Фазова повреда. Еднофазни земни съединения

Междуфазовото късо съединение е авариен режим на работа електрическа мрежа. Възниква, когато електрическа връзкамежду противоположни фази в случай на влошаване на изолацията между тях, механични повреди или експлоатационни грешки.
В допълнение към фазовите повреди има еднофазни повреди, които възникват, когато нулата и фазата са свързани една с друга. Свързването на фазов проводник със земята се нарича земно съединение.
Къси съединения възникват в електрически инсталации, които имат както заземена неутрала, когато нулевият проводник е свързан към заземяващия контур, така и изолирана неутрала, където е изолиран от земята навсякъде. Те могат да възникнат между две фази, три фази с или без нула.
Късо съединение може да възникне навсякъде в електрическата мрежа. Те са податливи на:

опорни и втулкови изолатори, върху които са монтирани проводими шини;
намотки електрически машини: силови трансформатори, електродвигатели и генератори;
захранващи кабелни линии;
въздушни електропроводи;
изолационни елементи на комутационна апаратура: ключове, разединители, ножови прекъсвачи, предпазители, ;
потребители електрическа енергия, например електрически нагреватели, кондензаторни агрегати.

IN различни ситуациизатварянето протича по различни начини. Има:

"метал"къси съединения, при които свързването на проводниците на две фази има ниско съпротивление, което елиминира образуването на дъги и искри;
дъгова повреда, образуван при наличие на въздушна междина между затворени проводници;
"тлеещ"късо съединение, типично за кабелни линии, замърсени изолационни повърхности, когато токът между фазите преминава през зона с ниско съпротивление, нагрявайки я;
късо съединение в полупроводникелементи при тяхното разпадане.

За защита срещу фазови повреди в електрически инсталации 380/220 V се използват следните:

верижни прекъсвачис електромагнитно освобождаване (автоматично);
предпазители.

За защита на електрически инсталации с напрежение над 1000 V се използва набор от устройства, наречени релейна защита. Включва сензори за ток (токови трансформатори), сензори за напрежение (трансформатори за напрежение), защитни релета и управлявани силови превключващи елементи.
Защитните релета могат да бъдат електромеханични, полупроводникови или микропроцесорни. Задачата на превключващия елемент (маслен, вакуумен или елегаз) е да осигури разединяването на повредената зона по команда от защитното устройство. В същото време трябва да издържа на прекъсване на захранването късо съединение.

Токове на повреда между фази

важно Електрически характеристикикъсо съединение е неговият ток. При проектирането на електрически инсталации трябва да се изчисли по определен метод за няколко точки. Това се прави, за да се изберат правилно параметрите на електрическото оборудване и инсталацията защитни устройства: токове на прекъсване на прекъсвачи и характеристики на реакция на релейна защита.
Големината на тока на късо съединение (SC) се влияе от следните фактори:

Разстояние от точката на повреда до източниците на захранване. Колкото по-близо е веригата до мощни трансформатори, генератори, толкова по-голям е токът на веригата;
Тип, напречно сечение и дължина на свързващия кабел и въздушните линии, свързващи източника на захранване с точката на късо съединение. Количество и характеристики комутационни устройствав тази верига и тяхното техническо състояние. При изчисляването всички тези данни се преобразуват в еквивалентно мрежово съпротивление. Познавайки мощността на източника на електричество, се изчислява токът на късо съединение;
Преглед повреда фаза към фаза: при метална повреда токът е най-голям и се изчислява по време на проектирането. При повреда на дъгата токът е по-малък. Но ако дъгата е нестабилна и постоянно изгасва и след това отново светва, възникват преходни процеси, водещи до краткосрочно превишаване на номиналните токове.

При "тлеещо" късо съединение токът е много по-нисък от изчисления, което прави невъзможно защитните устройства да реагират на възникването му. Тлеещо късо съединение може внезапно да се превърне в дъга или метал, защитата ще работи, но когато се включи отново, токът отново ще бъде под прага на чувствителност. Намирането на мястото на повреда на електрическото оборудване в този случай е трудно и е невъзможно без измерване на изолацията или тестване с повишено напрежение.

Така че, колкото по-далече се случва късо съединение от източника на захранване, толкова по-малка е величината на неговия ток. Това се обяснява с факта, че всеки кабел, разпределително табло или въздушна линияувеличаване на еквивалентното съпротивление на електрическата мрежа. Според закона на Ом, с увеличаване на съпротивлението на товара, токът във веригата намалява.

Това позволява селективно изключване на повредени участъци от електрическата мрежа. Автоматичен превключвател на входа на апартамента при номинален ток 16 A и характеристика “C” има работен ток електромагнитно освобождаване 80 – 160 A. Ток на повреда над 160 A гарантирано води до изключване. Но токът на късо съединение в апартамента едва ли ще бъде достатъчен, за да изключите ключа трафопост, който захранва цялата къща, изключва при 500А. И защитата дори няма да го забележи кабелна линия, захранващи трафопоста.

Въздействие на фазови повреди върху електрическо оборудване и хора

Когато възникнат фазови повреди, те разрушават електрическото оборудване или нарушават работата му. Когато токът на повреда преминава през части под напрежение, те едновременно изпитват динамични и топлинни ефекти.

Динамично въздействие възниква, когато много големи токове, това е важно главно в мощни подстанции, електроцентрали и електропреносни линии на електроенергийната система. Това се дължи на факта, че проводниците с ток, разположени на определено разстояние един спрямо друг, в зависимост от посоката на тези токове, или привличат, или отблъскват. Силата на това взаимодействие е право пропорционална на големината на токовете и обратно пропорционална на разстоянието между тях.

По време на тежки аварии шините на разпределителната уредба взаимодействат една с друга с такава сила, че изолаторите, на които са монтирани, се счупват. Намотките на електрическите машини са изтръгнати от жлебовете си, а кабелите се извиват като змии. Повредите на токопроводи могат да доведат до появата на допълнителни затворени секции, което прави извънредна ситуацияпо-глобален.

При проектирането цялото електрическо оборудване трябва да бъде проверено, за да се гарантира, че може да издържи на ток на късо съединение без разрушаване. Всяко електрическо устройство има ток на динамична стабилност, обявен в паспорта му от производителя, който трябва да бъде по-голям от изчисления ток на късо съединение.

Топлинният ефект се състои в нагряване на проводниците по време на преминаването на токове на късо съединение. Те се превръщат в нагревателни елементи, върху който се генерира топлина. Мощността, освободена от късо съединение в участък от веригата, е пропорционална на нейното съпротивление, умножено по квадрата на тока.

В допълнение към номиналната стойност на динамична стабилност, цялото произведено електрическо оборудване има и термична стабилност. Също така трябва да се провери според изчислените параметри на късо съединение, които допълнително включват времето на експозиция.

Когато възникне фазова повреда в апартамент, битовите прекъсвачи работят почти мигновено. Но е време да изключите защитните устройства разпределителни устройстване може да бъде равно на нула. Тогава те могат да бъдат задействани в групи, което ще доведе до масови прекъсвания и трудности при търсене на повредени зони. Колкото по-близо е защитното устройство до потребителя, толкова по-кратко е времето за реакция. Устройството нагоре по веригата е негов резерв, то ще работи при ток на късо съединение, ако низходящото не го изключи. Но работното му време е малко по-дълго.

В зони, защитени с устройства за забавяне на времето, има по-голям шанс шините или проводниците да се стопят по време на късо съединение. Но дори и при незабавно изключване, оборудването има време да се загрее много.

Друг фактор за въздействието на междуфазните повреди върху електрическото оборудване и хората е електрическата дъга. Той нагрява повърхностите, с които влиза в контакт, до няколко хиляди градуса. При такива температури се топят всички метали, използвани в електротехниката. По време на задействане на защитите понякога изгарят няколко метра шини, кабелните линии изгарят наполовина.

Електрическата дъга отделя топлина в околното пространство. Ако наблизо има запалими материали, може да възникне пожар. Изолацията на кабелите и трансформаторно масло, използвани в електрически устройства за охлаждане или гасене на дъгата по време на превключване.

Ако хората са наблизо, те могат да получат или изгаряния на ретината поради ослепителния ефект на дъгата, или други изгаряния. Такива изгаряния са трудни за лечение, тъй като са придружени от метализация: пръски от разтопен метал летят във всички посоки. Усложнения възникват, когато облеклото на жертвата се запали и се запали моментално.

Следователно при работа в съществуващи електрически инсталации се осигурява безопасност Специално внимание. Можете да бъдете изложени на електрическа дъга само ако има грешки при превключване, подготовка на работното място или нарушаване на технологията на работа. Да се окажете на място, където само по себе си е възникнало късо съединение поради повреда на изолацията, на практика е нереалистично.

По време на късо съединение напрежението в точката на възникване е значително намалено. Това се случва поради същия закон на Ом: напрежението в даден участък от веригата е пропорционално на тока през него и неговото съпротивление. Тъй като съпротивлението в точката на късо съединение е много по-ниско, отколкото в останалата част от веригата до източника на захранване, без значение колко голям е токът, напрежението все още ще спадне рязко. Това води до допълнителни проблеми: в останалата част от електрическата инсталация стартерите на двигателя изчезват и отказват електронни устройства, компютърни системи за управление. Следователно във важни енергийни съоръжения системите за управление и наблюдение на работата на електрическото оборудване се захранват от независим източник на електроенергия ( батерия), а компютърните системи трябва да имат UPS.

Предотвратяване на фазови повреди

Честотата на късите съединения във всяка електрическа инсталация зависи от следните фактори:

възраст на използваното електрическо оборудване;
навременност и качество на планираната превантивна поддръжка (PPR);
спазване на режимите на работа на електрическото оборудване;
квалификация на обслужващия персонал.

Предприятията винаги извършват статистически анализ на всички аварийни спирания. Въз основа на него се правят изводи за недопускане на подобни инциденти. Освен това всяко предприятие има свой собствен план за модернизиране на електрическото оборудване, предвиждащ подмяната на старите физически и психически остарели устройствакъм нови, модерни.

Еднофазни повредина земята- това е повреда на електропроводи, в която една от фазите трифазна системакъсо съединение към земята или към елемент, електрически свързан към земята. SFO са много често срещан тип повреда; еднофазните заземяващи съединения представляват 70-90% електрически повреди. .

Самото предаване на електроенергия се извършва с помощта на специални трифазни електрически веригивисоко напрежение. Една от характеристиките на електропреноса е достъпността неутрален проводникв схемата, която е обща точкатрифазни захранвания електрическа система, наричан още неутрален. Процесите, протичащи в мрежата при възникване на такова късо съединение, значително зависят от режима на работа на неутралата на дадената мрежа.

В мрежите с изолиран неутраленЕднофазният ток на заземяване се затваря през капацитетите на неповредените фази. Стойността му е малка и се определя от общия капацитет на неповредените фази. Това ви позволява да управлявате мрежата, без незабавно да изключите този тип щети. Но в този случай изолацията на оборудването ще остарее много по-бързо и това може да доведе до по-опасно явление - късо съединение, което изисква незабавно изключване на повредения участък от мрежата.

В мрежите с заземен нулаЕднофазно земно съединение е късо съединение. Токът на повреда в този случай е затворен през заземените неутрали на първичното оборудване и е значителен. Такава повреда изисква незабавно изключване на повредената зона. Имайки в предвид тази функция, тогава изборът оптимален типнеутрален е сложен технически и икономически проблем. В Русия тази задачанамери решение под формата на това, че разпределителните мрежи на ниво 6-35 kV работят в неутрален режим на източници на енергия, изолирани от земята, а мрежите повече високо нивонапреженията работят в режим, при който неутралата е директно свързана със земята - стабилно заземен и ефективен неутрален режим. Причини за еднофазни заземяващи повреди Износването или повредата на изолацията на оборудването е основната причина за появата на късо съединение. Изолацията може да бъде нарушена по различни причини. Това може да се случи поради външни механични повреди, и поради стареенето.

Последици от ОЗЗ

1. Опасност за живота

Единственият път за протичане на еднофазен ток на заземяване в мрежа с изолирана неутрала е капацитивното свързване между фазови проводницилинии и земя. В зависимост от разклонението на мрежата капацитивният ток може да варира от 0,1 до 500 ампера. Което е достатъчно, за да представлява опасност за животни и хора, намиращи се в близост до повредата; поради тази причина тези повреди трябва да бъдат идентифицирани и изключени, точно както се прави в мрежи със стабилно заземен неутрал.

2. Риск от двойно късо съединение

В повечето случаи възниква повреда в земната дъга и може да е периодична. В този случай по време на дъгова повреда възникват пренапрежения между елементите, свързани към мрежовите фази и земята, надвишаващи 2-4 пъти номиналното фазово напрежение. Оборудването в мрежа с изолирана неутрала е проектирано за дългосрочна работа само за максимум мрежово напрежение. Изолацията по време на веригата може да не издържи на такива пренапрежения и може да възникне повреда на изолацията във всяка друга точка на мрежата, след което веригата се развива в двойно късо съединение към земята.

3. Преждевременно износване на оборудването

По време на развитието и отстраняването на повреди при късо съединение в трансформаторите на напрежение възниква ферорезонансен ефект, който с голяма вероятност води до преждевременна повреда.

Като се вземат предвид всички горепосочени фактори, тези повреди трябва да бъдат идентифицирани чрез релейна защита и повредената линия трябва да бъде селективно изключена.

Защита от ОЗЗ

Фактори, влияещи върху действието на защитите

Тип затваряне ( метална връзка, късо съединение чрез преходно съпротивление, късо съединение чрез дъга);
Стабилност на веригата (стабилна и нестабилна: прекъсваща верига и верига през прекъсваща дъга);
Наличие на дисбаланси в мрежата;
Преходните процеси са подобни на процесите по време на СЗ (включване на линията, смущения от други електропроводи по време на СЗ по тях и др.).

Видове защита срещу рискове за здравето

Видовете защита срещу рискове за здравето са разделени на две голям клас- Това са индивидуални и централизирани защити.

Лична защита

Този тип защита се счита за доста проста, но често дава фалшиви положителни резултати.

Подвид лична защита:

токова защита с нулева последователност;
токова насочена защита с нулева последователност;
защита на активната мощност с нулева последователност;
защита от нулева последователност при по-високи хармонични токове;
защита, която реагира на наложен ток.

Сред другите недостатъци на индивидуалната защита е възможността за неизправност по време на повреди на късо съединение чрез преходни съпротивления, нестабилност на състава и нивото на по-високите хармоници в тока на NP, намаляване на чувствителността на релейната защита и автоматика и отказ за работа по време на прекъсващи дъгови повреди при късо съединение.

Централизирана защита

Защитите на централизиран принцип нямат недостатъците на индивидуалните защити, като напр фалшиви положителни резултати, Свързани преходни процесина неповредени линии. При централизирана защита сравнението на амплитудата или ефективни стойноститокове с нулева последователност. За разширяване на обхвата на приложение в подстанции с голям брой връзки е възможно да се въведе такава защита Допълнителна информация, което ви позволява да настроите действието в някои сложни режими, например получаването на информация за напрежението с нулева последователност от друга секция на автобусите на подстанцията може да увеличи чувствителността. Представители на такива защити са защитите тип Geum, които използват няколко алгоритма в работата си: стандартен алгоритъм, алгоритъм за общ ток, фазови и логически алгоритми.

Подвидове централизирана защита:

централизирана защита с избиране на алтернативен канал;
централизирана защита с запитване на паралелен канал;
централизирана защита с паралелно синхронизирано запитване на канали.

Заземяване и заземяване

Евгений Иванов, съпредседател на проблемната комисия „Електрическа безопасност” на Международната академия по екология и безопасност на живота, доктор на техническите науки, професор в катедра „Безопасност на живота” в СПГЕТУ „ЛЕТИ”

В предишни броеве на нашето списание, разглеждайки въпроса за основите на електрическата безопасност в светлината на съвременни изисквания, писахме за видовете действия електрически токна човек, схеми за свързване на човек към токова верига, за съпротивлението на изолацията и капацитета на електрическите инсталации спрямо земята. Този материал ще се фокусира върху заземяване и заземителни устройства.

Електрическите наранявания в повечето случаи възникват при монофазни (еднополюсни) режими, когато човек докосне част под напрежение от електрическа инсталация или част без ток. метални конструкциислучайно попаднали под напрежение поради повреда електрическа изолация. Пожароопасни ситуации също в повечето случаи възникват при еднофазни (еднополюсни) режими на заземяване на тоководещи части на електрическа инсталация поради експлоатационна повреда на изолацията. В тези режими стойностите на токовете във веригите „тоководеща част - земя“ или „част под напрежение - човешко тяло - земя“ се определят от параметрите на веригите, свързващи части под напрежение към земята, не само чрез съпротивление на утечка , както е посочено в предишната статия, но също и чрез съпротивление на късо съединение или изкуствено заземяване на части под напрежение, приети в проекта за електрическа инсталация.

Наземни съединения
Съгласно Правилата за електрическа инсталация (клауза 1.7.10), повреда на земята е случайно свързване на части под напрежение на електрическа инсталация със структурни части, които не са изолирани от земята, или директно със земята.
В близост до мястото на заземяването се образува зона на разпространение на ток - пространство, върху чиято повърхност електрически потенциалиса различни от нула. Концепцията за тази зона е една от основните в теорията на електрическата безопасност. Затова ще го разгледаме по-подробно, като вземем за пример електропреносна линия (PTL).
Нека има късо съединение по някаква причина фазов проводник C към опора на електропровод (влажност, замърсяване на изолатори, птичи крила и др.). Токът на заземяване протича по веригата: фаза C - опора на електропровода - земя - съпротивление на заземяване на неутралата R0 на трансформатора на електропровода - неутрала 0 на трансформатора (фиг. 1).
В близост до опората на електропровода се образува зона на разпространение на ток (счита се, че нейният радиус е 20 m). В тази зона токът тече в земята по радиуси във всички посоки от опорната основа. Следователно, по опростен начин, напречното сечение на проводящия слой на земята може да се приеме като полукълбо, чиято площ
S = 2p x 2,
където x е разстоянието до опората. Тоест, докато се отдалечавате от основата на опората, токът на заземяване протича като че ли през проводник с променливо напречно сечение, увеличавайки се с разстоянието от точката на повреда. Най-високата плътност на тока j заместник се наблюдава в близост до точката на повреда (тук най-малкото напречно сечение на проводника е земята). Докато се отдалечавате от точката на повреда, напречното сечение на проводника - земята се увеличава и следователно плътността на тока j заместник = I заместник / 2p x 2 постепенно намалява до безкрайно малка стойност. Напрежението се променя съответно електрическо полев текущата зона на разпространение E = r j заместник (тук r - съпротивлениепочва) - от максималната стойност до нула. Тоест, потенциалите на електрическото поле в зоната на разпространение на тока се променят от максималната стойност на j на мястото на заземяването до почти нулева стойност на разстояние 20 m от мястото на повредата. Този модел е типичен за всеки тип заземяване (повреда в опора на електропровод се приема само за яснота).

Устойчивост на текущата зона на разпространение
Тъй като в зоната на разпространение на тока съществуват електрически потенциали, това може да представлява опасност за човешкия живот. Следователно винаги е необходимо да се извърши количествена оценка на неговите параметри, по-специално да се определи стойността на максималния потенциал j заместник. Този потенциал е равен на спада на напрежението в зоната на разпространение на тока в токовата верига на заземяване: j заместник = I заместник R заместник, където R заместник е съпротивлението на зоната на разпространение на тока. Точно като съпротивлението на електрическата изолация, съпротивлението на зоната на разпространение на тока е разпределен параметър, чиято количествена стойност може да се определи само чрез специални измервания.
Нека направим експеримент. Нека залепим два електрода E1 и E2 в земята и да свържем към тях източник на измервателно напрежение Umeas чрез амперметър A (фиг. 2).
В близост до всеки от тези електроди се появяват зони на разпространение на тока I депутация с максимални потенциали j депутация 1 и j депутация 2 и j депутация 1 + j депутация 2 = U измер. Стойностите на тези потенциали спрямо земята могат да бъдат измерени. За тази цел се използва допълнителен електрод, поставен извън зоната на разпространение на тока, до мястото, където потенциалът на земната повърхност j 0 е близък до нула.
Отчитането на волтметъра V, свързан между допълнителния и главния електрод, ще бъде U = j заместник - j 0 = j заместник. Познавайки стойността на тока на земната повреда от показанията на амперметър А, получаваме стойностите на съпротивлението на зоните на разпространение на тока R dm1 = j dm1 / I dm и R dm2 = j dm2 / I dm. Обикновено вместо два инструмента - амперметър и волтметър - се използва коефициент, който позволява директно да се получи съотношението потенциал/ток (заземяващ метър тип M 416).
Нека представим някои количествени стойности на съпротивлението на текущите зони на разпространение. В случай на прекъсване на електропровода и късо съединение към земята съпротивлението на зоната на разпространение на тока зависи от вида на почвата; Приблизително се изчислява, че когато възникне късо съединение върху натрошен камък, съпротивлението на зоната на разпространение на тока е 10 kOhm, върху асфалт - 1 kOhm, върху влажна земя - 100 Ohm. Ако възникне късо съединение на водопроводна тръба, тогава съпротивлението на зоната на разпространение на тока около него може да се приеме равно на 100 ома. Когато човек стои на земята и докосне част под напрежение, под краката му също се появява зона на разпространение на ток със съпротивление от около 30 ома (мокра земя), 1000 ома (суха земя), 10 kOhm (натрошен камък).

Устройство за заземяване
Заземяването е умишленото свързване на метални тоководещи или нетоководещи части към земята. Може да преследва различни цели - защита срещу токов удар ( защитно заземяване), защита на радиоелектронно оборудване от смущения, заземяване на неутралния източник, работно заземяване(в еднопроводни системи за захранване и електрически заваръчни инсталации), премахване на заряда на статично електричество и др. Това се извършва с помощта на заземително устройство, чийто основен елемент е заземяващ електрод - метална конструкция, вкопана в земята. IN производствени условияПо контура на помещението има заземяваща шина (стоманена или медна лента, свързана към заземен електрод). Заземените конструкции са свързани към заземителната шина чрез заземителни проводници, чието напречно сечение е избрано от съображения за механична якост (например, за да се изключи възможността от случайно счупване на проводника при почистване на стая) или термична устойчивост на повреда течения. Изискванията за дизайна на заземителната шина и заземяващите проводници са дадени в PUE (глава 1.7).
Количествената стандартизирана характеристика на заземяващото устройство е неговото съпротивление Rз, т.е. максималната допустима стойност на съпротивлението на зоната на разпространение на тока в близост до заземяващия електрод (Таблица 1).

На движещи се обекти (самолет, кораб и др.) Заземителният проводник е метален корпуссамия обект. Тук съпротивлението на заземителя се определя не от стандартите за безопасност, а от качеството (механичната цялост) на винтовата контактна връзка на заземителя с металната конструкция (0,02 - 0,05 Ohm). Правилата за наблюдение на заземяващите устройства са дадени в Правилата за експлоатация на потребителските електрически инсталации (Приложение 24).

Ток на заземяване
Стойностите на еднофазните токове на земно съединение са ограничени от изолационните импеданси на здравите фази (в мрежи, изолирани от земята) или съпротивлението на неутрално заземяване (в мрежи със заземен неутрал). Следователно нито оборудването от фазови токове на късо съединение (максимална защита), нито оборудването за защита от претоварване (термична защита) реагират на еднофазен ток на повреда. В резултат на това може да съществува еднофазен (еднополюсен в двупроводни мрежи) режим на заземяване за дълго време, което води до пожароопасни ситуации. В режим на еднофазна повреда активни и капацитивни токовеТечовете са концентрирани на мястото на късото съединение. Именно тук - при съпротивлението на веригата или при контакта със земното съпротивление - е активна мощност, под въздействието на които може да възникне процес на нарастване на температурата на нагряване. Токовете на утечка към земята между здравите фази и земята се разпръскват в мрежата в безкрайно малки токове по разпределени съпротивления на утечка и следователно опасност от пожарне си представяй. Токът на повредата е опасен точно в мястото на повредата. Според Всеруския научноизследователски институт за противопожарна защита (полковник В. В. Смирнов), токове, които генерират активна мощност над 17 W на мястото на повреда на изолацията, се считат за пожароопасни. В опасни зони токовете на заземяване над 25 mA са опасни.
Прогнозната (възможна) стойност на тока на повреда може да се изчисли по формулите: Тук се приемат следните обозначения: g a, g b, g c - активна проводимост на фазовата изолация, gzam - активна проводимост на мястото на повреда на изолацията (проводимост на зоната на разпространение на тока), C f - фазов капацитет относителна земя, U f - фазово напрежение.