Наиболее тяжелыми видами повреждений любой энергосистемы являются КЗ. Самыми тяжелыми и разрушительными из них являются трехфазные КЗ (рис. 1.2, а). При расчете токов КЗ, как правило, вводят определенные допущения [6]. Так, обычно не учитывают переходное сопротивление в месте КЗ и активную составляющую внутреннего сопротивления генератора, а сопротивления всех трех фаз считают одинаковыми. С учетом таких допущений трехфазное КЗ является симметричным, то есть E_A = Е_В = E_C = Е_Ф; I_А = I_B = I_С.

Ток трехфазного КЗ:

где x_г — внутреннее индуктивное сопротивление генератора (активным обычно пренебрегают);

r_Л и х_Л — соответственно, активное и индуктивное сопротивления линии.

Меньшую опасность с точки зрения устойчивости параллельной работы генераторов представляют двухфазные КЗ (рис. 1.3, а). При таком КЗ ток в неповрежденной фазе практически отсутствует (I_A ≈ 0), а в поврежденных фазах токи равны по величине (Í_B = −Í_C, рис. 1.3, б). Ток двухфазного КЗ:

Ток однофазных КЗ в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 1.4) следует находить с учетом сопротивления цепи заземления (ż_З = r_З + j × х_З):

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью однофазные замыкания короткими не являются (так как проводимость в месте повреждения не шунтирует источник питания) и обычно не требуют быстрого отключения (рис. 1.5, а). Такой ненормальный режим работы указанной сети (сети с малым током замыкания на землю) принято называть однофазным замыканием на землю.

В месте замыкания возникает емкостной ток I_З обусловленный распределенными емкостями фазных проводников сети относительно земли. В сущности, это однофазный ток (ток нулевой последовательности), распределенный между тремя фазами. Вторым проводником для этого тока является земля и заземленные грозозащитные тросы линий электропередачи (если они имеются).

При расчете этого тока обычно пренебрегают активными и реактивными сопротивлениями генератора и линии, поскольку они значительно меньше емкостного сопротивления сети. Ток замыкания на землю равен геометрической сумме токов в фазах A и B (Í_CA и Í_CB соответственно) и противоположен им по фазе (рис. 1.5, б):

Основные неблагоприятные факторы, возникающие при однофазных замыканиях на землю, — повышение напряжений неповрежденных фаз относительно земли до линейных и сравнительно небольшой емкостной ток в месте замыкания. Они способствуют возникновению других, более тяжелых видов КЗ и затрудняют поиск повреждения.

В электрических сетях напряжением 6-35 кВ начинает широко применяться резистивное заземление нейтрали [7]. Различают следующие виды такого заземления:

низкоомное резистивное заземление нейтрали. Нейтраль сети соединяется с землей через небольшое сопротивление. При однофазном замыкании на землю возникает значительный ток, достаточный для работы релейной защиты на отключение;

высокоомное резистивное заземление нейтрали. Нейтраль сети соединяется с землей через большое сопротивление (соизмеримое с емкостным сопротивлением фаз относительно земли). Ток, возникающий при однофазном замыкании на землю, достаточен для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал;

комбинированное заземление нейтрали. Этот вид заземления осуществляется путем присоединения высокоомного резистора параллельно дугогасительному реактору (ДГР). Он позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке реактора, а также способствует работе на сигнал простых релейных защит.

Способы реализации резистивного заземления связаны с особенностями устройства электрических сетей. В сетях, где нет выводов нейтралей обмоток (это, как правило, сети 6-10 кВ), заземляющий резистор подключается к искусственной нулевой точке, образованной первичными обмотками специального трансформатора заземления нейтрали (ТЗН) со схемой соединения обмоток «звезда с нулевым выводом/треугольник» (рис. 1.6, а).

Если имеется трехобмоточный силовой трансформатор с выведенной на крышку трансформатора нейтралью обмотки (обычно в сетях 20 и 35 кВ), то заземляющий резистор присоединяется к этому выводу (рис. 1.6, б).

Комбинированное заземление осуществляется путем подключения заземляющего резистора параллельно ДГР к имеющимся электрическим цепям (рис. 1.7, а и б).

Определить токи при однофазных замыканиях на землю в этих электрических сетях можно следующим образом.

В сети с непосредственным присоединением резистора к нейтрали трансформатора на основе схемы замещения (рис. 1.8) комплексные токи в месте повреждения и в заземляющем резисторе соответственно определяются так:

Здесь g и g_N — соответственно проводимости места повреждения и заземляющего резистора; g = 1/R_п, где R_п — сопротивление в месте повреждения; g_N = 1/R_N, где R_N — сопротивление заземления нейтрали; Ú_N и Ú_З — векторы напряжений нейтрали и поврежденной фазы относительно земли соответственно; Ė_С — вектор фазной э.д.с. поврежденной фазы С; С — емкость фазы относительно земли.

При низкоомном заземлении нейтрали ωС << g_N. Поэтому можно принять ωС = 0. Тогда векторы токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе равны и определяются так:

Для действующих значений этих токов можно записать:

При стационарных металлических замыканиях g_N << g и g + g_N ≈ g. В этих условиях действующие значения токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе можно определить так:

Токи при однофазных замыканиях на землю в сетях с резистивным заземлением искусственной нулевой точки можно определить по аналогичной методике.

В реальных условиях, как правило, z_0Т << R_N (где z_0Т — сопротивление нулевой последовательности заземляющего трансформатора) и z_0Т можно принять равным нулю. Тогда для тока в месте установки защиты при стационарном металлическом однофазном замыкании на землю можно записать:

Реже возможны и другие, более сложные виды замыканий, представляющие собой различные сочетания рассмотренных выше: трехфазное КЗ на землю (рис. 1.9, а), двухфазное КЗ на землю (рис. 1.9, б), двойное КЗ на землю (рис. 1.9, в).

Перечисленные замыкания могут иметь место как в сетях с глухозаземленной нейтралью, так и в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью.