При задержке отключений коротких замыканий сверх допустимой продолжительности может произойти нарушение устойчивости электрической системы, что является одним из наиболее опасных последствий короткого замыкания, так как оно отражается уже на работе всей системы.