Что такое апериодическая составляющая тока короткого замыкания

Физические свойства апериодической составляющей

Подобное состояние тока возникает в момент короткого замыкания. Его продолжительность и характеристики могут быть разными, в зависимости от многих факторов. Например, при наличии у двигателя демпферной обмотки, апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет ниже, чем при ее отсутствии. Вначале возникает сверхпереходный ток, который вначале становится просто переходным, и лишь потом он начинает затухать.

Во время двухфазного замыкания, в статоре не появляются скачкообразные изменения тока. В подобных ситуациях, на холостом ходе возникает апериодическая составляющая, параметры которой совпадают с начальной величиной переменной компоненты. Поскольку ток КЗ внутри статора является однофазным, в отдельных случаях появление апериодической компоненты полностью исключается. В двигателях асинхронного типа этот показатель не учитывается, поскольку данные процессы очень быстро затухают

Он не принимается во внимание даже при расчетных вычислениях ударных токов КЗ

В общем и целом, величина данных компонентов будет отличаться для каждой фазы. Ее начальные параметры будут зависеть от момента появления КЗ. На графиках она представляет собой сплошную кривую линию, поскольку все начальные амплитуды других составляющих будут ей равны, но направлены в обратную сторону.

Наличие апериодической составляющей устанавливается при расхождении контактов. Для ее оценки существует специальный параметр, представляющий собой соотношение между ней и периодической амплитудой в момент размыкания контактов. Время затухания составляет примерно 0,1-0,2 с и сопровождается значительным выделением тепла. Под действием высокой температуры заметно нагреваются токоведущие части и вся аппаратура в целом, несмотря на столь короткий промежуток времени.

Расчет токов КЗ для трехфазных сетей

Для того чтобы определить ток трехфазного короткого замыкания в соответствующих сетях, следует обязательно учитывать специфику возникновения и развития этого процесса. Прежде всего, это индуктивность, возникающая в замкнутом проводнике, из-за чего ток трехфазного КЗ изменяется не мгновенно, а нарастает постепенно в соответствии с определенными законами.

Точность производимых вычислений зависит в первую очередь от расчетов основных величин, вставляемых в формулу. С этой целью используются дополнительные формулы или специальное программное обеспечение, выполняющее сложнейшие вычислительные операции за очень короткое время.

Если же расчеты в трехфазных сетях выполняются ручным способом, в таких случаях нужные результаты про ток КЗ формула, приведенная ниже, позволяет определить с достаточно точными показателями:

Iкз = Uc/(√3*Хрез) = Uc /(√3*(Хсист + Хвн)), в которой Хвн является сопротивлением между шинами и точкой КЗ, Хсист – это сопротивление во всей системе относительно шин источника напряжения, Uc – напряжение на шинах в данной системе.

Полный ток при наступлении КЗ

Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.

Электрификация железных дорог на переменном токе

Российский пассажирский электровоз переменного тока ЭП1П, выпускается на Новочеркасском электровозостроительном заводе. В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение ~ 25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь)

подаётся на контактный провод, вторым (обратным) проводом служат рельсы. Также проводится электрификация по системе2 × 25 кВ(два по двадцать пять киловольт) , когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение ~ 50 кВ(обычно до 55 кВ, с учётом потерь) , а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ(то есть 25 кВ) . Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 × 25 кВ в переделке не нуждаются.

Проводится политика на дальнейшее расширение полигона тяги переменного тока как за счёт вновь электрифицируемых участков, так и за счёт перевода некоторых линий с постоянного тока на переменный ток. Переведены в 1990-е — 2000-е годы:

— на Восточно-Сибирской железной дороге: участок Слюдянка — Иркутск — Зима; — на Октябрьской железной дороге: участок Лоухи — Мурманск; — на Приволжской железной дороге: Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы; — на Северо-Кавказской железной дороге: участки Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.

Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).

Параметры постоянного тока и напряжения

Интенсивность электрического тока выражается в количестве зарядов перемещенных за промежуток времени через поперечное сечение проводника. Одним из важных параметров постоянного тока является величина тока, которая измеряется в Амперах. Интенсивность тока в 1 Ампер заключается в перемещении заряда один Кулон в течение 1 секунды.

Напряжение постоянного тока измеряется в Вольтах. Напряжение постоянного тока представляет собой разность потенциалов между двумя точками одной электрической цепи. Также важным параметром для постоянного напряжения является размах пульсации и коэффициент пульсации. Размах пульсации представляет собой разность между максимальной величиной пульсации и минимальной.

А коэффициент пульсации выражается в отношении действующей величины переменной составляющей (AC) тока к постоянному значению составляющей (DC). Также важным параметром постоянного тока является мощность P. Мощность постоянного тока можно характеризовать его работой за определенный промежуток времени. Мощность измеряется в Ваттах и определяется по формуле:

P = I/U.

Согласно этой формуле одинаковую мощность можно получить при разных токах и напряжениях.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

При наступлении режима КЗ постоянные токовые величины подвергаются существенным изменениям. В самое первое мгновение появляется так называемая апериодическая составляющая тока короткого замыкания, которая достаточно быстро угасает и принимает нулевое значение. Данный временной интервал, когда наблюдаются эти перемены, представляет собой переходный период, определяемый в числовом выражении. Пока аварийное состояние тока не будет отключено, работа электрической сети производится в установившемся режиме короткого замыкания.

1. Физические свойства апериодической составляющей
2. Полный ток при наступлении КЗ
3. Как вычислить апериодическую компоненту
4. Особенности вычислений в многоконтурных схемах

Полный ток при наступлении КЗ

Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.

Апериодическая часть представляет собой составную часть тока ia с неизменной величиной. Она появляется непосредственно в момент КЗ и в кратчайший срок падает до нулевой отметки.

Периодическая часть тока КЗ Iпm получила название начальной, поскольку по времени она появляется в самом начале процесса. Данный показатель используется для того чтобы выбрать наиболее подходящую уставку или проверить чувствительность релейной защиты. Этот ток известен еще и как сверхпереходный, поскольку его определение осуществляется с помощью сверхпереходных сопротивлений, вводимых в схему замещения. Периодический ток считается установившимся, когда затухает апериодическая часть и заканчивается сам переходный процесс.

Следовательно, полный ток короткого замыкания будет составлять сумму обоих частей – апериодической и периодической во весь период перехода состояний. В определенный момент полный ток за кратчайшее время принимает максимальное значение. Подобное состояние известно под названием ударного тока КЗ, определяемого при проверках электродинамической устойчивости установок и оборудования.

Выбор начального или сверхпереходного тока для проведения расчетов определяет скорое угасание апериодической части, которое происходит раньше, чем срабатывает защита. При этом периодическая составляющая остается неизменной.

Электрические сети, подключенные к генераторным установкам или энергетической системе с ограниченной мощностью, отличаются значительным изменением напряжения при появлении КЗ. В связи с этим, токи, начальный и установившийся, не будут равны между собой. Для того чтобы сделать расчет релейной защиты, можно воспользоваться показателями изначального тока. В этом случае погрешность будет незначительной в сравнении с установившимся током, подверженным воздействию различных факторов. Прежде всего, это увеличенное сопротивление в поврежденной точке, нагрузочные токи и прочие параметры, которые чаще всего не учитываются при выполнении расчетов.

Межфазное замыкание: способы защиты и предотвращения, места возникновения

При эксплуатации высоковольтных электрических цепей нередко явление, определяемое нормативными документами как межфазное замыкание. Такое отклонение от нормального режима работы систем электроснабжения связано с неисправностями питающих линий, последствия которых бывают непредсказуемыми. Особо опасный характер возможных повреждений вынуждает разобраться с рядом вопросов, касающихся того, что собой представляет это явление, к каким неприятностям оно приводит и как их избежать.

Понятие и причины замыканий

Причиной замыкания, как правило, становится нарушение изоляции проводов

Межфазным замыканием электричества в многофазных цепях называют непреднамеренное соединение между собой изолированных проводников с поврежденным защитным покрытием.

В отдельных случаях оно проявляется как однофазное замыкание на землю или корпус работающего электрооборудования.

Такое состояние электрической сети является нарушением нормального режима работы системы и трактуется как аварийное. В этом случае в местах замыкания двух проводников или в точках их контакта с землей величина тока существенно возрастает. Максимальное его значение достигает порой нескольких тысяч Ампер. Неуправляемые потоки электричества способны привести к разрушительным последствиям.

Причинами возникновения аварийных ситуаций в высоковольтных электрических сетях являются:

• Повреждение защитной изоляции каждого из фазных проводников из-за нарушений правил эксплуатации кабельных линий.
• Случайный обрыв одной из жил воздушного кабеля и его замыкание на другой провод или землю.
• Замыкание провода с поврежденной изоляцией на корпус действующей электроустановки.

Каждый из случаев возникновения короткого замыкания является следствием грубейшего нарушения правил эксплуатации электрооборудования и в соответствии с требованиями нормативных документов нуждается в тщательном расследовании.

Виды аварийных замыканий

По типу электропитания все короткие замыкания делятся на повреждения, произошедшие в однофазных или в трехфазных цепях, а по их количеству – на одиночные и двойные КЗ. Самый простой случай – однофазные линии, в которых возможно только одиночное замыкание фазы на нейтраль или землю. Трехфазное короткое замыкание отличается большим вариантом возможностей, поскольку число проводов в кабеле увеличивается до 3-х. При этом возможны следующие варианты повреждений:

• Замыкание двух высоковольтных проводов между собой.
• КЗ одного провода на нейтраль или землю (однофазные короткие замыкания).
• Контакт сразу двух проводников с поверхностью грунта.

Периодическая составляющая — ток

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая-определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.
 

Периодическая составляющая тока / г в ветви Г изменяется во времени в соответствии с параметрами генераторов ( компенсаторов), характеристиками регуляторов возбуждения, удаленностью точки замыкания и др. Периодическая составляющая тока 1пС ветви С неизменна во времени.
 

Периодическая составляющая тока изменяется по гармонической кривой в соответствии с синусоидальной ЭДС генератора. Апериодическая — определяется характером затухания тока короткого замыкания, зависящего от активного сопротивления цепи и обмоток статора генератора.
 

Периодическая составляющая тока / п ( г в ветви Г изменяется во времени по сложному закону, определяемому параметрами генераторов и характеристиками регуляторов возбуждения. Периодическую составляющую тока / п с в ветви С принимают незатухающей. Периодическая составляющая тока в месте замыкания равна сумме этих двух токов. Двухлучевая схема используется при определении импульса квадратичного тока при к.
 

Периодическая составляющая тока КЗ от генератора изменяется во времени по сложному закону.
 

Периодическая составляющая тока статора в условиях нормального включения не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.
 

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза величину номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратность периодической составляющей по отношению к номинальному току.
 

Периодическая составляющая тока статора ( одновременно со всеми нечетными гармониками) убывает до своей установившейся величины с постоянной времени цепи ротора. Апериодическая составляющая тока ротора, возникающая при внезапном коротком замыкании, уменьшается по тому же закону до установившейся величины постоянного тока IrL. В цепи ротора все четные высшие гармонические обнаруживаются и в установившемся режиме.
 

Периодическая составляющая тока КЗ в начальный момент времени / п то называется начальным током КЗ. Значение начального тока КЗ используют, как правило, для выбора уставок и проверки чувствительности релейной защиты.
 

Периодическая составляющая тока статора при нормальном включении генератора не должна превышать более чем в 3 5 раза силу номинального тока. При аварийных режимах работы допускается пятикратиость периодической составляющей по отношению к номинальному току.
 

При замыкании за реактором периодическая составляющая тока короткого замыкания не изменяется во времени ( / 7), что позволяет принять t tpac4 22 сек.
 

Составные части короткого замыкания

Прежде чем рассуждать об ударном токе, необходимо рассмотреть из каких частей вообще состоит полный ток короткого замыкания. Известно, что его основными составляющими являются свободная апериодическая часть и вынужденная периодическая компонента. Своей максимальной отметки ток КЗ достигает при наивысших значениях обеих составных частей.

Апериодический ток в самом начале появления становится максимальным в момент нулевого значения тока в предыдущем режиме, представляющем собой холостой ход. Непосредственно при наступлении КЗ, вынужденный ток с периодической составляющей проходит свою максимальную отметку. Данное условие становится показателем, используемым в расчетах. Полный ток КЗ с максимальным мгновенным значением и есть ударный ток короткого замыкания.
На практике этот показатель рассчитывается при максимальной величине апериодической части. С этой целью выбирается режим, предшествующий аварии, называемый холостым ходом. Данной состояние сети считается одним из наиболее сложных по сравнению с индуктивным или активно-индуктивным доаварийным током, при которых показатель апериодической части будет ниже.

Условия, при которых образуется апериодическая составляющая, приведены на рисунке. Они полностью зависят от предыдущего состояния тока до аварийного режима. Красный вектор соответствует доаварийному току, синий – периодическому току КЗ. Вектор зеленого цвета показывает разницу между ними, выдающую величину апериодического тока в начальной стадии.

Литература и документация

Литература

• Справочник по радиоэлектронным устройствам : В 2-х т.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
• Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Справочник: Пер. с нем. М.:Энергоатомиздат, 1989

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 16465-70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения (недоступная ссылка)
• ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения
• ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

Значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока кз

Источник

: Фрагмент книги (стр.176 – 179) Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

При КЗ в системе собственных нужд существенное влияние на характер процесса и значение тока оказывают группы электродвигателей, включенных вблизи места повреждения. Наиболее сильно это влияние проявляется в сетях 3 – 6 кВ собственных нужд крупных ТЭС и АЭС.

Для привода механизмов собственных нужд применяют в основном асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. При близком КЗ напряжение на выводах двигателей оказывается меньше их ЭДС. Электродвигатели переходят в режим генератора, посылающего ток в место повреждения. Синхронные электродвигатели при их наличии также подпитывают место КЗ.

Составляющую тока КЗ от электродвигателей необходимо учитывать при проверке аппаратов и проводников распределительных устройств собственных нужд, а также при расчете уставок релейной защиты оборудования 3 – 6 кВ. Для указанных целей достаточно обычно знать начальное значение периодической составляющей, ударный ток, значения периодической и апериодической составляющих тока КЗ в момент т размыкания контактов выключателей.

Влияние тока подпитки от электродвигателей проявляется и учитывается в зависимости от места КЗ.

При КЗ в точке К1 (рис. 3.38) ток подпитки будет иметь определяющее значение при выборе оборудования лишь в том случае, если его действие будет превышать действие тока от внешних источников (генераторов энергосистемы). При КЗ в точке К2 или КЗ действует суммарный ток – от внешней сети и от электродвигателей. Начальное значение периодической составляющей тока КЗ от электродвигателя определяется по аналогии с синхронными генераторами по выражению

Рис. 3.38. Особенности КЗ в системе собственных нужд

Величины Е»ф и х»д не задаются в каталогах, однако в них указывается кратность пускового тока электродвигателя I*пуск, равная отношению пускового тока электродвигателя Iпуск к его номинальному току Iном. Прямое включение электродвигателя в сеть рассматривается в теории электрических машин как КЗ за сопротивлением х»д. На этом основании в практических расчетах принимают равной

В отличие от генераторов запас электромагнитной и кинетической энергии электродвигателей мал и периодическая составляющая тока КЗ, создаваемая ими, быстро затухает:

где Т’д — постоянная времени затухания тока КЗ (периодической составляющей) от электродвигателей. Апериодическая составляющая тока КЗ от электродвигателя описывается обычным выражением

Та,д — постоянная времени затухания апериодического тока для цепи электродвигателя. Ударный ток от электродвигателя

где ку,д — ударный коэффициент, определяемый обычным путем по известному Та,д. В общем случае к секциям собственных нужд электростанций подключается большое количество электродвигателей разных типов и мощностей. При оценке результирующего влияния всех электродвигателей на ток КЗ в месте повреждения целесообразно все электродвигатели заменить одним эквивалентным. Как показывает опыт, такая замена возможна и не приводит к существенным погрешностям. Действующие нормативы рекомендуют следующие значения параметров эквивалентного электродвигателя:

С учетом изложенного расчет токов КЗ в системе собственных нужд электростанции целесообразно проводить в следующем порядке : 1. Составить расчетную схему (см., например, рис

3.38), принимая при этом во внимание лишь те электродвигатели, которые имеют с местом КЗ прямую электрическую связь. 2

Составить схему замещения для определения тока КЗ от внешних источников (энергосистемы) и обычным способом (см. § 3.3) рассчитать начальное значение периодической составляющей Iп,0,с. Считаем Iп,0,с незатухающим (удаленная точка). 3. Определить суммарную номинальную мощность всех электродвигателей собственных нужд, электрически связанных с местом КЗ, Рном и начальное значение периодической составляющей тока от электродвигателей:

Полный ток при наступлении КЗ

Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.

Виды коротких замыканий в электроустановках переменного тока[править]

Виды КЗ можно разделить на две группы – симметричные

инесимметричные КЗ.

Симметричные короткие замыкания

Симметричное короткое замыкание

— КЗ в электроустановке, при котором все ее фазы находятся в одинаковых условиях.

К симметричным КЗ относится только трёхфазное короткое замыкание.

Трехфазное короткое замыкание

— КЗ между трёмя фазами в трёхфазной электроэнергетической системе. Примечание: При трёхфазном КЗ наличие или отсутствие замыкания на землю не влияет на параметры КЗ.

Несимметричные короткие замыкания

Несимметричное короткое замыкание

— КЗ в электроустановке, при котором одна из её фаз находится в условиях, отличных от условий других фаз.

К несимметричным КЗ относятся:

Однофазное короткое замыкание на землю — КЗ на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземлёнными нейтралями силовых элементов, при котором с землей соединяется только одна фаза.

Примечание: Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью коротким не является.

• Двухфазное короткое замыкание — КЗ между двумя фазами в трёхфазной электроэнергетической системе.
• Двухфазное короткое замыкание на землю – КЗ на землю в трёхфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземлёнными нейтралями силовых элементов, при котором с землёй соединяются две фазы.
• Двойное короткое замыкание на землю в электроустановке — КЗ на землю двух разных фаз в трёхфазной электроэнергетической системе в разных, но электрически связанных между собой точках.

Короткие замыкания в однофазных сетях

При выполнении расчетов энергосистем однофазного тока допускаются вычисления, производимые в упрощенной форме. Приборы и оборудование в таких сетях не потребляют большого количества электроэнергии, поэтому надежная защита может быть обеспечена обычным автоматическим выключателем, рассчитанным на ток срабатывания 25 ампер.

Ток однофазного короткого замыкания вычисляется в следующем порядке:

• Определение параметров трансформатора или реактора, питающих сеть, в том числе их электродвижущей силы.
• Устанавливаются технические характеристики проводников, используемых в сети.
• Разветвленную электрическую схему необходимо упростить, разбив на отдельные участки.
• Вычисление полного сопротивления между фазой и нулем.
• Определения полных сопротивлений трансформатора или других питающих устройств, если такие данные отсутствуют в технической документации.
• Все полученные значения вставляются в формулу.

Как вычислить апериодическую компоненту

Первоначальная величина апериодической части в модульном выражении определяется как разница между мгновенным показателем периодической части в начале КЗ и величиной тока непосредственно перед замыканием. То есть, апериодическая составляющая с максимальным первоначальным значением, сравняется с амплитудными параметрами периодической части тока при появлении КЗ. Это утверждение определяет формула: ia0 = √2Iп0, действующая при условии сниженной активной доли сопротивления в точке КЗ относительно индуктивной составляющей.

1.

2.

Кроме того, перед началом замыкания в расчетной точке не должно быть нагрузки, а напряжение какой-либо фазы к этому времени проходит по нулевому проводнику. Если же перечисленные требования не будут выполнены, то апериодическая часть в первоначальной стадии снизит свои показатели по отношению к амплитуде периодической составляющей.

Для того чтобы выполнить расчет апериодической составляющей тока короткого замыкания в любое произвольное время, заранее прорабатывается вариант замещения. Согласно первоначальной расчетной схеме, все составные элементы учитываются в качестве активных и индуктивных сопротивлений. Учет синхронных генераторов и компенсаторов, асинхронных и синхронных электродвигателей проводится путем перевода их в категорию индуктивных сопротивлений с обратной последовательностью. Обязательно учитываются сопротивления обмоток статора постоянному току с рабочей температурой установленной нормы.

3.

Когда в изначальной схеме расчетов присутствуют лишь компоненты, соединенные последовательно, в этом случае величина апериодической доли в любой момент времени определяется формулой 1, в которой Та является постоянной величиной, определяющей время затухания данной части. В свою очередь, Та можно вычислить по формуле 2, в которой Xэк и Rэк будут индуктивной и активной составляющими, а ωсинх является синхронной угловой частотой сетевого напряжения. Если же при расчетах необходимо учесть величину генераторного тока непосредственно перед коротким замыканием, тогда уже используется формула 3.

Похожие записи:

Виды и размеры кабель канала: пластиковый короб для наружной и внутренней проводки Сколько ватт в киловатте? Что такое лазер? принцип работы и применение Проекты ардуино для начинающих Как восстановить гаджет после глубокого разряда аккумулятора Классификация электрорадиоэлементов