В электроэнергетической системе неисправность или ток неисправности — это любой аномальный электрический ток . Например, короткое замыкание — это неисправность, при которой провод под напряжением касается нейтрального или заземляющего провода. Неисправность с разомкнутой цепью возникает , если цепь прерывается отказом токоведущего провода (фазы или нейтрали) или перегоревшим предохранителем или автоматическим выключателем . В трехфазных системах неисправность может включать одну или несколько фаз и землю или может возникать только между фазами. При «замыкании на землю» или «замыкании на землю» ток течет в землю. Ожидаемый ток короткого замыкания предсказуемой неисправности можно рассчитать для большинства ситуаций. В энергосистемах защитные устройства могут обнаруживать условия неисправности и управлять автоматическими выключателями и другими устройствами, чтобы ограничить потерю обслуживания из-за неисправности.
В многофазной системе неисправность может затронуть все фазы в равной степени, что является «симметричной неисправностью». Если затронуты только некоторые фазы, то результирующая «асимметричная неисправность» становится более сложной для анализа. Анализ этих типов неисправностей часто упрощается с помощью таких методов, как симметричные компоненты .
Основной целью защиты энергосистемы является проектирование систем обнаружения и прерывания неисправностей энергосистемы .
Временная неисправность — это неисправность, которая больше не присутствует, если питание отключено на короткое время, а затем восстановлено; или неисправность изоляции, которая только временно влияет на диэлектрические свойства устройства, которые восстанавливаются через короткое время. Многие неисправности в воздушных линиях электропередач носят временный характер. Когда происходит неисправность, оборудование, используемое для защиты энергосистемы, срабатывает, чтобы изолировать область неисправности. Временная неисправность затем устраняется, и линия электропередач может быть возвращена в эксплуатацию. Типичные примеры временных неисправностей включают:
Системы передачи и распределения используют функцию автоматического повторного включения, которая обычно используется на воздушных линиях для попытки восстановить питание в случае кратковременного сбоя. Эта функция не так распространена в подземных системах, поскольку сбои там обычно носят постоянный характер. Кратковременные сбои могут по-прежнему вызывать повреждения как в месте первоначального сбоя, так и в другом месте сети, поскольку генерируется ток сбоя.
Постоянная неисправность присутствует независимо от подаваемой мощности. Неисправности в подземных силовых кабелях чаще всего являются постоянными из-за механического повреждения кабеля, но иногда имеют временный характер из-за молнии. [1]
Асимметричное или неуравновешенное повреждение не влияет на каждую из фаз одинаково. Распространенные типы асимметричного повреждения и их причины :
Симметричное или сбалансированное повреждение влияет на каждую из фаз одинаково. Среди повреждений линий электропередачи примерно 5% являются симметричными. [3] Эти повреждения редки по сравнению с асимметричными повреждениями. Два типа симметричных повреждений — это «линия-линия-линия» (LLL) и «линия-линия-линия-земля» (LLLG). Симметричные повреждения составляют от 2 до 5% всех системных повреждений. Однако они могут вызвать очень серьезные повреждения оборудования, даже если система остается сбалансированной.
Одна крайность — когда неисправность имеет нулевое сопротивление, что дает максимальный ожидаемый ток короткого замыкания . Теоретически все проводники считаются соединенными с землей, как если бы это был металлический проводник; это называется «болтовое замыкание». Было бы необычно в хорошо спроектированной энергосистеме иметь металлическое короткое замыкание на землю, но такие неисправности могут возникнуть по неосторожности. В одном типе защиты линии электропередачи «болтовое замыкание» намеренно вводится для ускорения работы защитных устройств.
Замыкание на землю (замыкание на землю) — это любая неисправность, которая допускает непреднамеренное соединение проводников силовой цепи с землей. [ требуется ссылка ] Такие неисправности могут вызывать нежелательные циркулирующие токи или могут подавать напряжение на корпуса оборудования под опасным напряжением. Некоторые специальные системы распределения электроэнергии могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать единичное замыкание на землю и продолжать работу. Правила электропроводки могут требовать, чтобы устройство контроля изоляции подавало сигнал тревоги в таком случае, чтобы можно было определить и устранить причину замыкания на землю. Если в такой системе возникает второе замыкание на землю, это может привести к перегрузке по току или выходу из строя компонентов. Даже в системах, которые обычно подключены к земле для ограничения перенапряжений , в некоторых приложениях требуется прерыватель замыкания на землю или аналогичное устройство для обнаружения замыканий на землю.
Реально сопротивление в месте повреждения может быть от близкого к нулю до довольно высокого относительно сопротивления нагрузки. В месте повреждения может потребляться большое количество энергии по сравнению со случаем нулевого сопротивления, когда мощность равна нулю. Кроме того, дуги сильно нелинейны, поэтому простое сопротивление не является хорошей моделью. Для хорошего анализа необходимо рассмотреть все возможные случаи. [4]
Если напряжение в системе достаточно высокое, между проводниками энергосистемы и землей может образоваться электрическая дуга . Такая дуга может иметь относительно высокое сопротивление (по сравнению с нормальными рабочими уровнями системы) и ее может быть трудно обнаружить с помощью простой защиты от сверхтока. Например, дуга в несколько сотен ампер в цепи, обычно несущей тысячу ампер, может не вызвать срабатывания выключателей сверхтока, но может нанести огромный ущерб шинам или кабелям, прежде чем станет полным коротким замыканием. Коммунальные, промышленные и коммерческие энергосистемы имеют дополнительные защитные устройства для обнаружения относительно небольших, но нежелательных токов, уходящих на землю. В жилой электропроводке электрические правила теперь могут требовать использования прерывателей дугового замыкания в цепях электропроводки зданий для обнаружения небольших дуг до того, как они вызовут повреждения или пожар. Например, эти меры принимаются в местах, где есть проточная вода.
Симметричные неисправности можно анализировать теми же методами, что и любые другие явления в энергосистемах, и на самом деле существует множество программных средств для автоматического выполнения этого типа анализа (см. исследование потока мощности ). Однако есть другой метод, который столь же точен и, как правило, более поучителен.
Сначала делаются некоторые упрощающие предположения. Предполагается, что все электрические генераторы в системе находятся в фазе и работают при номинальном напряжении системы. Электродвигатели также можно считать генераторами, поскольку при возникновении неисправности они обычно поставляют, а не потребляют энергию. Затем для этого базового случая рассчитываются напряжения и токи .
Далее, место неисправности считается запитанным от отрицательного источника напряжения, равного напряжению в этом месте в базовом варианте, в то время как все остальные источники устанавливаются на ноль. Этот метод использует принцип суперпозиции .
Для получения более точного результата эти расчеты следует выполнять отдельно для трех отдельных временных диапазонов:
Асимметричное повреждение нарушает основные предположения, используемые в трехфазной сети, а именно, что нагрузка сбалансирована на всех трех фазах. Следовательно, невозможно напрямую использовать такие инструменты, как однолинейная схема , где рассматривается только одна фаза. Однако из-за линейности энергосистем обычно рассматривают результирующие напряжения и токи как суперпозицию симметричных компонентов , к которым можно применить трехфазный анализ.
В методе симметричных составляющих энергосистема рассматривается как суперпозиция трех составляющих:
Чтобы определить токи, возникающие в результате асимметричного замыкания, необходимо сначала узнать удельные сопротивления нулевой, положительной и отрицательной последовательности линий электропередачи, генераторов и трансформаторов. Затем с использованием этих сопротивлений строятся три отдельные цепи. Затем отдельные цепи соединяются вместе в определенном порядке, который зависит от типа изучаемого замыкания (это можно найти в большинстве учебников по энергосистемам). После того, как цепи последовательности правильно соединены, сеть можно проанализировать с использованием классических методов анализа цепей. Решение приводит к напряжениям и токам, которые существуют как симметричные компоненты; их необходимо преобразовать обратно в фазовые значения с помощью матрицы A.
Анализ предполагаемого тока короткого замыкания необходим для выбора защитных устройств, таких как предохранители и автоматические выключатели . Если цепь должна быть должным образом защищена, ток короткого замыкания должен быть достаточно высоким, чтобы сработать защитное устройство в течение как можно более короткого времени; также защитное устройство должно быть способно выдерживать ток короткого замыкания и гасить любые возникающие дуги, не разрушаясь при этом или не поддерживая дугу в течение значительного периода времени.
Величина токов короткого замыкания сильно различается в зависимости от типа используемой системы заземления, типа питания установки и системы заземления, а также ее близости к источнику питания. Например, для отечественного источника питания UK 230 В, 60 А TN-S или USA 120 В/240 В токи короткого замыкания могут составлять несколько тысяч ампер. Крупные сети низкого напряжения с несколькими источниками могут иметь уровни короткого замыкания 300 000 ампер. Система с высоким сопротивлением заземления может ограничить ток короткого замыкания линии на землю всего 5 амперами. Перед выбором защитных устройств необходимо надежно измерить предполагаемый ток короткого замыкания в начале установки и в самой дальней точке каждой цепи, и эта информация должна быть надлежащим образом применена к применению цепей.
Легче всего диагностировать воздушные линии электропередачи, поскольку проблема обычно очевидна, например, если на линию упало дерево или сломался столб, а проводники лежат на земле.
Обнаружение неисправностей в кабельной системе может быть выполнено либо при обесточенной цепи, либо, в некоторых случаях, при включенной цепи. Методы обнаружения неисправностей можно в целом разделить на терминальные методы, которые используют напряжения и токи, измеряемые на концах кабеля, и методы трассировки, которые требуют осмотра по всей длине кабеля. Терминальные методы могут использоваться для обнаружения общей области неисправности, чтобы ускорить трассировку на длинном или подземном кабеле. [5]
В очень простых системах электропроводки место неисправности часто находится путем осмотра проводов. В сложных системах электропроводки (например, в самолетной электропроводке), где провода могут быть скрыты, неисправности электропроводки определяются с помощью рефлектометра временной области . [6] Рефлектометр временной области посылает импульс по проводу, а затем анализирует возвращающийся отраженный импульс для выявления неисправностей в электрическом проводе.
В исторических подводных телеграфных кабелях для измерения токов короткого замыкания использовались чувствительные гальванометры ; путем тестирования на обоих концах неисправного кабеля место неисправности можно было изолировать с точностью до нескольких миль, что позволяло схватить и отремонтировать кабель. Петля Мюррея и петля Варли были двумя типами соединений для обнаружения неисправностей в кабелях
Иногда повреждение изоляции в силовом кабеле не проявляется при более низком напряжении. Испытательный комплект «thumper» подает на кабель импульс высокой энергии и высокого напряжения. Место повреждения определяется путем прослушивания звука разряда в месте повреждения. Хотя этот тест способствует повреждению кабеля, он практичен, поскольку место повреждения в любом случае должно быть повторно изолировано при обнаружении. [7]
В системе распределения с высоким сопротивлением заземления фидер может развить замыкание на землю, но система продолжает работать. Неисправный, но находящийся под напряжением фидер можно обнаружить с помощью кольцевого трансформатора тока, собирающего все фазные провода цепи; только цепь, содержащая замыкание на землю, покажет чистый несбалансированный ток. Чтобы облегчить обнаружение тока замыкания на землю, заземляющий резистор системы можно переключать между двумя значениями, чтобы ток замыкания пульсировал.
Предполагаемый ток короткого замыкания для более крупных аккумуляторов, таких как аккумуляторы глубокого цикла, используемые в автономных энергосистемах , часто указывается производителем.
В Австралии, если такая информация не указана, предполагаемый ток короткого замыкания в амперах «следует считать равным 6-кратной номинальной емкости аккумулятора при скорости C 120 А·ч» в соответствии с частью 2 стандарта AS 4086 (Приложение H).
Общий