Энергетика глазами молодых (сборник)

Разработка системы заблаговременного обнаружения токов короткого замыкания

Брындин А. И. – студент группы 8Э-61, Гизбрехт О. П. – студент группы Э-31, Белицын И. В. – к.п.н., доцент РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Первые эксперименты человека с электричеством и созданием цепей для прохождения тока сопровождались короткими замыканиями и неисправностями, во время которых приобретался опыт и знания, выявлялись закономерности протекающих процессов и вырабатывались правила эксплуатации. На основе анализа допущенных ошибок начали создаваться устройства, предохраняющие оборудование и людей от электрического воздействия. Первыми такими приборами стали плавкие предохранители, которые перегорали при создании критических нагрузок, разрывая цепи электрического тока.

Более сложные защитные конструкции начали массово внедряться после 1891 года, когда в России по проекту Михаила Осиповича Доливо-Добровольского успешно транспортировали 220 кВт электрической энергии на 175 км с КПД в 77 % на основе трехфазной системы напряжения, разработанной этим же ученым.

В основу работы защит был положен принцип реле – устройств, которые постоянно отслеживают какой-либо электрический параметр сети, а при достижении им критических величин срабатывают: резко меняют свое первоначальное состояние, коммутируя электрическую схему.

Первые устройства защит выполнялись на основе электромеханических конструкций реле, а специалистов, занимающихся их эксплуатацией, стали называть термином «релейщики», который действует до настоящего времени.

Короткое замыкание (КЗ) – электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Также, коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.

Нарушения изоляции вызываются:

– перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями);

– прямыми ударами молнии;

– старением изоляции;

– механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов;

– неудовлетворительным уходом за оборудованием;

– набросы посторонних предметов на токоведущие части;

– ошибочные действия персонала.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

При коротком замыкании резко и многократно возрастает сила тока, протекающего в цепи, что, согласно закону Джоуля – Ленца приводит к значительному тепловыделению, и, как следствие, возможно расплавление электрических проводов, с последующим возникновением возгорания и распространением пожара.

Последствия коротких замыканий следующие:

– механические и термические повреждения электрооборудования;

– возгорания в электроустановках;

– снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их;

– выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.

Рисунок 1 – Виды коротких замыканий

Рисунок 2 – Изменение тока трехфазного короткого замыкания и его составляющих для случая возникновения максимального значения апериодической составляющей

Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом – у других потребителей может снизиться питающее напряжение, что может привести к повреждению устройства; в трёхфазных сетях при коротких замыканиях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые системные аварии.

Основные защиты, применяемые в релейной защите:

- токовая защита – ненаправленная или направленная (МТЗ, ТО, МТНЗ);

- защита минимального напряжения (ЗМН);

- газовая защита (ГЗ);

- дифференциальная защита;

- дистанционная защита (ДЗ);

- дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ).

- Виды защит по напряжению:

- защиты минимального напряжения;

- защиты максимального напряжения.

- Виды токовых защит:

- максимальная токовая защита и токовая отсечка;

- дифференциальная защита.

Рассмотрим принцип действия последнего вида защит.

Токовая отсечка – вид релейной защиты, действие которой связано с повышением значения силы тока на защищаемом участке электрической сети.

Устройства данной защиты контролируют величину силы тока на защищаемом участке. В случае увеличения силы тока выше определённого значения защита срабатывает на отключение этого участка.