1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯНОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
1.1 Общие теоретические сведения
Короткое замыкание-всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановок между собой или с землёй.
Причинами КЗ обычно являются нарушение изоляции, вызванные её механическими повреждениями, старением.
Снижение уровня напряжения при КЗ в сети ведёт к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности и даже к полному останову.
Резкое снижение напряжения при КЗ может привести к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов электростанций и частей электрической системы, возникновению системных аварий.
Как правило, в месте КЗ возникает электрическая дуга, которая образует вместе с сопротивлениями элементов пути тока КЗ переходное сопротивление. Иногда возникают металлические КЗ без переходного сопротивления.
Во время КЗ токи в фазах сети резко увеличиваются до значений, во много раз превышающих максимальный ток рабочего режима. Наступает аварийный режим КЗ, при котором токоведущие части и аппараты подвергаются значительным электродинамическим и термическим воздействиям. Для их правильной оценки необходимо уметь определять максимальное значение тока КЗ. в заданной точке сети в любой момент времени после начала КЗ.
Для проверки электрооборудования по режиму короткого замыкания требуется сопоставить параметры режима К. З. с параметрами электрооборудования. Для возможности такого сопоставления параметры режима КЗ преобразуются в параметры режима расчётных условий КЗ.
Расчётные условия КЗ включают в себя расчётную схему электроустановки, расчётный вид КЗ, расчётную точку КЗ, расчётную продолжительность КЗ.
К мерам, уменьшающим опасность развития аварий, относятся: выбор рациональной схемы сети, правильный выбор аппаратов по условиям КЗ, применение токоограничивающих устройств и т. п.
Для осуществления указанных мероприятий необходимо уметь определять токи КЗ и учитывать характер их изменения во времени.
С целью уменьшения воздействия токов КЗ на электрооборудование предложены и используются различные методы и средства ограничения токов КЗ. Экономически выгодно применять меры по ограничению токов КЗ, если дополнительные затраты на это окупаются благодаря применению более лёгкой аппаратуры и токоведущих частей и повышается надёжность электроснабжения потребителей.
В настоящее время для ограничения токов КЗ в энергосистемах наиболее часто используются: стационарное и автоматическое деление сети, токоограничивающие реакторы и аппараты, трансформаторы с расщеплённой обмоткой низшего напряжения, а также разземление нейтралей части силовых трансформаторов, их заземление через реакторы и резисторы.
В системе тягового электроснабжения электрических железных дорог уменьшение отрицательного воздействия токов КЗ выполняется в основном за счёт снижения времени действия токов КЗ путём увеличения быстродействия работы защит и уменьшения собственного времени и времени гашения дуги выключателей. Таким образом, исследование и расчеты токов КЗ необходимы по следующим причинам:
- для сопоставления, оценки и выбора главных схем электрических станций, сетей и подстанций;
- выбора и проверки электрических аппаратов и проводников;
- проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики;
- определения влияния токов нулевой последовательности линий электропередачи на линии связи;
- оценки допустимости и разработки методики проведения различных испытаний в электрических системах;
- анализа устойчивости работы энергосистем.
1.2Требования к выполнению лабораторной работы
Лабораторная работа разделяется на две независимые работы:
Лабораторная работа 1:
«Исследование токов короткого замыкания в системе тягового электроснабжения переменного тока»,
Лабораторная работа 2:
«Исследование токов короткого замыкания в системе тягового электроснабжения постоянного тока»,
Работы могут выполняться в любой последовательности. Отчёт по выполненным работам каждый студент предоставляет индивидуально. Отчёт должен быть оформлен в соответветствие с Международной системой единиц СИ и ЕСКД. Перед выполнением лабораторной работы студент должен ознакомиться с соответствующей литературой и ответить на контрольные вопросы.
Отчёт по лабораторной работе должен включать в себя:
1. Наименование работы.
2. Цель работы.
3. Порядок выполнения работы.
4. Расчётные формулы.
5. Графики по результатам выполненной работы.
6. Выводы по проделанной работе.
Лабораторные работы выполняются на ЭВМ в программном обеспечении Mathcad.
Для установки Mathcad 12 требуется IBM - совместимый ПК со следующими основными характеристиками:
- процессор Pentium 133 и выше;
- устройство чтения компакт дисков;
- операционная система Windows 98/2000/XP или Windows
NT 4.0. и выше;
- не менее 48 Мбайт памяти ;
- не менее 80 Мбайт свободного пространства на жёстком диске при типовой установке и не менее 30 Мбайт при установке в минимальном варианте;
- графическая видеосистема Super VGA с числом цветов не менее 256;
- стандартная мышь.
2 Лабораторная работа 1: «Исследование токов короткого замыкания в тяговой сети переменного тока»
2.1 Теоретические сведения о процессах короткого замыкания в системе тягового электроснабжения переменного тока и основные расчётные выражения.
Тяговая сеть напряжением 27.5 кВ может быть представлена как электрическая цепь с активной R и индуктивной X составляющими сопротивлени. Емкостной составляющей из-за её малости в системе тягового электроснабжения пренебрегают. Схему тягового трансформатора λ/Δ приводим к схеме λ/λ, для которой далее приведены расчётные формулы. При подключении такой цепи к достаточно мощному источнику с синусоидальным напряжением 
ток в ней изменяется
по закону:
где 
, Uн – номинальное напряжение, Iк – действующее значение установившегося тока КЗ, φк – угол сдвига тока Iк относительно напряжения, ψ – начальная фаза напряжения, Xc, Rc индуктивное и активное сопротивление энергосистемы; XT, RT - то же тяговой подстанции;XТС, RТС - то же тяговой сети.
Первое слагаемое в выражении (1) называется периодической или вынужденной составляющей, второе апериодической или свободной составляющей. При удалённых КЗ. апериодическая составляющая затухает через 15-30 мс. При близких к тяговой подстанции КЗ постоянная времени T возрастает (из-за малости Rc и RT) и время затухания апериодической составляющей увеличивается до нескольких периодов.
Установившееся значение тока КЗ при расстояниях между подстанциями 50-60 км на двухпутном участке с постом секционирования изменяется в зависимости от места повреждения в диапазоне от 400 до 6000 А.
Фазовый угол 
основной гармоники тока КЗ определяется, в основном, параметрами тяговой сети и составляет 60-80о.
На величину тока и фазового угла при КЗ большое влияние оказывает электрическая дуга, возникающая в месте повреждения.
Эквивалентное сопротивление дуги RД полагают активным.
Гашение электрической дуги переменного тока облегчается тем, что через каждые полпериода ток в цепи проходит через нулевое значение и дуга погасает на очень короткий промежуток времени. В большинстве отключающих аппаратов переменного тока этот момент перехода тока через нуль и используется для создания таких условий, чтобы погаснувшая дуга не могла зажечься вновь
В конструкциях современных выключателей переменного тока используются различные методы гашения дуги. Различия определяются средой, в которой производится гашение, и способами воздействия её на столб дуги.
В качестве среды гашения применяют газовые смеси – продукты разложения минерального масла, элегаз (шестифтористая сера SF6), вакуум.
Масляные выключатели относятся к классу газогенерирующих, так как средой гашения дуги служат газообразные продукты распада минерального масла, образующиеся под действием тепла столба дуги.
Средой гашения дуги в элегазовых выключателях является элегаз – инертный газ, плотность которого превышает плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Особые электроотрицательные свойства элегаза заключаются в его способности захватывать свободные электроны и образовывать тяжелые, малоподвижные отрицательные ионы. Поэтому когда дуга горит в среде элегаза, она при подходе тока к нулю очень быстро теряет электроны, становится неустойчивой и гаснет.
Основой любого вакуумного выключателя является дугогасительная вакуумная камера.
Под действием атмосферного давления контакты камеры нормально замкнуты. При размыканием контактов под током на месте последней контактной точки образуется расплавленный металлический мостик. Который под действием выделяемого тепла быстро, со взрывом, испаряется, образуя ионизированное, проводящее ток облачко паров металла – дугу. Давление внутри дуги существенно выше, чем в разреженном окружающем её пространстве, поэтому пары металла с большой скоростью распространяются по всему объёму камеры (диффундируют). Это обеспечивает очень быстрое восстановление электрической прочности межконтактного промежутка(5 -10 кВ/мкс). В результате уже после первого или, максимально, второго перехода через нуль ток через камеру прерывается. Согласно ТУ неотключение вакуумным выключателем нормированного тока за два полупериода считается недопустимым; такой выключатель бракуют.
Приведём формулы, необходимые для расчёта параметров схемы замещения цепи КЗ (Рисунок 1).:
Сопротивление системы внешнего электроснабжения
Индуктивное:
(4)
где Uн - номинальное напряжение;
Sкз - мощность короткого замыкания системы.
Для индуктивного сопротивления X индуктивность высчитывается по формуле:
, (5)
где f – промышленная частота, f = 50 Гц.
В лабораторной работе для упрощения расчётов принимаем, что активное сопротивление системы в три раза меньше индуктивного, т. е.
(6)
Сопротивление трансформатора
Индуктивное:
(7)
где uк - напряжение короткого замыкания трансформатора, % ;
ST –номинальная мощность трансформатора, МВА;
Uн – номинальное напряжение трансформатора, кВ;
активное:
(8)
где ΔP-потери короткого замыкания, Вт.
Сопротивление тяговой сети
Индуктивное
(9)
где xТС - индуктивное удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км;
l - расстояние от тяговой подстанции до места короткого замыкания. м.
активное
(10)
где rТС - активное удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км
(xТС, rТС зависят от вида тяговой сети, см. рисА1 приложение А).
Активное сопротивление дуги:
(11)
где Lу - длина пути утечки по поверхности одного изолятора, м;
nиз - число изоляторов в гирлянде;
б - коэффициент, учитывающий возможность развития дуги по
наикратчайшему пути в воздухе;
Iк - действующее значение тока КЗ, протекающего в дуге, А.
Для тарельчатых изоляторов Lу= 0.26 – 0,37 м. Коэффициент б для быстродействующих защит принимают равным 0,8 – 0,9.
Большие сопротивления дуги осложняют работу защиты, особенно тех её ступеней, которые реагируют на фазовый угол тока КЗ. При замыкании через дугу с сопротивлением 2 – 2,5 Ом фазовый угол удалённого тока КЗ уменьшается до 52 – 550.Фазовый тока КЗ при близких к подстанции повреждениях, сопровождающихся электрической дугой, снижается ещё больше.
Так как сопротивление дуги в месте КЗ полагают чисто активным, то индуктивное сопротивление дуги примем равным нулю.
2.2 Задача и план лабораторной работы
Задача лабораторной работы:
Исследовать токи короткого замыкания при различных параметрах цепи КЗ.
План лабораторной работы :
1. Рассчитать активные и индуктивные сопротивления цепи короткого замыкания: сопротивление системы, сопротивление подстанции, сопротивление тяговой сети, сопротивление дуги в месте короткого замыкания.
2. Рассчитать на компьютере функцию iкз(t) и U(t) в вариантах :
2.1 с учётом тяговой сети (КЗ в тяговой сети);
2.2 без учёта тяговой сети (КЗ на шинах тяговой подстанции);
2.3 возникновения КЗ при различных начальных значениях фазы ψ напряжения.
3. Построить графики зависимости функции тока короткого
замыкания iкз(t) и напряжения u(t)
4. Определить:
4.1 действующее значение установившегося тока короткого замыкания;
4.2 максимальную амплитуду тока короткого замыкания;
4.3 фазу тока короткого замыкания установившегося режима.
5. Сделать соответствующие выводы
Исходные данные для выполнения лабораторной работы принять из таблицы А1,приложение А.
3 Лабораторная работа 2 «Исследование токов короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока»
3.1 Теоретические сведения о процессах короткого замыкания в системе электроснабжения постоянного тока и основные расчётные выражения.
Короткое замыкание в тяговой сети постоянного тока сопровождается переходным процессом.
Под переходными процессами понимают процессы перехода от одного режима работы электрической цепи к другому режиму, или чем - либо отличающемуся от предыдущего, например амплитудой, фазой, формой или частотой, значениями параметров схемы.
Переходные процессы являются быстропротекающими, длительность их составляет доли секунд. Тем не менее, изучение переходных процессов в тяговой сети важно, так как оно даёт возможность установить, как изменяются по форме и амплитуде исследуемые величины, а также определить продолжительность переходного процесса при различных режимах работы тяговой сети.
Токи КЗ в тяговой сети постоянного тока зависят от напряжения, её активного сопротивления, сопротивления питающей системы внешнего электроснабжения, параметров преобразовательного и тягового трансформаторов и расстояния до места КЗ. Вблизи тяговой подстанции токи КЗ могут достигать десятков килоампер. При КЗ в удалённой от подстанции точке токи в зависимости от режима КЗ могут снижаться до нескольких сотен ампер.
При отключении электрической цепи постоянного тока и расхождении контактов отключающего аппарата на них появляется напряжение дуги Uд и возникает процесс ионизации. При достижении напряжением величины, называемой напряжением зажигания Uз, дуговой промежуток, уже достаточно ионизированный, пробивается и между контактами возникает электрическая дуга. При увеличении тока в дуге напряжение между контактами падает.
Для того, чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо увеличить сопротивление R в электрической цепи. Увеличение сопротивления должно происходить одновременно с расхождением контактов и возникновением дуги между ними.
Напряжение на дуговом промежутке значительно (в три, четыре раза) превышает напряжение источника питания. При этом становится неустойчивой работа самого выключателя: увеличивается вероятность повторного зажигания дуги; существенно ухудшаются условия работы изоляции. Идеальным по условиям работы был бы выключатель, способный отключать электрическую цепь за минимальное время, не создавая при этом перенапряжений.
Некоторое приближение к этому реализуется, если выключатель дополнить диодным разрядным устройством ДРУ (рисунок 2), представляющим собой последовательное соединение мощного диода VD и разрядного резистора Rр. В нормальном режиме работы ток через разрядный резистор не идёт, т. к. диод DV закрыт. Однако в процессе отключения тока, когда он начинает снижаться, э. д.с. самоиндукции, наводимая в индуктивности L, стремится поддержать ток на прежнем уровне и откроет диод. Разрядный ток Iр под действием э. д.с. наводит в индуктивности L противо э. д.с., препятствующую повышению напряжения в электрической цепи и увеличивающую отключающую способность выключаться.
Рисунок 2 - Включение ДРУ при сосредоточенной индуктивности электрической цепи
Приведём основные расчётные выражения, необходимые для расчёта параметров схемы замещения цепи короткого замыкания (рисунок 3 )
Суммарная индуктивность цепи короткого замыкания
Lкз=(Lc+LТ+LТП)*0,5+Lрк+Lр+Lкс, (12)
где Lс – индуктивность системы внешнего электроснабжения;
LТ - индуктивность тягового трансформатора;
LТП - индуктивность преобразовательного трансформатора
Lрк – индуктивность реактора сглаживающего устройства;
Lр – индуктивность рельса;
Lкс – индуктивность контактной сети.
Суммарное активное сопротивление цепи короткого замыкания
Rкз=R0+Rрк+Rр+Rкс+Rтп (13)
где R0 – активное сопротивление тяговой подстанции, с учётом СВЭ;
Rрк - активное сопротивление реактора сглаживающего устройства;
Rр – активное сопротивление рельса;
Rкс – активное сопротивление контактной сети;
Rтп – активное сопротивление тяговой подстанции.
Индуктивность тяговой подстанции
(14)
где LТТ-индуктивность преобразовательного (тягового)
трансформатора, Гн;
LC – индуктивность системы внешнего электроснабжения, Гн;
LПТ – индуктивность понизительного трансформатора, Гн.
Сопротивления системы внешнего электроснабжения определяется по формулам (4) и (6)
Сопротивления понизительного и тягового трансформаторов определяется по формулам (7) и (8)
Сопротивление тяговой подстанции
(15)
где XПТ`,RПТ`, XТТ`, RTT` - соответственно индуктивные и активные сопротивления понизительного и тягового трансформаторов, Ом;Xc, и Rс-соответственно индуктивное и активное сопротивление системы внешнего электроснабжения, Ом., приведённые к напряжению вентильной обмотки тягового трансформатора.
Сопротивление контактной сети
индуктивное
(16)
где xкс - индуктивное погонное удельное сопротивление контактной сети
активное:
(17)
где rкс активное удельное погонное сопротивление контактной сети
(xкс, rкс зависит от марки провода).
Сопротивление рельса
индуктивное :
(18)
где xр – индуктивное погонное удельное сопротивление рельса
активное:
(19)
где rр – активное погонное удельное сопротивление рельса
(xр, rр зависит от типа рельса)
Индуктивность реактора двух вариантов СУ:
Однозвенное СУ Lр1=5 мГн
Двухзвенное СУ Lр2=10 мГн
Падение напряжения в дуге
(20)
где Lу-длина пути утечки по поверхности одного изолятора, м
(принимают равной для тарельчатых изоляторов 0,26 – 0,37);
nиз – число изоляторов в гирлянде;
б – коэффициент, учитывающий возможность развития дуги по
наикратчайшему пути в воздухе(принимают равным 0.8-0.9).
3.2 Задача и план лабораторной работы
Задача лабораторной работы: исследовать токи короткого замыкания при различных параметрах цепи КЗ
План лабораторной работы
1. Рассчитать активные и индуктивные сопротивления цепи короткого замыкания: сопротивление системы внешнего энергоснабжения, сопротивление подстанции, сопротивление тяговой сети, величину падения напряжения в дуге.
2. Рассчитать на компьютере функцию iкз(t) в вариантах:
2.1 с учётом тяговой сети (КЗ в тяговой сети)
2.2 без учёта тяговой сети(КЗ на шинах 3.3 кВ тяговой подстанции)
2.3 с разной индуктивностью реактора(при различных схемах сглаживающего устройства на тяговой подстанции)
3. Построить графики зависимости тока короткого замыкания iкз(t)
4. Определить по графику установившийся ток короткого
замыкания.
5. Сделать соответствующие выводы о зависимости тока короткого замыкания от параметров схемы замещения цепи КЗ.
Исходные данные для выполнения лабораторной работы принять из таблицы А2, приложение А.
4Требования к оформлению отчёта
Лабораторную работу необходимо выполнить на ПЭВМ в программном обеспечении MathCAD. Студенту необходимо предоставить распечатку лабораторной работы, выполненной в программе MathCAD. Распечатанная лабораторная работа должна содержать:
1. Задание на лабораторную работу
2. Исходные данные
3. расчётные формулы
4. Вычисление всех заданных величин
5. Графики, построенные в программном обеспечении MathCAD.
6. выводы, сделанные на основании полученных результатов и графиков.
5. Контрольные вопросы
5.1 Каковы причины возникновения КЗ в электроустановках?
5.2 С какой целью определяют расчётные условия КЗ?
5.3 Почему в расчётную схему должны быть включены все элементы
электроустановки и примыкающей к ней части энергосистемы?
5.4 Какое короткое замыкание называется близким, а какое –
удалённым?
5.5 Какие виды КЗ являются расчётными и при каких условиях?
5.6 Почему необходимо проводить проверку проводников и
электрических аппаратов на термическую стойкость при КЗ?
5.7 Чем характеризуется электродинамическое воздействие тока КЗ на
проводники и электрооборудование?
5.8 Какой вид КЗ принимается в качестве расчётного при проверке
проводников на электродинамическую стойкость?
5.9 Укажите причины необходимости ограничения токов КЗ
5.10 В чём разница между методами и средствами ограничения токов
КЗ?
5.11 описать принципы гашения электрической дуги в выключателях.
Список обязательной литературы
1., , Шалимов
подстанции М.: Транспорт, 1986 – 319 с.
2. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.1,Т.2./Под
ред. . – М.: Транспорт,1980. – 256 с.
3. Фигурнов защита. – М.: Желдориздат, 2002, 720 с.
Список дополнительной литературы
1. , МMathCAD и решение задач
электротехники. - .: Маршрут,2005.-240с.
2. Алейников использование пакета MathCAD при
решении задач. – М.: РГОТУПС, 2002. – 114 с.
3. Почаевец подстанции: Учеб. Для техникумов и
колледжей ж. – д. трансп. – М.: Желдориздат,2001. – 512 с.
4. Расчёт коротких замыканий и выбор электрооборудования:
/, , А и др.; Под ред.
и – М.: Издательский центр
«Академия», 2005. – 416 с.
5. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания: учеб. Пособие /
. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 352 с.
6. Электрооборудование электрических станций и подстанций:
/, , . – М.: Издательский
центр «Академия», 2004. – 448 с.
7. MathCAD 2001: Специальный справочник – СПб.:
Питер, 2002. – 832 с.
