В электроэнергетической системе неисправностью или током повреждения является любой аномальный электрический ток . Например, короткое замыкание — это неисправность, при которой провод под напряжением касается нейтрального или заземляющего провода. Обрыв цепи возникает, если цепь прерывается из-за повреждения токоведущего провода (фазы или нейтрали) или перегорания предохранителя или автоматического выключателя . В трехфазных системах неисправность может затрагивать одну или несколько фаз и землю или может возникать только между фазами. При «замыкании на землю» или «замыкании на землю» ток течет в землю. Предполагаемый ток короткого замыкания прогнозируемой неисправности можно рассчитать для большинства ситуаций. В энергосистемах защитные устройства могут обнаруживать неисправности и управлять автоматическими выключателями и другими устройствами, чтобы ограничить потерю обслуживания из-за сбоя.
В многофазной системе неисправность может одинаково влиять на все фазы, что является «симметричной неисправностью». Если затронуты только некоторые фазы, возникшую «асимметричную неисправность» становится сложнее анализировать. Анализ этих типов неисправностей часто упрощается за счет использования таких методов, как симметричные компоненты .
Разработка систем обнаружения и устранения неисправностей энергосистемы является основной целью защиты энергосистемы .
Временная неисправность – это неисправность, которая больше не присутствует, если питание отключается на короткое время, а затем восстанавливается; или повреждение изоляции, которое лишь временно влияет на диэлектрические свойства устройства, которые восстанавливаются через короткое время. Многие неисправности в воздушных линиях электропередачи носят кратковременный характер. При возникновении неисправности оборудование, используемое для защиты энергосистемы, срабатывает, чтобы изолировать зону неисправности. После этого временная неисправность будет устранена, и линию электропередачи можно будет вернуть в эксплуатацию. Типичные примеры временных неисправностей включают в себя:
В системах передачи и распределения используется функция автоматического повторного включения, которая обычно используется на воздушных линиях связи, чтобы попытаться восстановить электропитание в случае кратковременного сбоя. Эта функция не так распространена в подземных системах, поскольку неисправности обычно носят постоянный характер. Переходные неисправности могут по-прежнему вызывать повреждения как в месте первоначального повреждения, так и в других частях сети, поскольку генерируется ток повреждения.
Постоянная неисправность присутствует независимо от подаваемого питания. Повреждения в подземных силовых кабелях чаще всего носят стойкий характер из-за механических повреждений кабеля, но иногда носят преходящий характер из-за воздействия молнии. [1]
Асимметричное или несбалансированное замыкание не влияет одинаково на каждую из фаз . Распространенные типы асимметричных неисправностей и их причины:
Симметричное или сбалансированное замыкание одинаково влияет на каждую из фаз. Примерно 5% неисправностей линий электропередачи являются симметричными. [3] Эти разломы редки по сравнению с асимметричными разломами. Двумя видами симметричных повреждений являются линия-линия-линия (LLL) и линия-линия-линия-земля (LLLG). Симметричные неисправности составляют от 2 до 5% всех неисправностей системы. Однако они могут привести к очень серьезному повреждению оборудования, даже если система остается сбалансированной.
Одним из крайних случаев является ситуация, когда сопротивление повреждения равно нулю, что дает максимальный ожидаемый ток короткого замыкания . Теоретически все проводники считаются соединенными с землей, как будто металлическим проводником; это называется «болтовой дефект». В хорошо спроектированной энергосистеме было бы необычно иметь металлическое короткое замыкание на землю, но такие неисправности могут возникнуть случайно. В одном из типов защиты линий электропередачи намеренно вводится «болтовое замыкание» для ускорения работы защитных устройств.
Замыканием на землю (замыканием на землю) является любое повреждение, допускающее непреднамеренное соединение проводников силовой цепи с землей. [ нужна цитация ] Такие неисправности могут вызвать нежелательные циркулирующие токи или могут подать на корпуса оборудования опасное напряжение. Некоторые специальные системы распределения электроэнергии могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать одиночное замыкание на землю и продолжать работу. В таких случаях правила проводки могут требовать, чтобы устройство контроля изоляции подавало сигнал тревоги, чтобы можно было определить и устранить причину замыкания на землю. Если в такой системе возникнет второе замыкание на землю, это может привести к перегрузке по току или выходу из строя компонентов. Даже в системах, которые обычно подключаются к земле для ограничения перенапряжений , в некоторых приложениях требуется прерыватель замыкания на землю или подобное устройство для обнаружения замыканий на землю.
Реально сопротивление при повреждении может быть от близкого к нулю до довольно высокого по сравнению с сопротивлением нагрузки. При повреждении может потребляться большое количество энергии по сравнению со случаем с нулевым импедансом, когда мощность равна нулю. Кроме того, дуги очень 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 высокий импеданс (по сравнению с нормальными рабочими уровнями системы), и ее может быть трудно обнаружить с помощью простой защиты от перегрузки по току. Например, дуга в несколько сотен ампер в цепи, обычно пропускающей тысячу ампер, может не отключить автоматические выключатели сверхтока, но может нанести огромный ущерб шинам или кабелям, прежде чем произойдет полное короткое замыкание. Коммунальные, промышленные и коммерческие энергосистемы имеют дополнительные устройства защиты для обнаружения относительно небольших, но нежелательных токов, уходящих на землю. В жилой электропроводке электротехнические правила теперь могут требовать наличия прерывателей дугового замыкания в цепях проводки здания, чтобы обнаруживать небольшие дуги до того, как они вызовут повреждение или пожар. Например, эти меры принимаются в местах с проточной водой.
Симметричные повреждения можно анализировать теми же методами, что и любые другие явления в энергосистемах, и на самом деле существует множество программных инструментов, позволяющих автоматически выполнять этот тип анализа (см. Исследование потока мощности ). Однако есть другой метод, который не менее точен и обычно более поучителен.
Прежде всего, сделаны 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 подают, а не потребляют энергию. Затем для этого базового случая рассчитываются напряжения и токи .
Далее считается, что на место повреждения подается источник отрицательного напряжения, равный напряжению в этом месте в базовом случае, в то время как все остальные источники устанавливаются на ноль. Этот метод использует принцип суперпозиции .
Для получения более точного результата эти расчеты следует проводить отдельно для трех отдельных временных диапазонов:
Асимметричное замыкание нарушает основные предположения, используемые в трехфазном питании, 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 принято рассматривать результирующие напряжения и токи как суперпозицию симметричных составляющих , 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 знать единичные импедансы нулевой, положительной и обратной последовательности задействованных линий передачи, генераторов и трансформаторов. Затем с использованием этих импедансов строятся три отдельные цепи. Затем отдельные цепи соединяются вместе в определенном порядке, который зависит от типа изучаемого повреждения (это можно найти в большинстве учебников по энергосистемам). После правильного подключения цепей последовательности сеть можно анализировать с использованием классических методов анализа цепей. Результатом решения являются напряжения и токи, которые существуют как симметричные компоненты; они должны быть преобразованы обратно в значения фазы 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 повреждения должен быть достаточно высоким, чтобы сработать защитное устройство в течение как можно более короткого времени; Кроме того, защитное устройство должно быть способно выдерживать ток повреждения и гасить возникающие дуги, не разрушаясь и не поддерживая дугу в течение значительного периода времени.
Величина токов повреждения сильно различается в зависимости от типа используемой системы заземления, типа источника питания установки и системы заземления, а также ее близости к источнику питания. Например, для внутреннего источника питания TN-S 230 В, 60 А в Великобритании или 120/240 В в США токи повреждения могут составлять несколько тысяч ампер. Крупные низковольтные сети с несколькими источниками могут иметь уровень неисправности до 300 000 ампер. Система с заземлением с высоким сопротивлением может ограничить ток замыкания на землю до 5 ампер. Перед выбором защитных устройств необходимо надежно измерить предполагаемый ток повреждения в начале установки и в самой дальней точке каждой цепи, и эту информацию правильно применить к применению цепей.
Воздушные линии электропередач легче всего диагностировать, поскольку проблема обычно очевидна, например, дерево упало на линию или сломался опорный столб, а проводники лежат на земле.
Обнаружение неисправностей в кабельной системе может осуществляться либо при обесточенной цепи, либо, в некоторых случаях, при находящейся под напряжением цепи. Методы определения места повреждения можно в общих чертах разделить на методы с терминалами, в которых используются напряжения и токи, измеряемые на концах кабеля, и методы трассировки, которые требуют проверки по всей длине кабеля. Методы терминалов можно использовать для определения общей зоны повреждения, чтобы ускорить поиск на длинном или подземном кабеле. [5]
В очень простых системах электропроводки место неисправности часто обнаруживается путем осмотра проводов. В сложных системах электропроводки (например, проводке самолета), где провода могут быть скрыты, неисправности проводки обнаруживаются с помощью рефлектометра во временной области . [6] Рефлектометр во 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 повреждения использовались чувствительные гальванометры ; путем тестирования на обоих концах неисправного кабеля место повреждения можно было изолировать с точностью до нескольких миль, что позволило захватить и отремонтировать кабель. Петля Мюррея и петля Варли представляли собой два типа соединений для обнаружения повреждений в кабелях.
Иногда повреждение изоляции силового кабеля не проявляется при более низких напряжениях. Испытательный комплект «Тампер» подает на кабель высокоэнергетический импульс высокого напряжения. Обнаружение неисправности осуществляется путем прослушивания звука разряда в месте повреждения. Хотя это испытание способствует повреждению участка кабеля, оно практично, поскольку в любом случае место повреждения необходимо будет повторно изолировать, если оно будет обнаружено. [7]
В распределительной системе с заземлением с высоким сопротивлением в фидере может возникнуть замыкание на землю, но система продолжает работать. Выявить неисправный, но находящийся под напряжением фидер можно с помощью трансформатора тока кольцевого типа , собирающего все фазные провода цепи; только цепь, содержащая замыкание на землю, будет показывать чистый несбалансированный ток. Чтобы облегчить обнаружение тока замыкания на землю, заземляющий резистор системы можно переключать между двумя значениями, чтобы ток замыкания на землю пульсировал.
Предполагаемый ток повреждения более крупных батарей, таких как батареи глубокого разряда, используемые в автономных энергосистемах , часто указывается производителем.
В Австралии, если эта информация не предоставлена, предполагаемый ток короткого замыкания в амперах «следует считать в 6 раз превышающим номинальную емкость батареи при мощности C 120 А·ч» согласно AS 4086, часть 2 (Приложение H).
Общий