Расчет токов короткого замыкания. Что такое электрическая цепь. Понятия - обрыв цепи и короткое замыкание

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора аппаратуры и проверки элементов электроустановок (шин, изоляторов, кабелей и т. д.) на электродинамическую и термическую устойчивость, а также уставок срабатывания защит и проверки их на чувствительность срабатывания. Расчетным видом КЗ для выбора или проверки параметров электрооборудования обычно считают трехфазное КЗ. Однако для выбора и проверки уставок релейной защиты и автоматики требуется определение и несимметричных токов КЗ.

Расчет токов КЗ с учетом действительных характеристик и действительных режимов работы всех элементов системы электроснабжения сложен. Поэтому для решения большинства практических задач вводят допущения, которые не дают существенных погрешностей :

трехфазная сеть принимается симметричной;

не учитываются токи нагрузки;

не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;

не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;

не учитываются токи намагничивания трансформаторов.

В зависимости от назначения расчета токов КЗ выбирают расчетную схему сети, определяют вид КЗ, местоположение точек КЗ на схеме и сопротивления элементов схемы замещения. Расчет токов КЗ в сетях напряжением до 1000 В и выше имеет ряд особенностей, которые рассматриваются ниже.

При определении токов КЗ используют, как правило, один из двух методов:

метод именованных единиц – в этом случае параметры схемы выражают в именованных единицах (омах, амперах, вольтах и т. д.);

метод относительных единиц – в этом случае параметры схемы выражают
в долях или процентах от величины, принятой в качестве основной (базисной).

Метод именованных единиц применяют при расчетах токов КЗ сравнительно простых электрических схем с небольшим числом ступеней трансформации.

Метод относительных единиц используют при расчете токов КЗ
в сложных электрических сетях с несколькими ступенями трансформации, присоединенных к районным энергосистемам.

Если расчет выполняют в именованных единицах, то для определения токов КЗ необходимо привести все электрические величины к напряжению ступени, на которой имеет место КЗ.

При расчете в относительных единицах все величины сравнивают с базисными, в качестве которых принимают базисную мощность одного трансформатора ГПП или условную единицу мощности, например 100 или 1000 МВА.

В качестве базисного напряжения принимают среднее напряжение той ступени, на которой произошло КЗ (U ср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ). Сопротивления элементов системы электроснабжения приводят к базисным условиям в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.1

Средние удельные значения индуктивных сопротивлений

воздушных и кабельных линий электропередачи

Возможны следующие виды неисправностей электрических це­пей - короткие замыкания (к. з.) и обрывы.

Короткое замыкание. Под ним понимают соединение между собой «плюсовых» и «минусовых» проводников тока (проводов двух и более фаз сети переменного тока) помимо потребителя электрической энергии. К. з. возможны как в высоковольтных, так и в низковольтных цепях. Возникает к. з. как при непосредствен­ном касании открытых (неизолированных) частей проводников, так и в результате повреждения их изоляции из-за пробоя ее вглубь или перекрытия электрической дугой по изоляционной поверхности. Возможно возникновение неполного к. з., когда в цепи к. з. оказы­вается включенной часть резистора или других потребителей.

Возникновение к. з. возможно вследствие плохого состояния изоляции токоведущих частей, их загрязнения, попадания посто­ронних металлических предметов (гаечные ключи, напильники, остатки проводов и т. п.) на токоведущие части, обрыва отдельных оголенных токоведущих частей (например, гибкого шунта), пере­напряжения (атмосферные или коммутационные, т. е. вызываемые нарушениями принятой последовательности переключения цепей). У коллекторных электрических машин к. з. могут возникать вследствие нарушения коммутации, в том числе и при сильном боксовании колесных пар. К. з. внутри аккумуляторной батареи может возникнуть как из-за плохого состояния резиновых чехлов элементов, так и из-за избытка и подтекания электролита при перезаряде. Частным случаем, приводящим к к. з., можно считать потерю полупроводниковыми выпрямителями запирающих свойств.

Последствия к. з. Во всех случаях протекания большого тока тепловое действие тока приводит к повреждению (выжиганию) деталей в месте возникновения к. з., а также повышенному нагреву их изоляции на всем участке, по которому такой ток протекал. В последующем возможно к. з. в другом месте этой цепи, особенно при повышенной влажности атмосферного воздуха. Наиболее серьезное возможное последствие к. з. - пожар.

Способы устранения короткого замыкания. Наиболее просто исключить поврежденный 1 элемент цепи - тяговый двигатель, вспомогательную машину, отдельный аппарат, а в критическом случае и целую секцию электровоза. Однако, в ряде случаев последствия к. з. можно уменьшить, сохраняя достаточную работоспо­собность электровоза, создав электрическую цепь в обход повреж­денного участка или поставив (подложив) новую временную изоляцию взамен поврежденной, убрав с места к. з. посторонний предмет и т. п. Методы выявления места к. з. рассматриваются ниже.

Обрыв цепи. Причинами обрывов электрической цепи могут быть: механические повреждения (сильное натяжение или крутой перегиб провода, кабеля, шины, слабое закрепление их конца, частые колебания, например, межкузовных проводов), отгорание провода или выпаивание его из наконечника, сильное окисление контактов или попадание постороннего изолирующего предмета между ними. У аккумуляторной батареи обрыв цепи возникает при изломе перемычек или окисления контактов, вытекании электро­лита из элементов.

Перегорание предохранителя также можно считать обрывом цепи независимо от причины, его вызвавшей. Обрыв цепи возни­кает также при несрабатывании привод какого-либо аппарата, как вследствие снижения напряжения цепи управления, так и в случае механического повреждения, а также из-за снижения давления воздуха.

Последствия обрывов цепи носят иной характер, чем к. з., однако все-таки достаточно серьезны: не поднимается токоприемник, не включаются аппараты защиты цепей, не собираются цепи тяговых двигателей или вспомогательных машин. Во всех этих случаях поезд стоит, что приводит к сбою в движении поездов и косвенно создает угрозу безопасности их движения.

Способы устранения обрывов. В высоковольтных цепях с боль­шими токами восстановление оборванного участка, как правило, затруднительно из-за большой площади сечения проводов (шин, шунтов), поэтому чаще всего такой участок или отключают целиком или «обходят» за счет существующих параллельных цепей без каких-либо сложных переключений; лишь при наличии на электровозе переходных скоб, перемычек можно такой участок частично или полностью восстановить. Если обрыв вызван не за­мыканием контактов аппарата из-за неисправности его привода, их во многих случаях можно замкнуть принудительно.

При обрыве (нарушении) низковольтной цепи в зависимости от вил повреждения поступают различно; иногда достаточно только пошевелить и зачистить окислившийся или подгоревший контакт, в других случаях следует поставить перемычку, шунтируя оборванный участок. Если оборван или выпаян наконечник про­вода, то конец провода защищают и присоединяют к зажиму взамен снятого наконечника. Устанавливаемая перемычка должна иметь изоляцию по всей длине, за исключением ее концов, жилы которых перед присоединением должны быть тщательно скручены и зачищены. Площадь сечения токоведущей части перемычки должна соответствовать площади сечения провода, цепь которого нарушена. Если перемычка длинная, то ее следует закрепить в нескольких местах от колебаний и возможного касания как высоковольтных цепей, так и заземленных деталей.

Способы выявления повреждений электрической цепи. Многие нарушения цепей и неисправности аппаратов машинист или его помощник обнаруживают без каких-либо специальных приборов. При знании цепей и конструкции аппаратов и достаточной внима­тельности большинство неполадок быстро выявляют, наблюдая за измерительными приборами, сигнальными лампами и аппаратурой, размещенными в кабине. В более сложных случаях прозванивают цепи контрольной лампой или вольтметром, а в условиях депо и пунктах оборота - омметром.

Метод сопоставления признаков. Для быстрого отыскания неисправности очень важно уметь сопоставить различные возни­кающие признаки, что возможно при прочных знаниях и повсед­невном систематическом изучении цепей и аппаратов. Сопоставле­ние признаков - этот метод отыскания неисправностей ценен тем, что в условиях эксплуатации использование иных методов требует значительного времени, остановки электровоза и опускания токо­приемника. Следовательно, возможность их применения обычно весьма ограничена.

К основным признакам, учитываемым и сопоставляемым при отыскании неисправностей, относят следующее:

Значение тока, фиксируемое по амперметру до и после появления неисправности;

Значение напряжения в сети и на двигателях;

Колебания стрелок приборов;

Положение рукояток контроллера и кнопок управления;

Скорость движения;

Показания сигнальных ламп;

Значение давле­ния в пневматических магистралях;

Отключение аппаратов;

Внеш­ние признаки (искрение, дым, запахи, изменение характера шума);

Напряжение на батарее или генераторах и др.

Особые случаи неисправностей электрических цепей . Помимо явных обрывов и коротких замыканий в цепях, рассмотрим случаи, сходные по последствиям с ними, но несколько отличающиеся по причинам.

Соединение проводов друг с другом. Нарушение изоляции проводов приводит к соединению их токопроводящих жил. Чаще всего такие повреждения возникают в местах перегибов проводов, местах подсоединения их к аппаратам, возможно также взаимное касание наконечников соседних проводов у зажимов на рейках зажимов, оборванных шунтов, например, у контакторных элементов контроллера.

В высоковольтной цепи подобная неисправность обычно приво­дит к серьезным повреждениям, подобным тем, какие возникают при коротком замыкании. В низковольтных цепях соединение про­водов обнаруживают по несвоевременному срабатыванию того или иного аппарата. Важно установить, какие провода соединились- питающие (плюсовые) или отводящие, заземляющие (минусовые).

Так, включение кнопки Кн1 ведет к возбуждению катушек 1 и 2, хотя нормально катушка 2 возбуждаться не должна. По включению аппарата, связанного с катушкой 2, судят о замы­кании питающих проводов. Если место замыкания обнаружить за­труднительно, то в зависимости от назначения аппарата 2 его либо включают постоянно, либо отключают или же, отключив катушку от неисправной цепи, подводят к ней питание от третьей цепи, замыкаемой контактом С. Плавкая вставка предохранителя Пр1 обычно не пере­горает, так как увеличение тока при параллельном подключении второй катушки невелико.

Возможно замыкание минусовых проводов, не вызывающее каких-либо отклонений от нормального режима. Иногда может произойти замыкание проводов, приводящее к возбуждению, например, катушки 1при включении кнопки Кн1 даже в случае разомкнутого положения блок-контакта БК. Обнаружить такое взаимное соединение проводов трудно, поэтому часто к ка­тушке присоединяют проводник и одновременно отсоединяют концы проводника, имеющего замыкание, от зажимов аппаратов, к которым он подключен. Если место соединения про­водов обнаружено, то, чтобы их изолировать друг от друга, подкладывают резину, сухой картон и т. п.

Как видно из обоих примеров, взаимное соединение проводов цепи управления иногда не менее опасно, чем короткое замыкание.

Пониженное напряжение низковольтного источника электроэнергии (генератора или бата­реи). Оно приводит к отключению (или не включению) вначале отдельных, а затем и всех аппаратов с электромагнитным приво­дом, т. е. к разбору цепей; все такие приводы рассчитаны на наимень­шее напряжение 35 В (радиостанция ЖР на 40-50 В). О пониженном напряжении основного источника тока узнают по показаниям вольтметра цепи управления и загоранию сигналь­ной лампы РОТ или ЗБ (на электровозах с ТРПШ), а в ночное время и по снижению накала ламп освещения и прожектора.

Пониженное давление воздуха. В пневматической цепи управления пониженное давление приводит к отключению (или не включению) вначале отдельных, а затем и всех аппаратов с пневматическим приводом. Такие неполадки происходят при неправильном переключении кранов магистрали управления перед отправлением с поездом. Их обнаруживают по разбору цепей на первом перегоне, а иногда тут же на станции. Наиболее серьезное последствие этого - сгорание контактов одного или нескольких контакторов, так как по мере снижения давления воздуха контакты контакторов медленно расходятся под током. Сильное снижение давления приводит также к опусканию токоприемника во время движения.

Заклинивание валов якорей (роторов) электри­ческих машин. Такая неисправность приводит к значительному увеличению в них тока и срабатыванию защитных реле (пере­грузки, тепловых) или сгоранию вставки предохранителя. Следует отметить, что увеличение тока может не вызывать срабатывания таких защитных аппаратов, как дифференциальные реле или реле заземления, поскольку в начале процесса изоляция проводов еще не перегрета и замыкания на корпус не возникает. Неоднократ­ное срабатывание РП, ТРТ, сгорание предохранителя требует обратить внимание на характер работы электрической машины, защищаемой данным аппаратом.

У тяговых двигателей заклинивание якоря (колесной пары, зубчатой передачи) при большой скорости приводит к круговому огню по поверхности коллектора и перебросу дуги на остов, поэтому дополнительно срабатывают реле ДР и БВ на электровозе постоян­ного тока и РЗ и ГВ на электровозах переменного тока. Однако при малой скорости движения на электровозах постоянного тока срабатывания ДР и БВ не происходит, что дезориентирует маши­ниста, и он после неоднократного срабатывания защиты на высокой скорости переходит на движение с понижением ее. В результате на бандажах колес возможно появление выбоин, изоляция тягового двигателя будет пересушена, возможно повреждение колес.

Таким образом, если якорь (ротор) любой машины не враща­ется или частота вращения явно ниже нормы (на слух), электри­ческую цепь двигателя следует отключить, колесную пару на станции вывесить.

49 . Общий порядок действия при возникновении повреждений в электрических цепях и проверка цепей контрольной лампой.

Общий порядок действий . При возникновении неисправности в электрических цепях можно рекомендовать машинисту следующий порядок действий: еще при движении сопоставить признаки повреж­дения, остановив поезд, соблюдая меры безопасности, произвести наружный осмотр аппаратов и машин, входящих в намечаемую

для проверки цепь; при необходимости проверить секвенцию; про­звонить цепи; определить степень и характер повреждения; по мере возможности устранить повреждение

Проверку электрических цепей контрольными приборами (лам­пами, вольтметрами, электрическими звонками, омметрами и т. п.) условно называют прозвонкой. Ее выполняют для определения места обрыва или короткого замыкания в электрических цепях, когда внешних признаков недостаточно.

Чаще всего прозвонку цепей на электровозе проводят с помощью контрольной лампы - обычной электрической лампы, рассчитанной на напряжение 50 В, с двухконтактным патроном «Сван» и двумя проводами. Эти провода изолированы, а концы их оголены и зачи­щены на длине 0,5-1 см. Длина одного провода не менее 1,5-2 м, а другого - 0,5 м. К короткому концу рекомендуется заранее припаять зажим типа «крокодил». Мощность лампы не превышает 15-25 Вт; при большей мощности сопротивление ее нити может оказаться значительно меньше сопротивления проверяемой цепи, и накал лампы не будет заметен.

Проверка цепей на обрыв . Основные правила проверки: цепь должна быть по возможности собрана полностью, как это соответ­ствует заводской схеме; проверяемую цепь условно разбивают на два примерно равные (по числу элементов: блок-контактов, зажи­мов и т. п.) участка; убедившись, что на одном из них обрыва нет, другой непроверенный участок также условно разбивают на два примерно одинаковых участка и т. д. Точкой таких делений может быть зажим на рейке, вывод у блок-контакта, катушка привода аппарата. Как" правило, такой метод при анализе длинных цепей дает наискорейший результат.

При проверках можно применять три метода: подавая напря­жение на начало анализируемой цепи, подавая напряжение на один из проводов контрольной лампы, а с некоторыми предосторож­ностями и методом закорачивания отдельных участков перемычкой.

Проверка низковольтной цепи на обрыв. Предположим, что не включается какой-либо индивидуальный контактор, в цепи катушки привода которого имеется несколько блок-контактов (рис. 89). Если это контактор с электропневматическим приводом, то нажа­тием на кнопку вентиля проверяют исправность пневматической части привода, а также наличие сжатого воздуха. Включение аппарата при нажатии на его кнопку подтверждает, что пневма­тическая часть исправна. Затем проверяют исправность контроль­ной лампы, для чего ее провод с зажимом «крокодил» присоеди­няют к элементам низковольтной цепи, соединенным с плюсом аккумуляторной батареи, а другой - к корпусу электровоза. Загорание лампы указывает, что она исправна.

В качестве плюса в высоковольтной камере электровозов постоянного тока используют блок-контакты быстродействующего выключателя БВ-1 или БВ-2 и некоторых реле при включенной соответствующей кнопке; на электровозах BJI10 под напряжением находятся постоянно провода К50, К51, К53 и др. Минусом служит медная воздухопроводящая трубка или любая очищенная от краски часть каркаса высоко­вольтной камеры.

Рис.26. Схема прозвонки ЦУ контрольной лампой.

Пусть необходимо установить, где оборвана цепь катушки (рис. 26, а). Короткий провод исправной контрольной лампы при­соединяют к «земле» (минусу), а длинным касаются точек, отме­ченных на рисунке буквами.

Начнем проверку с середины цепи катушки, при этом будем считать контакты а-б контроллера включенными (но не известно, есть ли у них взаимный контакт); присоединяем длинный провод к выводу д катушки: если лампа загорается, цепь б-д исправна, если не загорается, то нет; если лампа загорелась, то касаемся вывода катушки е - загорание лампы тусклым светом - указывает еще раз на исправность цепи до катушки, а кроме того, и на исправ­ность самой катушки и на отсутствие цепи от точки е до «земли» и т. д.

Если при касании точки д лампа не загорается, то присоединяем вывод лампы к точке в; если она горит, а при контакта г не горит, то, очевидно, нарушена цепь в блок-контакте в-г.

Проверим эту же цепь вторым методом, т. е. подав напряжение на вывод лампы (рис. 26, б). Если при касании точки д лампа горит тусклым светом, то цепь от дочки д до «земли» исправна; пересоеди­ним вывод лампы на точку В, и лампа вновь горит тусклым светом, вывод - нарушена цепь на участке а-в. Продолжая анализировать, находим место повреждения (видимо, нарушен контакт а-б или обрыв в проводе б-в).

Проверим цепь третьим методом (без лампы). Присоединяем концы изолированного провода (на одном конце его зажим «кроко­дил» может быть присоединен к стержню отвертки с изолированной рукояткой) к точкам в-г (или е-и), привод аппарата Р сраба­тывает на включение - неисправный участок найден; возможно, удобнее соединить контакты б и д (когда контакты в-г находятся на другом конце электровоза, а точки б-д- поблизости).

Пользуясь этим методом, можно допустить такую ошибку: присоединив концы проверочного провода к точкам д-е или г-ж, в лучшем случае вызовем перегорание предохранителя, в худшем - получим ожоги руки или лица, т. е. не следует присоединять концы проводников к участкам цепи по разные стороны потребителя (катушки Р) катушка Р в данном случае имеет внутренний обрыв.

Этими методами могут быть проверены цепи катушек приводов всех низковольтных аппаратов любого электровоза, однако цепь катушки 4уд ГВ электровоза переменного тока можно проверить или третьим методом или, используя контрольную лампу, первым методом от кнопочного выключателя в кабине (сопротивление катушки 1140 Ом). Что касается цепи катушек высоковольтных реле, то их сопротивления очень различны и, кроме того, в их цепях в большинстве случаев имеются высокоомные резисторы, а не блок-контакты, поэтому использование указанных методов, как правило, затруднительно.

Проверка высоковольтной цепи на обрыв. Для проверки цепей с большими сопротивлениями контрольные лампы непригодны. Это относится к проверке исправности добавочных резисторов вольтметров, цепей защитного вентиля, реле боксования и повы­шенного напряжения, счетчика электроэнергии, поскольку они имеют сопротивления, в десятки, сотни и даже тысячи раз большие сопротивления контрольной лампы. Для проверки таких цепей используют омметры или другие специальные измерительные приборы.

Обрывы в силовой цепи тяговых двигателей или вспомогатель­ных машин можно обнаружить и с помощью лампы, поскольку собственное сопротивление каждого элемента цепи и всей цепи в целом значительно меньше сопротивления лампы, даже если ее мощность не 15, а 50 Вт. На электровозах постоянного тока место обрыва уточняют уже описанным методом, искусственно присоединив плюс аккумуляторной батареи к началу проверяемой цепи. Можно применить и метод закорачивания участков.

Как уже указывалось, для более быстрого отыскания обрыва в длинных цепях начинают проверку с середины подозреваемого участка, чем сразу проверяют половину цепи. Ту половину, в кото­рой обнаружен обрыв, в свою очередь делят примерно пополам.

Предположим, электровоз постоянного тока, на 1-й позиции главной рукоятки контроллера не трогается с места, хотя быстро­действующий выключатель и крышевой разъединитель включены, валы реверсоров поворачиваются нормально и линейные контак­торы включаются, лампа РПН горит; все эти признаки указывают на обрыв силовой цепи тяговых двигателей.

При опущенном токоприемнике, но включенном БВ, каким-либо проводником подают плюс на вводные зажимы дугогасительных катушек БВ или свободные зажимы шинного разъединителя (рис. 27, а). Затем, присоединив короткий провод контрольной лампы к «земле» (к корпусу), концом длинного провода касаются различных точек цепи, оставив главную рукоятку контроллера на 1-й позиции. Если в момент касания точки В лампа горит, а при касании точки Г нет, то, следовательно, обрыв произошел на участке цепи В-Г.

Рис.27. Схема прозвонки высоковольтеой цепи контрольной лампой.

Этот метод имеет следующий недостаток. При случайном восста­новлении цепи в месте обрыва может произойти полное или частич­ное короткое замыкание аккумуляторной батареи. Поэтому чаще проверку производят вторым методом: подают напряжение на один провод контрольной лампы, а другим касаются различных точек цепи (рис. 27, б). В случае обрыва на участке В-Г лампа не будет гореть при касании ее проводом точки В и будет заго­раться при касании точки Г, поскольку эта точка присоединена к «земле» через остальную часть силовой цепи. В качестве точек присоединения провода лампы удобно использовать ножи отключателей двигателей.

Можно применить и другой метод. Присоединив контрольную лампу одним проводом к плюсу батареи, другим соединить ее с ножом шинного разъединителя и затем набирать позиции контрол­лером.

Если лампа загорится на одной из реостатных позиций последовательного соединения, то, значит, обрыв в пусковых резисторах (или их соединениях), а если лампа загорится после перехода на последовательно-параллельное соединение, то обрыв в обмотках тяговых двигателей; возможно также, что перегорел кабель, подходящий к линейным контакторам, к контактору 32-0, к одному из контакторных элементов реверсора, а также к выводам (со стороны «земли») последних по схеме тяговых двигателей.

Проверка цепей на короткое замыкание. В большинстве случаев защитный аппарат защищает не одну, а несколько электрических цепей, поэтому, получив тот или иной сигнал о его срабатывании или перегорании предохранителя, первыми действиями машиниста всегда будет:

а) выключение всех подозреваемых цепей;

б) восста­новление защиты (замена предохранителя);

в) поочередное вклю­чение тех участков цепи, повреждение которых могло вызвать срабатывание защиты;

г) повторное срабатывание защиты при вклю­чении одной из цепей сужает зону поиска.

В некоторых случаях поиск можно прекратить, например, если срабатывает защита при включении одного из компрессоров; уточнение характера повреж­дения можно отложить до прибытия на одну из ближайших станций.

Неоднократно включая отдельные участки цепи, машинист наблюдает за изменением показания сигнальных ламп. Однако наличие даже большого числа сигнальных указателей (ламп, блинкеров-флажков) у аппаратов все же не всегда точно указывает место повреждения.

В большинстве случаев заземления одной из точек цепи тяговых двигателей, реверсоров, тормозных переключателей, резисторов ослабления возбуждения можно вести поезд дальше, закоротив блокировку РЗ в цепи удерживающей катушки ГВ и, отсоединив катушку переменного тока реле заземления; за действием электро­оборудования наблюдение усилить.

На электровозах постоянного тока самый быстрый метод отыска­ния места короткого замыкания цепи тяговых двигателей сле­дующий: выключают все ножи двигателей и, присоединив один провод контрольной лампы к плюсу батареи, вторым поочередно касаются всех выключенных ножей ОД (ОМ) сначала на одной секции, затем на другой (ВЛ10). Загорание лампы указывает на повреждение цепи того или иного двигателя.

Для дальнейшего уточнения места к. з. отключенный с обеих сторон участок делят на две части, подкладывая изоляцию или отсоединяя кабель. В рассматриваемом случае, если лампа загорается при касании проводом точки а, для дальнейшего уточнения места повреждения отсоединяют обмотки полюсов от 1 обмотки якоря (подкладывают изоляцию под контакты реверсора).

Поскольку в месте короткого замыкания значение переходного сопротивления может быть примерно таким же, что и у контрольной лампы, и даже выше, нить ее может не накаливаться до свечения, поэтому следует воспользоваться низковольтным вольтметром, установленным на распределительном щите. Для этого провод вольтметра отсоединяют от минуса батареи (корпуса электровоза), затем его наращивают и оголенным концом касаются токоведущих деталей того участка цепи, в котором подозревается короткое замыкание, (рис. 28).

В случае замыкания в низковольтных цепях перегорает пре­дохранитель или срабатывает автоматический выключатель. До замены предохранителя (до восстановления выключателя) машинист отключает кнопку (тумблер), через который питалась поврежденная цепь. После замены предохранителя (включения; автомата) следует поочередно начать включать (и отключать) подозреваемые цепи; выявив такую цепь, ее более не включают, восстанавливают защиту и принимают какое-либо временное решение или начинают дальнейший поиск неисправности. Для этого подозреваемый участок делят на отдельные мелкие цепи, прокладывая изоляцию из электрокартона, плотной бумаги, отсоединяя наконечник провода и т. д.

Рис.28. Схема прозвонки участков цепи на К.З. контрольной лампой и вольтметром.

После этого контрольной лампой уточняют место повреждения. Если замыкание подозревают в проводе, связанном с межэлектровозными цепями, предназна­ченными для управления по системе многих единиц (а на восьмиосных электровозах ВЛ10, ВЛ10У - с переходящими из одного кузова в другой), то или разъединяют межэлектровозные кабели, или же отсоединяют все провода данного номера от зажима на рейке и прозванивают их отдельно (рис. 29), а затем, присое­динив один провод контрольной лампы к «плюсу», другим пооче­редно касаются наконечников этих проводов. Загорание лампы полным накалом укажет на короткое замыкание цепи данного провода. Если лампа загорается неполным накалом, значит, про­вод нормально соединен с «землей» через катушку аппарата, включенного в цепь этого провода. Наконечник поврежденного провода изолируют, а остальные вновь закрепляют на зажиме рейки.

Если отсоединенным оказался провод, идущий к межэлектро­возным соединениям, то управление одним электровозом (одной-двумя секциями) не нарушается, а если отсоединен провод, идущий к контроллеру в одной из кабин или от рейки зажимов к аппарату, то аппарат оставляют отключенным или его принудительно включают механическим способом. В отдельных случаях можно воспользоваться резервным проводами, имеющимися в пучках проводов или кондуитах.

Состояние предохранителей при необходимости выясняют, заменяя их или проверяют контрольной лампой. Для этого один провод лампы присоединяют к «земле» (рис. 30) Если при касании другим проводом одного колпачка предохранителя лампа загорается, а при касании другого не горит, то вставка предохранителя перегорела (кроме минусового предохранителя батареи). В случае, когда для проверки целости предохранителя его заменяют исправным, на время снятия и постановки предохранителей их цепь необходимо разомкнуть соответствующей кнопкой цепи управления, рубильником или выключателем.

На некоторых электровозах на РЩ имеются специальные зажимы в цепи лампы Л1 освещения РЩ, зашунтированные выклю­чателем В (рис. 95). Вставив проверяемый предохранитель ПР в свободные зажимы и выключив выключатель В, по горению лампы Л убеждаются в исправности предохранителя.

Рис.29. поиск К.З. в низковольтной цепи.

Рис. 30. Проверка предохранителей.

При проектировании любой энергетической системы специально подготовленные инженеры электрики с помощью технических справочников, таблиц, графиков и компьютерных программ выполняют ее анализ на работу схемы в различных режимах, включая:

1. холостой ход;

2. номинальную нагрузку;

3. аварийные ситуации.

Особую опасность представляет третий случай, когда в сети возникают неисправности, способные повредить оборудование. Чаще всего они связаны с «металлическим» закорачиванием питающей цепи, когда между разными потенциалами подводимого напряжения подключаются случайным образом электрические сопротивления размерностью в доли Ома.

Такие режимы называют токами коротких замыканий или сокращенно «КЗ». Они возникают при:

сбоях в работе автоматики и защит;

ошибках обслуживающего персонала;

повреждениях оборудования из-за технического старения;

стихийных воздействиях природных явлений;

диверсиях или действиях вандалов.

Токи коротких замыканий по своей величине значительно превышают номинальные нагрузки, под которые создается электрическая схема. Поэтому они просто выжигают слабые места в оборудовании, разрушают его, вызывают пожары.

Кроме термического разрушения они еще обладают динамическим действием. Его проявление хорошо показывает видеоролик:

Чтобы при эксплуатации исключить развитие подобных аварий с ними начинают бороться еще на стадии создания проекта электрического оборудования. Для этого теоретически вычисляют возможности возникновения токов коротких замыканий и их величины.

Эти данные используются для дальнейшего создания проекта и выбора силовых элементов и защитных устройств схемы. С ними же продолжают постоянно работать и при эксплуатации оборудования.

Токи возможных коротких замыканий рассчитывают теоретическими методами с разной степенью точности, допустимой для надежного создания защит.

Какие электрические процессы заложены в основу расчета токов короткого замыкания

Первоначально заострим внимание на том, что любой вид приложенного напряжения, включая постоянное, переменное синусоидальное, импульсное или любое другое случайное создает токи аварий, которые повторяют образ этой формы или изменяют ее в зависимости от приложенного сопротивления и действия побочных факторов. Все это приходится предусматривать проектировщикам и учитывать в своих расчетах.

Оценку возникновения м действия токов коротких замыканий позволяют выполнить:

закон Ома;

величина силовой характеристики мощности, приложенной от источника напряжения;

структура используемой электрической схемы электроустановки;

значение полного приложенного сопротивления к источнику.

Действие закона Ома

За основу расчета коротких замыканий взят принцип, определяющий, что силу тока можно вычислить по величине приложенного напряжения, если поделить ее на значение подключенного сопротивления.

Он же действует и при расчете номинальных нагрузок. Разница лишь в том, что:

во время оптимальной работы электрической схемы напряжение и сопротивление практически стабилизированы и изменяются незначительно в пределах рабочих технических нормативов;

при авариях процесс происходит стихийно случайным образом. Но его можно предусмотреть, просчитать разработанными методиками.

Мощность источника напряжения

С ее помощью оценивают силовую энергетическую возможность совершения разрушительной работы токами коротких замыканий, анализируют длительность их протекания, величину.

Рассмотрим пример, когда один и тот же кусок медного провода сечением полтора квадратных мм и длиной в полметра вначале подключили напрямую на клеммы батарейки «Крона», а через некоторое время вставили в контакты фазы и нуля бытовой розетки.

В первом случае через провод и источник напряжения потечет ток короткого замыкания, который разогреет батарейку до такого состояния, что повредит ее работоспособность. Мощности источника не хватит на то, чтобы сжечь подключенную перемычку и разорвать цепь.

Во втором случае сработают автоматические защиты. Допустим, что они все неисправны и заклинили. Тогда ток короткого замыкания пройдет через домашнюю проводку, достигнет вводного щитка в квартиру, подъезд, здание и по кабельной или воздушной линии электропередач дойдет до питающей трансформаторной подстанции.

В итоге к обмотке трансформатора подключается довольно протяженная цепь с большим количеством проводов, кабелей и мест их соединения. Они значительно увеличат электрическое сопротивление нашей закоротки. Но даже в этом случае высока вероятность того, что она не выдержит приложенной мощности и просто сгорит.

Конфигурация электрической схемы

При питании потребителей к ним подводится напряжение разными способами, например:

через потенциалы плюсового и минусового выводов источника постоянного напряжения;

фазой и нулем однофазной бытовой сети 220 вольт;

трехфазной схемой 0,4 кВ.

В каждом из этих случаев могут произойти нарушения изоляции в различных местах, что приведет к протеканию через них токов короткого замыкания. Только для трехфазной цепи переменного тока возможны короткие замыкания между:

всеми тремя фазами одновременно — называется трехфазным;

двумя любыми фазами между собой — междуфазное;

любой фазой и нулем — однофазное;

фазой и землей — однофазное на землю;

двумя фазами и землей — двухфазное на землю;

тремя фазами и землей — трехфазное на землю.

При создании проекта электроснабжения оборудования все эти режимы требуется просчитать и учесть.

Влияние электрического сопротивления цепи

Протяженность магистрали от источника напряжения до места образования короткого замыкания имеет определенное электрическое сопротивление. Его величина ограничивает токи короткого замыкания. Наличие обмоток трансформаторов, дросселей, катушек, обкладок конденсаторов добавляют индуктивные и емкостные сопротивления, формирующие апериодические составляющие, искажающие симметричную форму основных гармоник.

Существующие методики расчета токов короткого замыкания позволяют их вычислить с достаточной для практики точностью по заранее подготовленной информации. Реальное электрическое сопротивление уже собранной схемы можно измерить по методике . Оно позволяет уточнить расчет, внести коррективы в выбор защит.

Основные документы по расчету токов коротких замыканий

1. Методика выполнения расчета токов КЗ

Она хорошо изложена в книге А. В. Беляева “Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ”, выпущенной Энергоатомиздат в 1988 году. Информация занимает 171 страницу.

Книга предоставляет:

последовательность расчета токов КЗ;

учет токоограничивающего действия электрической дуги на месте образования повреждения;

принципы выбора защитной аппаратуры по значениям рассчитанных токов.

В книге публикуется справочная информация по:

автоматическим выключателям и предохранителям с анализом характеристик их защитных свойств;

выбору кабелей и аппаратуры, включая установки защиты электродвигателей, силовых сборок, вводных устройств генераторов и трансформаторов;

недостаткам защит отдельных видов автоматических выключателей;

особенностям применения выносных релейных защит;

примерам решения проектных задач.

2. Руководящие указания РД 153—34.0—20.527—98

Этот документ определяет:

методики расчетов токов КЗ симметричных и несимметричных режимов в электроустановках с напряжением до и выше 1 кВ;

способы проверок электрических аппаратов и проводников на термическую и электродинамическую стойкость;

методы испытания коммутационной способности электрических аппаратов.

Указания не охватывают вопросы расчета токов КЗ применительно к устройствам РЗА со специфическими условиями эксплуатации.

3. ГОСТ 28249-93

Документ описывает короткие замыкания, возникающие в электроустановках переменного тока и методику их расчета для систем с напряжением до 1 кВ. Он действует с 1 января 1995 года на территориях Беларуси, Кыргызстана. Молдовы, России, Таджикистана, Туркменистана и Украины.

Государственный стандарт определяет общие методы расчетов токов КЗ в начальный и любой произвольный временной момент для электроустановок с синхронными и асинхронными машинами, реакторами и трансформаторами, воздушными и кабельными ЛЭП, шинопроводами, узлами сложной комплексной нагрузки.

Технические нормативы проектирования электроустановок определены действующими государственными стандартами и согласованы Межгосударственным Советом по вопросам стандартизации, метрологии, сертификации.

Очередность действий проектировщика для расчета токов короткого замыкания

Первоначально следует подготовить необходимые для анализа сведения, а затем провести из расчет. После монтажа оборудования к процессе ввода его в работу и при эксплуатации проверяется правильность выбора и работоспособность защит.

Сбор исходных данных

Любую схему можно привести к упрощенному виду, когда она состоит из двух частей:

1. источника напряжения. Для сети 0,4 кВ его роль исполняет вторичная обмотка силового трансформатора;

2. питающей линии электропередачи.

Под них собираются необходимые характеристики.

Данные трансформатора для расчета токов КЗ

Необходимо выяснить:

величину напряжения короткого замыкания (%) — Uкз;

потери короткого замыкания (кВт) — Рк;

номинальные напряжения на обмотках высокой и низкой стороны (кВ. В) — Uвн, Uнн;

фазное напряжение на обмотке низкой стороны (В) — Еф;

номинальную мощность (кВА) — Sнт;

полное сопротивление током однофазного КЗ (мОм) — Zт.

Данные питающей линии для расчета токов КЗ

К ним относятся:

марки и количество кабелей с указанием материала и сечения жил;

общая протяженность трассы (м) — L;

индуктивное сопротивление (мОм/м) — X0;

полное сопротивление для петли фаза-ноль (мОм/м) — Zпт.

Эти сведения для трансформатора и линии сосредоточены в справочниках. Там же берут ударный коэффициент Куд.

Последовательность расчета

По найденным характеристикам вычисляют для:

трансформатора — активное и индуктивное сопротивление (мОм) — Rт, Хт;

линии — активное, индуктивное и полное сопротивление (мОм).

трехфазного замыкания и ударный (кА);

однофазного КЗ (кА).

По величинам последних вычисленных токов и подбирают автоматические выключатели и другие защитные устройства для потребителей.

Расчет токов короткого замыкания проектировщики могут выполнять вручную по формулам, справочным таблицам и графикам или с помощью специальных компьютерных программ.

На реальном энергетическом оборудовании, введенном в эксплуатацию, все токи, включая номинальные и коротких замыканий, записываются автоматическими осциллографами.

Такие осциллограммы позволяют анализировать ход протекания аварийных режимов, правильность работы силового оборудования и защитных устройств. По ним принимают действенные меры для повышения надежности работы потребителей электрической схемы.

Любой человек, чья работа связана с обслуживанием электротехники, очень хорошо знает о тех неприятностях, которые таит в себе короткое замыкание (к.з.). Иногда считается, что оно представляет собой повреждение. Это не так. Короткое замыкание - это процесс, или, если угодно, аварийный режим работы какого-либо участка электроустановки. А вот последствия его действительно приводят к повреждениям. Общепринятое определение гласит: «Короткое замыкание - это непосредственное соединение двух или более точек обладающих различным потенциалом. Является ненормальным (непредусмотренным) режимом работы».

Чтобы понять, что именно происходит в цепи в тот момент, когда там возникает короткое замыкание, необходимо вспомнить принципы функционирования элементов контура. Представим простейшую цепь, состоящую из двух проводников и нагрузки (например, лампочки). В обычных условиях в проводнике существует направленное движение заряженных элементарных частиц, обусловленное постоянным воздействием источника. Они перемещаются от одного полюса источника к другому через два участка провода и лампу. Соответственно, лампа излучает свет, так как частицы совершают в ней определенную работу.

При направление движения постоянно изменяется, но в данном случае это не принципиально. Количество электронов, проходящих по определенному участку цепи за единицу времени, ограничивается сопротивлением лампы, проводников, источника ЭДС. Другими словами, ток не растет бесконечно, а соответствует установившемуся режиму.

Но вот по какой-либо причине повреждается изоляция на участке цепи. К примеру, лампу залило водой. В этом случае ее уменьшается. В результате текущий по контуру ток ограничивается суммарным сопротивлением источника питания, проводов и водного «перешейка» на лампе. Обычно эта сумма настолько ничтожна, что в расчетах не учитывается (исключение составляют специализированные вычисления).

Итогом является практически бесконечный рост тока, определяемого по классическому закону Ома. В данном случае часто упоминают мощность короткого замыкания. Она определяется предельным значением электрического тока, который способен выдать источник питания до выхода из строя. Кстати, именно поэтому запрещается соединять проводком (закорачивать) противоположные контакты батареек.

Хотя в примере мы рассматриваем устранение из цепи сопротивления лампы вследствие попадания на нее воды, причин короткого замыкания множество. К примеру, если говорить об этой же схеме, то к.з. также может возникнуть, если будет нарушена изоляция хотя бы одного провода и он соприкоснется с землей. В этом случае ток от источника питания последует по пути наименьшего сопротивления, то есть в землю, обладающую огромной емкостью. Повреждение изоляции сразу двух проводов и их соприкосновение приведет к тому же самому результату.

Вышесказанное можно обобщить: к.з могут быть с землей и без нее. На происходящие процессы это не влияет.

О каких же повреждениях шла речь в начале статьи? Как известно, чем выше значение тока, протекающего по участкам цепи, тем больше их нагрев. При достаточной мощности источника при к.з. некоторые участки цепи попросту выгорают, превращаясь в медную пыль (для медных элементов).

Защита от короткого замыкания довольно проста и эффективна. Сообщения о разрушениях из-за замыкания возникают, прежде всего, по причине неправильно подобранных параметров аппаратов защиты, неверной селективности. Если речь идет о бытовой цепи 220 В, то применяют В них при чрезмерном возрастании тока электромагнитный расцепитель, находящийся внутри, разрывает цепь.

Коротким замыканием называют подключение к полюсам источника ЭДС сопротивления, соизмеримого с его внутренним сопротивлением. В большинстве случаев такой режим работы реализуется случайно и оказывается крайне вреден для источника ЭДС. Тем не менее, есть электрические аппараты ( , устройства дуговой плавки), специально рассчитанные на длительную работу в режиме короткого замыкания.

Опасность короткого замыкания

Для человека короткое замыкание опасно прежде всего брызгами расплавленного металла, которые образуются в местах случайного контакта проводников и ультрафиолетовым излучением от электрической дуги, возникающей при их разрыве. Кроме того, высокие температуры в месте контакта в большинстве случаев способны привести к возгоранию изоляции и стать причиной пожара.

В первом приближении максимально возможный ток короткого замыкания равен отношению ЭДС источника к его внутреннему сопротивлению. Чем большая мощность снимается с источника на расчетном режиме работы, тем меньше его внутреннее сопротивление и тем опаснее для него режим замыкания. Тем не менее специфика эффекта в разных источниках ЭДС разная.

Принцип действия короткого замыкания

Случайно замкнувшиеся не восстанавливаемые гальванические элементы (батарейки идр.), несмотря на малую ЭДС, не превышающую нескольких вольт, способны дать ток, разогревающий элемент до значительной температуры. Если оставить такую батарейку без присмотра, то она способна расплавить пластиковый корпус устройства, в которое вставлена. Поэтому при замене батареек, всегда надо примерно через минуту проверять их на нагрев. После такого процесса сопротивление элемента недопустимо повышается и его следует заменить.

Аккумуляторы, и тем более, обладают значительно большей ЭДС в 6 - 48 вольт, и при емкости в десятки и сотни ампер-часов ток их короткого замыкания может измеряться сотнями и тысячами ампер. Замкнувшийся аккумулятор, в цепи которого отсутствуют предохранители, легко может стать источником пожара, поэтому обращаться с ними надо очень внимательно.

Квартирная электропроводка в подавляющем большинстве случаев оборудована средствами защиты в виде автоматических входных выключателей, срабатывающих при превышении в ней тока сверх определенного значения. Это позволяет предотвратить расплавление проводов.

Схожие меры защиты используются и в промышленной электротехнике, где чрезмерный ток прерывается либо электромагнитным автоматом защиты, либо расплавлением плавкой вставки, сечения, гораздо меньшего, чем у основных проводников сети.