Ток короткого замыкания: Короткое замыкание — урок. Физика, 8 класс. — БилдоМан

Содержание

Короткое замыкание — урок. Физика, 8 класс.

Каждый раз, когда вы вставляете вилку электроприбора в розетку, вы замыкаете электрическую цепь, и по ней начинает течь электрический ток.

Потребитель электрического тока преобразует электрическую энергию, которая к нему поступает, в другие виды энергии — механическую (например, в электродвигателях), тепловую (в утюгах, нагревательных приборах), световую (в осветительных приборах).

При создании электроприборов обязательно рассчитываются и указываются в маркировках и технических паспортах оптимальное и максимальное значение силы тока и напряжения. При превышении максимальных значений перегрев элементов прибора может нарушить их электрическую изоляцию, повлиять на работоспособность прибора.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, которая состоит из источника тока (1), выключателя (2) и потребителя электроэнергии (3), соединённых между собой проводами (рис. 1).

Рис. \(1\). Электрическая цепь

Сила тока в этой цепи определяется по закону Ома:

I=UR, где

\(U\) — напряжение в сети;

\(R\) — сопротивление потребителя электроэнергии (электроприбора).

Сила тока прямо пропорциональна напряжению в сети и обратно пропорциональна сопротивлению, которое создаёт электроприбор.

Что произойдёт, если цепь замкнуть проводником так, как показано на рисунке 2, то есть между точками \(A\) и \(B\) напрямую?

Рис. \(2\). Электрическая цепь, возможность замыкания

В этом случае основная часть электрического тока потечёт по проводнику \(AB\), минуя потребитель тока, так как сопротивление участка \(AB\) намного меньше, чем сопротивление электроприбора.

При этом общее сопротивление цепи сильно уменьшится, а в результате, согласно закону Ома для участка цепи, сила тока в ней резко возрастёт. Возникнет короткое замыкание.

Короткое замыкание (КЗ) — явление резкого увеличения значения электрического тока в цепи вследствие уменьшения внешнего сопротивления до нуля.

Ток короткого замыкания прямо пропорционален ЭДС цепи и обратно пропорционален внутреннему сопротивлению ЭДС: \(I_{кз}=\frac{\varepsilon}{r}\).

Как известно из закона Джоуля-Ленца, количество теплоты \(Q\), выделяемое на участке цепи \(R\), пропорционально квадрату силы тока \(I\) на этом участке:

Q=I2Rt, где

\(t\) — время протекания тока по цепи.

Согласно этому закону, если при коротком замыкании ток увеличится в \(10\) раз, то количество теплоты, выделяющейся при этом, возрастёт примерно в \(100\) раз (при прочих равных условиях)!

Вот почему короткое замыкание может вызвать расплавление проводов, воспламенение изоляции и в конечном итоге привести к возгоранию горючих предметов вокруг места короткого замыкания и к пожару.

Чаще всего причиной короткого замыкания является нарушение изоляции проводов (из-за их износа, неправильной эксплуатации и т.п.). Также причиной короткого замыкания могут быть механические повреждения в электрической цепи или в электроприборе, а также перегрузки сети.

Источники:

Рис. 1. Электрическая цепь. © ЯКласс.
Рис. 2. Электрическая цепь, возможность замыкания. © ЯКласс.

Расчет тока короткого замыкания — CMP Products Limited

Ниже представлено описание принципа расчета в компании CMP Products пиковых значений тока короткого замыкания (кА) для конкретного назначения и условий монтажа.

Компания CMP Products провела более 300 испытаний на короткое замыкание. Тем не менее, провести испытание для каждого значения тока отказа, кабельной скобы, размера и типа кабеля, а также конфигурации расположения крепежных отверстий не представляется возможным.

Компания CMP Products непрерывно разрабатывает программное обеспечение с целью воспроизведения данных испытаний и обладает возможностями провести испытания кабельных скоб, кабелей, кабельных лотков и кабельных лестниц, использование которых планируется в проекте при нестандартных условиях эксплуатации.

Компания CMP также обладает опытом, позволяющим точно рассчитать пиковые значения тока короткого замыкания (кА) на основе данных дорогостоящих испытаний, проверенных в универсальной программе для испытаний.

Испытания

Начиная с испытания на короткое замыкание при расстоянии между центрами крепежных отверстий скоб в 300 мм, устанавливается максимальное безопасное пиковое значение тока короткого замыкания в кА.

В примере ниже описано успешное прохождение испытаний кабельной скобы согласно требованиям стандарта IEC 61914:2009 при токе 190 кА, диаметре кабеля 36 мм и расстоянии между центрами крепежных отверстий 300 мм.

Расчет максимального показателя силы, воздействующей на испытываемую кабельную скобу

Для расчета силы, воздействие которой может выдержать кабельная скоба в процессе испытания, используются результаты испытаний, проведенных по стандарту IEC 61914:2009, из таблицы:

Ft — максимальная сила, действующая на кабель (Н/м)
ip — максимальное значение тока короткого замыкания (кА)
S — расстояние между осевыми линиями двух соседних проводников, например, в трехлистной компоновке оно соответствует наружному диаметру кабеля (м)

В данном примере величина Ft равна 170 472,22 Н/м

Ft — это величина силы в Ньютонах на метр, требуемая для расчета максимального значения силы, воздействие которой сможет выдерживать кабельная скоба, и которое должно быть умножено на расстояние между центрами крепежных отверстий кабельных скоб:

Максимальное значение силы, действующей на кабельную скобу = Ft (Н/м) x расстояние между центрами крепежных отверстий (м)

В данном примере максимальная сила, действующая на кабельную скобу (с учетом расстояния между центрами крепежных отверстий, равного 0,3 м), = 51 141,67 Н

Расчет показателя Ft для новых условий

После расчет максимальной силы, действующей на кабельную скобу, формула будет преобразована с целью расчета максимального КЗ при иных значениях расстояния между центрами крепежных отверстий, диаметров кабелей и пр.

Сперва необходимо рассчитать значение ip, если расстояние между центрами крепежных отверстий увеличилось до 600 мм, затем рассчитать значение Ft:

Ft — максимальная сила, действующая на кабель (Н/м)
ip — максимальное значение тока короткого замыкания (кА)
S — расстояние между осевыми линиями двух соседних проводников, т. е. наружный диаметр кабеля (м)

В данном примере значение Ft = 85 236,11 (Н/м)

После расчета значения Ft для данных условий эксплуатации следует рассчитать значение ip.

Расчет показателя i для новых условий

Ft — максимальная сила, действующая на кабель (Н/м)
ip— максимальное значение тока короткого замыкания (кА)
S — расстояние между осевыми линиями двух соседних проводников, т. е. наружный диаметр кабеля (м)

Значение ip в данном примере = 134,35 кА

Опыт показывает, что эти значения всегда ниже тех, которых удается достичь в условиях физического испытания. Это подтверждает учет показателя безопасности в расчетах стандарта IEC 61914:2009. И это хорошо, поскольку означает, что рассчитанные значения всегда указаны с запасом.

Это также значит, что значение Ft (максимальная сила, действующая на каждую кабельную скобу), полученное по результатам испытаний, следует использовать только с учетом расстояний между центрами крепежных отверстий, которые в действительности меньше тех, что были использованы в процессе испытания, в качестве величины для расчета значений ip. Не рекомендуется проводить расчет в обратном порядке, поскольку это будет противоречить показателю безопасности, использованному в стандартной ситуации, что приведет к получению нереалистичных значений ip.

Пример:

Кабель и кабельная скоба успешно прошли испытания по стандарту 61914:2009 при значении 150 кА и расстоянии между центрами крепежных отверстий 600 мм (рассчитанное значение ip составило 134,35 кА, что, по сути, превышает максимально возможное на ~12 %)

С учетом полученного нового значения ip рассчитываем значение Ft:

В данном примере величина Ft = 106 250 Н/м

В данном примере максимальная сила, действующая на кабельную скобу (с учетом расстояния между центрами крепежных отверстий, равного 0,6 м) = 63 750 Н

Если данное максимальное значение силы, действующей на каждую кабельную скобу, использовалось в качестве основы для расчета значения ip с учетом расстояния между центрами крепежных отверстий, равного 0,3 м, тогда значение Ft должно равняться 212 500 Н/м

В этом случае значение ip будет составлять 212,13 кА — ЭТО ЧРЕЗМЕРНО ВЫСОКОЕ ЗНАЧЕНИЕ! При условии, что расстояние между центрами крепежных отверстий составляло 300 мм, было достигнуто значение всего 190 кА в условиях физического испытания. Это указывало на то, что кабельная скоба уже выдерживает близкую к предельной нагрузку.

Уточняющий расчет:

При расчете величины ip используйте только величину Ft (максимальная сила, действующая на каждую кабельную скобу), полученную по результатам испытаний при коротких расстояниях между центрами крепежных отверстий, а не при тех расстояниях, которые будут использоваться в реальных условиях.

Проводить расчеты в обратном порядке опасно, поскольку это будет противоречить учтенному в стандартных расчетах показателю безопасности, что приведет к получению нереалистичных значений ip.

С целью максимально точного расчета и наибольшей безопасности конструкции CMP рекомендует использовать данные, полученные в результате испытаний CMP кабельных скоб, закрепленных на максимально близком (и наименьшем) расстоянии до целевых центров крепежных отверстий для расчета значения ip, например:

Если скобы необходимо крепить на расстоянии 500 мм, в качестве основного для расчета значения ip используйте показатель силы, рассчитанный для расстояния между центрами крепежных отверстий в 300 мм, полученный в результате испытания CMP.

Если скобы необходимо крепить на расстоянии 900 мм, в качестве основного для расчета значения ip используйте показатель силы, рассчитанный для расстояния между центрами крепежных отверстий в 600 мм, полученный в результате испытания CMP.

Ток короткого замыкания элемента, определение

Значения токов короткого замыкания зависят от сопротивления цепи, по которой они проходят от источника электроснабжения до места повреждения — чем больше суммарное сопротивление, тем меньше значение тока короткого замыкания.

Поэтому расчет токов короткого замыкания в основном сводится к определению сопротивления всех элементов сети, входящих в электрическую цепь, от источника электроснабжения до места короткого замыкания, а по ним и значения токов короткого замыкания. При этом сопротивления отдельных участков сети с разным напряжением приводят к одному напряжению места короткого замыкания. Ниже приводится порядок расчета. [c.163]
Надежность работы электродвигателя в целом зависит от надежности работы его отдельных узлов в тепловом режиме зависит от нагрева отдельных частей как во время работы, так и в момент пуска, и если температура той или иной части будет превосходить допустимую, то вследствие значительного ослабления изоляции на данном участке наступит ее местное разрушение и пробой, который приведет к полному разрушению изоляционного слоя. В цепи обмотки произойдет короткое замыкание между витками обмотки или на корпус статора, и электродвигатель выйдет из строя.

Поэтому тепловому режиму электродвигателя должно быть уделено должное внимание. Тепловые нагрузки на отдельные части экранированного электродвигателя очень велики, так как коэффициент полезного действия у них н же по сравнению с двигателями нормального исполнения и, следовательно, большая часть мощности бесполезно теряется в виде тепловых потерь. Определение температурных нагрузок в отдельных элементах электродвигателя является более сложной задачей, чем это может показаться вначале. [c.126]

Сила токов короткого замыкания вычисляется обычно по> методу сопротивлений. Сущность метода заключается в определении величины сопротивления отдельных элементов системы, затем общего (суммарного) сопротивления всей сети от источника электроснабжения до места повреждения, а по величине общего сопротивления — силы тока короткого замыкания. При этом сопротивления отдельных участков сети с разным напряжением относят к напряжению места короткого замыкания. [c.243]

Последовательность операций при ремонте выпрямителей приведена на рис. 91. Каждый узел после ремонта испытывают. В объем испытаний входят проверка электрической прочности изоляции трансформатора приложенным и индуктированным напряжением определение напряжения на всех ответвлениях вторичных обмоток трансформатора на холостом ходу и под нагрузкой измерение потерь холостого хода трансформатора измерение потерь и напряжения короткого замыкания трансформатора проверка изоляции стяжных шпилек трансформатора испытание электрической прочности монтажа электропроводки, измерительных приборов, переключателей и т. п. испытание на нагрев трансформатора и выпрямительных элементов определение прямого падения напряжения в выпрямительных элементах. [c.232]

Для защиты электроустановок от короткого замыкания применяют плавкие предохранители. Основным элементом предохранителя является цинковая или медная плавкая вставка. Принцип действия предохранителей с плавкой вставкой основан на тепловом действии электрического тока, протекающего по проводнику. Плавкая вставка имеет малое сечение. Поэтому при резком увеличении силы тока в цепи она нагревается значительнее по сравнению с другими участками цепи. При определенном значении силы тока вставка расплавляется. Для защиты электрооборудования используют различные типы разборных и неразборных предохранителей, в том числе пробочных и трубчатых конструкций. [c.188]

Примечание. До сих пор предполагалось, что моделируются постепенные отказы, когда эксплуатационный персонал, реагируя на определенные внешние проявления, имеет возможность подготовить вывод элемента из работы (разгрузить агрегат, изменить режим работы системы и т. д.). В этих случаях, как правило, возможность нарушения устойчивости системы исключается. При внезапных же отказах (например, коротких замыканиях на линиях электропередачи) возможны нарушения устойчивости, а при неблагоприятных условиях — и дальнейшее (каскадное) развитие аварии. [c. 536]

Рассмотрим элемент, состоящий из цинкового и медного электродов, погруженных в растворы ZnSOi и USO4, соответственно (элемент Даниэля). Пусть внешняя цепь включает переменное сопротивление R, вольтметр V и амперметр А (рис. 4.1). Разность потенциалов (э. д. с.) между цинковым и медным электродами в отсутствие тока близка к 1 В. Если теперь, подобрав соответствующее сопротивление R, обеспечить протекание во внешней цепи небольшого тока, то измеряемая разность потенциалов станет меньше 1 В вследствие поляризации обоих электродов. По мере роста тока напряжение падает. Наконец, при коротком замыкании разность потенциалов между медным и цинковым электродами приближается к нулю. Влияние силы тока в цепи на напряжение элемента Даниэля можно графически изобразить с помощью поляризационной диаграммы, представляющей собой зависимость потенциалов Е медного и цинкового электродов от полного тока I (рис. 4.2). Способ определения этих потенциалов будет пояснен в разделе 4.3. Символами Ezn и Еси обозначены так называемые потенциалы разомкнутого элемента, отвечающие отсутствию тока в цепи. Поляризации цинкового электрода отвечает кривая ab , медного — кривая def. При силе тока, равной / , поляризация цинка в вольтах определяется как разность между [c.47]

В последнее время широкое распространение получил новый метод полярографического анализа, основанный на предварительном электролитическом концентрировании металлов на стационарных электродах и последуюш,ем анодном растворении их при постепенно снижаюш,емся отрицательном потенциале [1—4]. Брос-ковый ток на стационарном электроде, полученный в определенных условиях, правильно отражает явление концентрационной поляризации и может быть использован для построения полярографических 1—Е кривых [5—6]. Необходимым условием воспроизводимости бросковых токов является полная гальваническая деполяризация электрода после каждого измерения, осуш,ест-вляемая коротким замыканием электродов. При коротком замыкании электродов после предварительного электролиза наблюдается обратный бросок тока, являюш,ийся следствием разрядки гальванического элемента. До последнего времени обратный брос-ковый ток не привлекал достаточного внимания исследователей, и поэтому в настояш ей работе нами была предпринята попытка изучить это явление и выяснить возможности применения его в полярографии. [c.179]

Моделирование короткозамкнутой цементационной пары применяется довольно широко [18, 23, 73, 115, 116] и осуществляется путем погружения в исследуемый электролит пары металлов, замкнутых на токоизмерительный прибор. Ток между электродами быстро падает, а потенциалы сближаются до некоторой постоянной разности, обусловленной сопротивлением системы. Для определения зависимости потенциал—ток для каждого электрода во вяешнюю цепь пары вводят и затем постепенно уменьшают до нуля дополнительное сопротивление [23, 102, 115]. Экстраполяция катодных и анодных кривых до их пересечения позволяет найти максимальный ток системы и потенциал, отвечающий короткому замыканию гальванического элемента. При наличии диффузионных ограничений частных реакций потенциалы металлов резко изменяются с увеличением тока и экстраполяция поляризационных кривых может внести значительные погрешности в определение потенциала и тока короткого замыкания. В этом 1случае величины s и / иороткозамюнутой цементационной пары можно измерить, компенсируя с помощью внешнего источника тока омическое сопротивление системы и поляризуя оба металла до одного и того же потенциала [5,12]. [c.158]

Аккумуляторная батарея, имеющая хотя бы один короткозамкнутый аккумулятор, к дальнейшей эксплуатации непригодна. Причины коротких замыканий определяют после разборки батареи осмотром неисправного аккумулятора. Перед осмотром аккумуляторную батарею разряжают током /р = 0,1 СгоА до конечного напряжения 1,75 В на элемент. После определения причин коротких замыканий их устраняют, поврежденные сепараторы заменяют, удаляют наросты с кромок элёкт- [c.129]

Выпрямительная установка состоит из следующих основных частей трансформатораи выпрямительных элементов 8, собранных по определенной схеме. Для защиты от коротких замыканий и перегрузки со стороны переменного и выпрямленного токов устанавливают предохранители 3, 4, 10. Режим работы установки контролируется амперметром 7 и вольтметром 9. Электроэнергия учитывается электросчетчиком 15. Выпрямительная установка подключается к сети переменного тока через клеммы 1, 2, цепь катодной защиты — к клеммам 11, 12. [c.55]

Автоматические выключатели и тепловые реле. Плавкие предохранители плохо защищают асинхронные короткозамкнутые электродвигатели от перегрузок. Нередко бывает, что перегорает лишь один предохранитель и двигатель, оставшийся работать на двух фазах, перегревается и выходит из строя. Кроме того, плавкие предохранители не всегда обеспечивают избирательность (селективность) защиты сети. Это и привело к широкому использованию на предприятиях химических волокон автоматических выключателей с тепловыми и электромагнитными элементами. Обладая большой инерцией, тепловые элементы не реагируют на пусковые токи электродвигателей и хорошо защищают их от перегрузки. В то же время тепловые реле имеют характеристику, подобную характеристике предохранителей, и при коротких замыканиях не успевают быстро отключить электрическую цепь, что приводит к развитию аварии и повреждениям при замыкании в электродвигателях.

Поэтому в дополнение к магнитным пускателям, контакторам и автоматам устанавливают предохранители, защищающие двигатели от короткого замыкания. Применяются также комбинированные автоматы с тепловыми и электромагнитными расцепителями. Электромагнитные расцепители отключают автоматиче-,ские выключатели мгновенно при прохождении через их катушки токов больше определенной величины. Таким образом, они защищают электрооборудование от коротких замыканий, заменяя предохранители. [c.198]

Одним из электрических параметров ДСП является эквивалент ное реактивное (индуктивное) сопротивление X электрической цепи одной фазы, определяемое из опыта короткого замыкания на действующей ДСП или расчетным путем для проектируемой ДСП. В последнем случае рассчитывают индуктивное сопротивление всех элементов силовой цепи, приводя значение X- к силе тока стороны НН. Индуктивное сопротивление элементов токопровода стороны ВН ввиду его относительно малого значения после пересчета на сторону НН при определении эквивалентного сопротивления X обычно пренебрегают. Индуктивное сопротивление проводников определяют как алгебраическую (для однофазной сети) или геометрическую (для трехфазной сети) сумму индуктивного сопротивления, вызванного магнитным потоком собственного тока, т.е. самоиндукцией, и сопротивлений, создаваемых взаимной индукцией магнитных потоков соседних проводников [c.100]

Расчет токов короткого замыкания и выбор автоматических выключателей и

Элементы электроснабжения и электрического освещения

Расчет токов короткого замыкания необходим для правильного выбора и отстройки защитной аппаратуры. Ток короткого замыкания возникает при соединении токоведущих частей фаз между собой или с заземленным корпусом электроприемника в схемах с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом. Его величина, А, может быть определена по формуле

где Uф — фазное напряжение сети, В;

Zп — сопротивление петли фаза-нуль, Ом,

R — активное сопротивление одного провода цепи короткого замыкания, Ом;

X — индуктивное сопротивление, рассчитываемое по удельному индуктивному сопротивлению равному 0,6 Ом/км;

Zт — полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низшего напряжения, Ом,

где UH, IH — номинальные напряжение и ток трансформатора;

UK% — напряжение короткого замыкания трансформатора, % от номинального.

Величины UH, lН и Uк% для соответствующего трансформатора приводятся в главе 5.

Выбор электрического аппарата осуществляется по его функциональному назначению, по роду напряжения и тока, ->о величине мощности.

Следует иметь в виду современную тенденцию, заключающуюся в том, что при выборе между предохранителями и автоматическими выключателями, предпочтение отдается последним в силу их большей надежности, лучшей защиты от неполнофазных режимов, универсальности и т. д.

Выбор аппаратов по напряжению заключается в соответствии номинального напряжения, указанного в паспорте аппарата, и его рода (переменное, постоянное) номинальному напряжению питающей сети. При выборе аппарата по току следует учесть, что его номинальный ток должен быть не меньше рабочего тока установки.

Выбор автоматических выключателей

Автоматические выключатели выбираются прежде всего по номинальным значениям напряжения и тока. Затем определяются токи уставки теплового и электромагнитного расцепителей.

Тепловой росцепитель автомата защищает электроустановку от длительной перегрузки по току. Ток уставки теплового расцепителя принимается равным на 15—20% больше рабочего тока:

где 1Р — рабочий ток электроустановки, А.

Электромагнитный расцепитель автомата защищает электроустановку от коротких замыканий. Ток уставки электромагнитного расцепителя определяется из следующих соображений: автомат не должен срабатывать от пусковых токов двигателя электроустановки Iпуск.дв., а ток срабатывания электромагнитного расцепителя IЭМР выбирается кратным току срабатывания теплового расцепителя:

где К = 4,5—10 — коэффициент кратности тока срабатывания электромагнитного расцелителя.

Выбранный автоматический выключатель проверяется по чувствительности и по отключающей способности. Автоматы с номинальным током до 100 А должны срабатывать при условии

где IО.К.З. — ток однофазного короткого замыкания.

Чувствительность автомата, имеющего только тепловой расцепитель, определяется соотношением:

Автоматы с номинальным током более 100 А должны срабатывать при

Отключающая способность автомата с электромагнитным расцепителем определяется величиной тока трехфазного короткого замыкания IТ.К.З.

Выбор предохранителей

Ток плавкой вставки предохранителя выбирается в соответствии с выражением

Ток плавкой вставки предохранителей, используемых для защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,

где Iпуск — пусковой ток двигателя, А;

β — коэффициент, зависящий от условий пуска, при средних условиях пуска (β = 2,5.

определение, формула, суть проблемы и последствия

Лет 20 назад на экранах шел фильм «Короткое замыкание». По сюжету из-за грозового разряда в электронике одного робота что-то перемкнуло, после чего он «поумнел», стал думать и чувствовать как человек. В этом фильме ключевую роль в трансформации робота сыграло явление короткого замыкания. Эта история закончилась хорошо. Но такой исход событий — исключение из правил. Чаще всего короткое замыкание в электрической цепи приводит ее в негодность.

Источник: film.ru

Классическая картина короткого замыкания, или на сленге электриков — «кз», — 2 оголенных пересеченных провода, яркая вспышка и громкий хлопок. «Спецэффекты» в реальной жизни сразу наведут на мысль, что что-то идет не так.

Где возникает короткое замыкание?

Возьмем самую простую электрическую цепь. В ней должна быть какая-то нагрузка: это может быть электролампочка, электроплитка, электродвигатель и т. п. Также в цепи есть источник тока, и все эти составляющие соединяются проводами.

Когда электрическая цепь работает в штатном режиме, то ток идет по проводам от источника к нагрузке. Там он выполняет ожидаемую от него работу: преобразуется в световое излучение, если это электролампочка, нагревает спираль, если это электроплитка, и т.д.

Рассмотрим теперь процесс «кз». Это уже будет аварийный режим. Например, по какой-то причине 2 оголенных провода соприкоснулись. В этом случае мы и будем наблюдать яркую вспышку и хлопок.

А что потом? Потом мы увидим, что наши провода оплавились или даже разорвались. Получается, что и здесь электрический ток сделал свою работу, которая, правда, не была запланирована:

Если есть оплавленные провода, значит, было тепловое действие тока.
Если провода разорваны, то присутствовало механическое действие тока.

Если вглядеться, то мы найдем и химическое действие тока — капли застывшего расплавленного металла на поверхности другого провода. Это хорошо заметно в случаях, когда схлестнулись разные по составу кабели, например, из меди и алюминия. Тогда капельки застывшей меди на алюминиевом проводе будут хорошо заметны.

Также действие электрического тока будет ощутимо, если использовать стальную отвертку при работе в распределительном щитке и «закоротить» 2 оголенных медных провода. На стальной отвертке тоже будут хорошо заметны капли меди.

Но сам факт того, что «последствия» прохождения электрического тока так хорошо видны, может означать только то, что сила этого тока была достаточно большой. Это так и есть. Токи короткого замыкания, проходящие через место соприкосновения 2 оголенных проводов в десятки и даже сотни раз больше номинальных токов, протекающих в цепи в штатном режиме.

Откуда берутся такие большие токи короткого замыкания?

Давайте вспомним закон Ома для участка цепи. Его формула выглядит так:

Взглянув на это выражение, мы можем сделать вывод, что чем меньше сопротивление на данном участке цепи, тем больше ток, протекающий в этом участке, так как R стоит в знаменателе, а U не меняется.

Так вот, при «кз» сопротивление очень маленькое — соприкасаются только провода. Оно гораздо меньше, чем сопротивление любой нагрузки (электролампочки, электроплитки пр.). Согласно законам физики, ток, который всегда стремится идти по пути наименьшего сопротивления, не пойдет через нагрузку, где оно высокое, если есть путь, где его практически нет. Т.е. ток пойдет через место «кз».

Но почему ток короткого замыкания такой большой?

Чтобы объяснить это, вспомним формулировку и запись закона Ома для полной цепи, в которую включен источник тока:

Теперь представим, что можем убрать из этой формулы сопротивление нагрузки «R». Что остается? Только внутреннее сопротивление «r» источника тока. Оно всегда гораздо меньше R. Именно это обстоятельство и объясняет высокую величину тока короткого замыкания. И оно же позволяет рассчитать величину токов «кз» теоретически, не проводя экспериментов. Чтобы это сделать, достаточно знать значение ЭДС «ℇ» и внутреннего сопротивления «r».

Как избежать разрушительных последствий короткого замыкания?

Установить соответствующую защиту. В простейшем варианте это может быть плавкий предохранитель. Большой ток быстро его расплавит, и цепь разорвется.

Второй способ — установка автоматических выключателей, которые за доли секунды разорвут электрическую цепь, если величина тока начнет резко увеличиваться. Своевременный разрыв позволит избежать разрушительного действия «кз» на элементы цепи.

Итак, подведем итоги:

Короткое замыкание — это нештатный, аварийный режим работы электрической цепи, который приводит к ее выходу из строя. Необходимо предусматривать защиту от токов короткого замыкания и следить за исправностью ее элементов.

Если вам понравилась статья и хотелось бы еще глубже погрузиться в изучение физических аспектов электрического тока, но не все получается, рекомендуем обратиться к специалистам ФениксХелп. Здесь вам всегда помогут с решением любой учебной задачи.

Как не допустить короткого замыкания

Что такое короткое замыкание? Если два провода электрической цепи соединяются между собой непосредственно (накоротко), минуя нагрузку — осветительные лампы, электроприборы, — то возникает очень большой ток (в десятки и сотни ампер), называемый током короткого замыкания.

Наиболее распространенные причины, по которым может произойти короткое замыкание в квартире или доме — это перетирание изоляции в местах, где провода перегибаются. Например, у входа в штепсельную вилку, патрон, настольную лампу, утюг и т.п., а также перекручивание проводов, сгибание проводов под острым углом, повреждение изоляции проводов при побелке, закорачивание металлическими предметами штепсельных гнезд, внутренних частей электрических патронов и т. п.

Во избежание короткого замыкания необходимо тщательно следить за исправностью электропроводки и электроприборов. Ни в коем случае нельзя допускать замены перегоревших пробок пучками проволоки — «жучками», так как ток, проходя через такой суррогат предохранителя, способен значительно превысить допустимый, в результате чего может загореться изоляция проводов и возникнуть пожар. Если предохранитель часто отключается, надо вызвать специалиста, проверить, где возможны неполадки в соединениях проводов, в оборудовании.

Чтобы не допустить возникновения пожара следует выполнить следующие правила и требования пожарной безопасности:

– тщательно проверьте исправность электропроводки, постоянно следите за исправностью, за целостностью розеток, вилок и электрошнуров. Удлинители предназначены для кратковременного подключения бытовой техники; после использования их следует отключать от розетки. Нельзя прокладывать кабель удлинителя под коврами и через дверные пороги.

– не оставляйте без присмотра находящиеся под напряжением телевизоры, радиоприемники, магнитофоны и другие бытовые электронагревательные приборы, уходя из квартир и жилых домов. Особенно это касается использования электрообогревателей. Ведь при наступлении холодов именно они становятся причинами пожаров. И не только в жилых домах, но также в бытовках, гаражах, производственных, административных и других помещениях.

Чтобы избежать возникновения короткого замыкания все ремонты электротехники и электросетей должны проводиться только специалистами в данной области.

Также помните о соблюдении правил пожарной безопасности, от этого зависит Ваша жизнь и жизнь Ваших близких, сохранность имущества.

Управление по Петроградскому району ГУ МЧС России

по г. Санкт-Петербургу, ПСО и ВДПО Петроградского района

составляющие тока, формула, сила тока, график

Ток короткого замыкания — разрушительная энергия, создаваемая между двумя точками электроцепи. Полное определение, график тока кз, зависимость, равенство, токовые источники, измерение токовой мощности и другое далее.

Что это такое

Это электросоединение нескольких точек электроцепи, имеющих разные потенциальные значения, которые не предусмотрены конструкцией устройства и нарушают нормальное его функционирование. Также им называют резко возрастающий ударный электроимпульс. Возникает, если была нарушена изоляция в токоведущих элементах или произошло механическое соприкосновение незаизолированных проводников. Также бывает в том случае, когда значение сопротивления нагрузки меньше того, что имеет источник питания.

Полное определение

От чего зависит

Ток короткого замыкания образуется в тот момент, когда генерируются и разделяются сгенерированные носители при помощи света, в дополнение к теме, как определить ток короткого замыкания источника. Часто он равняется светопотоку, поэтому считается минимальным. Зависит от:

площади и плотности;
число фотонов или мощности падающего показателя излучения;
световой интенсивности;
спектра падающего излучения;
оптического свойства, поглощения и отражения;
вероятности разделения СЭ, поверхностной пассивации и времени.

Обратите внимание! Также он зависит от возникающего в проводнике электрического поля, от времени и пути токового протекания. Находится в зависимости от заряда с его концентрацией, скоростью и площади поперечного проводникового сечения. Равен напряжению, поделенному на проводниковое сопротивление. Измеряется в амперах.

Зависимость электротока

Источники

Источником выступает в быту поврежденная электрическая проводка, незаземленный кабель или нагретый поврежденный провод.

Стоит указать, что электроток происходит в одно-, двух- и трехфазной цепи во время замыкания фазы на землю или нейтрального провода, нескольких фаз, одновременного переключения фаз на землю. Бывает межвитковым и обмоточным на металлокорпус.

Чтобы защититься от него, нужно поставить токоограничивающего вида электрореакторы, распараллелить электроцепи, отключить секционные и шиносоединительные выключатели, использовать трансформаторы, имеющие расщепленную обмотку, использовать коммутационный аппарат, который отключает поврежденное оборудование. Также нужно применить релейную защиту вместе с плавкими предохранителями и автоматическими выключателями.

Источники

Как измерить мощность электротока

Измерение мощности электротока короткого замыкания не отличается от измерения обычной электроэнергии. Все что нужно для ответа на вопрос, как рассчитать ток короткого замыкания трансформатора, это поделить сетевое напряжение на электросопротивление. Также можно воспользоваться более сложной формулой: Iкз = E/r.

Стоит указать, что при снижении показателя сопротивления, токовая сила будет расти. Соответственно, по проводнику будет идти тепло. Эта связь обладает количественной и временной характеристикой. Поэтому чем выше токовое значение, тем больше тепла будет выведено за определенное время. В этот момент можно найти, рассчитать и посчитать токовое значение.

Формула измерения мощности электротока

График тока короткого замыкания

Чтобы понять, как действует переменный ток короткого замыкания в однофазном резисторе, можно сделать специальный график. По нему можно научиться находить, определять, рассчитывать и измерять энергию. В момент нарушения кабельной изоляции, нормальное значение вырастает на графике в десять раз, а в тот период, когда срабатывает автомат, это разрывает аварийную цепь. Резко снижается показатель, а затем постепенно все приходит в норму.

График электротока

Схема

Еще один способ изучения принципа токового действия это построение схемы. На данный момент для этого можно применить специальную программу. Благодаря ей можно не только понять, в какой ситуации случится короткое замыкание, но и попробовать его предотвратить, построив правильную электросхему и используя затем качественные материалы.

Обратите внимание! Стоит указать, что кроме дистанционного способа, есть возможность сделать схему самостоятельно, используя соответствующие учебные пособия. В результате такого действия можно сделать проверку вводного автоматического выключателя, имеющего средний номинальный ток на коммутационную способность в силовой кабельной линии. Благодаря схеме будет несложно определяться в токовых значениях.

Схема электротока

В целом, электроток короткого замыкания — разрушительная энергия, которая зависит от числа фотонов, спектра излучения, оптического свойства и прочего. Измерение его мощности можно произвести через специальную формулу. Имеет свой график и схему, которые представлены выше.

пик сбоя и среднеквадратичное значение | Что такое короткое замыкание?

Наш инструмент Product Finder позволяет вам найти продукт, идеально соответствующий вашим требованиям.

Тип продукта Кабельные зажимы (12) Кабельный ввод (106)

Код установки Горнодобывающая промышленность AS / NZS (Группа I) (15) Зоны AS / NZS (48) Подразделения класса CEC (20) Зоны класса CEC (26) Без классификации CEC (3 ) Зоны ГОСТ (36) Горнодобывающая промышленность МЭК (Группа I) (14) Несекретные зоны МЭК (45) Зоны МЭК (49) Разделы классов NEC (19) Зоны класса NEC (19) Неклассифицированные NEC (3) Зоны Норсока (11) Параллельное образование ( 8) Одинарный кабель (8) Трилистник (7)

Форма защиты 1Ex d IIC Gb X (27) 1Ex e IIC Gb X (36) 2Ex nR IIC Gc X (27) Класс I, Раздел 1 (8) Класс I , Раздел 1, Группы ABCD (8) Класс I, Раздел 2 (18) Класс I, Раздел 2, Группы ABCD (17) Класс I, Группы ABCD (6) Класс I, Группы BCD (2) Класс I, Зона 1 ( 19) Класс I, Зона 1, AEx d IIC Gb (10) Класс I, Зона 1, AEx e IIC Gb (19) Класс I, Зона 2 (19) Класс I, Зона 2, AEx d IIC Gb (10) Класс I, Зона 2, AEx e IIC Gb (12) Класс I, Зона 2, AEx nR IIC Gc (8) Класс I, Зона 20 (10) Класс I, Зона 20, AEx ta IIIC Da (10) Класс I, Зона 21 (10) Класс I, Зона 21, AEx tb IIIC Db (10) Класс I, Зона 22 (10) Класс I, зона 22, AEx tc IIIC Dc (10) Класс II, Раздел 1 (10) Класс II, Раздел 1, Группы EFG (10) Класс II, Раздел 2 (18) Класс II, Раздел 2, Группы EFG (18) Класс III, Раздел 1 (15) Класс III, Раздел 2 (13) Ex d I Mb (20) Ex d IIC Gb (36) Ex db I Mb (1) Ex db IIC Gb (1) Ex e I Mb (20 ) Ex e IIC Gb (46) Ex eb I Mb (1) Ex eb IIC Gb (3) Ex nR IIC Gc (34) Ex nRc IIC Gc (1) Ex ta IIIC Da (43) Ex ta IIIC Da X (35 ) Ex tb IIIC Db (43) Ex tb IIIC Db X (35) Ex tc IIIC Dc (43) Ex tc IIIC Dc X (35) Ex tD A21 IP66 (2) Промышленное использование (45) Обычное использование (6) Одноболтовый ( 10) Два болта (10) Влажные места (6)

Тип кабеля Броня из алюминиевой ленты (ASA) (25) Броня из алюминиевой ленты (напр.грамм. ATA) (24) Броня из алюминиевой проволоки (AWA) (34) Броня и оболочка (24) Судовой кабель с оплеткой (24) Непрерывно сварная гофрированная металлическая броня (MC-HL) — алюминий (4) Непрерывно сварная гофрированная металлическая броня ( MC-HL) — Сталь (4) Гофрированная и сблокированная металлическая броня (MC) — Алюминий (4) Гофрированная и взаимосвязанная металлическая броня (MC) — Сталь (4) Сверхпрочный шнур (2) Плоский небронированный кабель (2) ) Гибкий шнур (5) Свинцовая оболочка и броня из алюминиевого провода (LC / AWA) (9) Свинцовая оболочка и гибкая проволочная броня (LC / PWA) (8) Свинцовая оболочка и однопроволочная броня (LC / SWA) (9) Свинцовая оболочка Броня из стальной ленты (LC / STA) (8) Свинцовая оболочка и броня из ленты (LC / ASA) (8) Броня из свинцовой оболочки и проволочной оплетки (8) Кабель в свинцовой оболочке, небронированный (2) M10 (12) M12 (8) Морской судовой бронированный кабель (24) Морской судовой кабель (11) Морской судовой небронированный кабель (19) Гибкая проволочная броня (PWA) (27) Экранированная и алюминиевая проволочная броня (AWA) (4) Экранированная и однопроволочная броня (SWA) ) (4) Экранированный гибкий (ЭМС) провод Тесьма (эл.грамм. CY / SY) (42) Однопроволочная броня (SWA) (38) Стальная ленточная броня (STA) (24) TECK (4) TECK 90 (4) TECK 90-HL (4) Лоток кабеля (9) Небронированный (27) Броня из проволочной оплетки (42)

Конфигурация уплотнения Двойное внешнее уплотнение (3) Внутреннее и внешнее уплотнение (28) Внутреннее барьерное уплотнение и соединение кабелепровода (2) Внутреннее барьерное уплотнение и внешнее уплотнение (18) Внутреннее барьерное уплотнение и внешнее уплотнение / соединение шланга FRAS (1) Без уплотнения (4) Наружное уплотнение (46) Наружное уплотнение / соединение кабелепровода (3) Наружное уплотнение / соединение шланга FRAS (1) Очень тяжелое (12)

Сертификаты

ABS (67) Алюминий (3) Алюминий / Нержавеющая сталь ( 1) ATEX (61) BS 6121 (45) BV (40) c-CSA-us (19) CCO-PESO (44) CSA (11) DNV-GL (41) Алюминий с эпоксидным покрытием (2) ГОСТ-К (74 ) GOST-R (44) IEC 62444 (45) IECEX (61) INMETRO (30) KCC (27) Lloyds (70) LSF (2) Полимер, одобренный LUL (2) NEPSI (34) Нейлон (2) RETIE (35) Нержавеющая сталь (6) TR-CU-EAC (38) UL (9)

Защита от затопления Осевая нагрузка (12) Боковая нагрузка (12) Нет (68) Силы короткого замыкания (8) Да (41)

границ | Расчет тока короткого замыкания в системе распределения постоянного тока на основе линеаризации MMC

Введение

С постоянным развитием общества методы производства людей становятся все более и более распространенными, и спрос на использование электроэнергии также растет.В настоящее время распределительная сеть переменного тока в некоторых крупных городах сталкивается с проблемой отсутствия коридоров электроснабжения и недостаточной мощности электроснабжения. В то же время традиционная распределительная сеть переменного тока имеет такие проблемы, как трехфазный дисбаланс и недостаточная поддержка реактивной мощности узлов, которые становятся все более заметными в связи с тенденцией значительного увеличения спроса на электроэнергию. Кроме того, рост многих высокотехнологичных отраслей выдвинул более высокие требования к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии.Однако добиться качественного электропитания сложно из-за таких проблем, как гармоники и ударные нагрузки, вызванные преобразовательным оборудованием в сети. Эта серия проблем способствовала технологическим инновациям в распределительной сети (Feng, 2019).

Поскольку страны придают большое значение возобновляемым источникам энергии и развитию технологий силовой электроники, технология распределения энергии постоянного тока постепенно входит в поле зрения людей. В то же время распределительная сеть постоянного тока стала реальным способом решения ряда проблем в традиционной распределительной сети переменного тока с ее преимуществами большой пропускной способности, низкой стоимости линии, низких потерь в сети, высокой надежности источника питания и высокого качества электроэнергии. (Баран и Махаджан, 2003; Саннино и др., 2003; Старке и др., 2008). Более того, распределительная сеть постоянного тока с преобразователями и рядом силового электронного оборудования хорошо управляема и будет важной частью гибких и активных распределительных сетей. В распределительной сети постоянного тока преобразователь является одним из ключевых устройств. Как новое поколение преобразователей, преобразователь источника напряжения обладает такими преимуществами, как способность управлять направлением потока мощности, невосприимчивость к сбоям коммутации и простота подключения к многополюсной сети постоянного тока (Лю и др., 2016; Hao et al., 2019). Следовательно, преобразователь источника напряжения обеспечивает возможность для распределительной сети постоянного тока. В настоящее время, как своего рода преобразователи источника напряжения, MMC не только имеет высокое качество формы выходного сигнала, но также имеет низкую частоту переключения и низкие потери (Xu, 2013). В настоящее время это ключевой объект исследований технологии постоянного тока.

Расчет тока короткого замыкания является важной основой для обнаружения неисправностей и выбора оборудования в системе распределения постоянного тока (Li et al., 2018). В настоящее время многие исследователи изучали расчет постоянного тока короткого замыкания в распределительной сети постоянного тока, образованной MMC. Franquelo et al. (2008) провели качественный анализ различных типов неисправностей в многополюсной сети постоянного тока, состоящей из MMC. Некоторые исследователи применили методы моделирования для анализа короткого замыкания на стороне постоянного тока MMC (Bucher and Franck, 2013; Zhang, Xu, 2016; Han et al., 2018; Tünnerhoff et al., 2018). Хотя такое моделирование является точным, моделирование является сложным и требует много времени, поэтому оно не подходит для системного планирования и проектирования.Чтобы избежать этих недостатков моделирования, мы можем использовать упрощенную модель для аналитических расчетов. Чжоу и др. (2017) провели теоретический анализ распределительной сети постоянного тока, сформированной MMC, когда сторона постоянного тока не была заземлена, и исследовали эквивалентную схему разряда до блокировки MMC после короткого замыкания на выходе MMC и одиночного -полюсное замыкание на землю. На основе схемной модели эквивалентного разрядного контура получено аналитическое выражение тока разряда при коротком замыкании.Сюй (2013) проанализировал эквивалентную схему MMC до того, как MMC заблокируется при коротком замыкании на выходе MMC. В его исследованиях была решена установившаяся ситуация после блока ГМК и выявлено аналитическое выражение всего процесса разлома. Кроме того, Xu (2013) также представил модель схемы, которая применяет теорему суперпозиции для расчета при столкновении со сложной топологией многополюсной сети постоянного тока, и смоделировал расчетную модель. В (Wang et al., 2011) разрядная цепь субмодуля после межэлектродного короткого замыкания на выходе MMC была разделена на две стадии до и после блокировки MMC, и аналитическое выражение была представлена максимальная токовая защита субмодуля.Gao et al. (2020) применили модель преобразователя, состоящую из последовательной цепи RLC и параллельного источника тока, и выполнили эффективный приближенный расчет короткого замыкания между полюсами. Ши и Ма (2020) проанализировали цепь повреждения при коротком замыкании с однополюсным заземлением и рассчитали ток короткого замыкания для двухполюсной системы постоянного тока.

Судя по предыдущему обсуждению, в распределительной сети постоянного тока, в которой широко применяется симметричная однополярная структура, у людей больше исследований по коротким замыканиям между полюсами на выходе MMC, но меньше по однополюсным замыканиям на землю.Кроме того, когда на линии происходит отказ, трудно получить аналитическое выражение тока короткого замыкания в сложной многополюсной системе постоянного тока, а метод расчета требует более подробных исследований.

Чтобы восполнить эти пробелы, в данной статье представлена линеаризованная модель перед блоком MMC для двух типов разломов. Кроме того, для сложной модели распределительной сети постоянного тока с несколькими терминалами предлагается эффективный метод решения.

Остальная часть этого документа организована следующим образом.В Анализ и моделирование системы распределения постоянного тока представлена модель системы распределения постоянного тока. В методе решения модели предлагается метод решения представленной модели. В Case Studies тематические исследования проводятся для оценки эффективности и точности предложенной модели. Заключительные замечания представлены в Заключении .

Анализ и моделирование системы распределения постоянного тока

Топология MMC показана на рисунке 1.Поскольку характеристики неисправности различных субмодулей в основном одинаковы до блокировки MMC, полумостовой субмодуль здесь рассматривается как типичный. MMC — это преобразователь, который полагается на постоянное переключение между субмодулями для аппроксимации синусоидальной волны ступенчатой волной, поэтому MMC — это изменяющаяся во времени схема. Однако, если мы сделаем время анализа достаточно коротким и полагаем, что входные и обходные подмодули MMC остаются неизменными, мы можем рассматривать MMC как линейную и инвариантную во времени схему и использовать теорему суперпозиции для анализа.Следующая исследовательская работа основана на этом предположении.

РИСУНОК 1 . Топология MMC.

Анализ и моделирование при межполюсных коротких замыканиях

Когда межполюсное короткое замыкание происходит в распределительной сети постоянного тока, теорема суперпозиции может использоваться в точке отказа f для разделения межполюсного замыкания напряжение в точке повреждения на нормальный компонент и компонент повреждения, как показано на рисунке 2. Тогда реакция, генерируемая всеми другими источниками возбуждения, за исключением напряжения компонента повреждения в точке повреждения, является реакцией нормального рабочего состояния схемы.В нормальном рабочем состоянии ток короткого замыкания в точке повреждения равен нулю, а ток, переносимый каждой линией, является током при нормальной работе. Ток при нормальных условиях эксплуатации может быть получен путем расчета расхода нагрузки или прямого измерения и не будет рассчитываться в этой статье. В этой статье будет вычислен ток компонента повреждения, который представляет собой ток срабатывания схемы в нулевом состоянии при возбуждении источника питания компонента повреждения. Если нет переходного сопротивления, источник питания неисправного компонента можно рассматривать как источник напряжения.Если в точке короткого замыкания имеется переходное сопротивление, ток составляющей короткого замыкания может быть выражен реакцией при возбуждении источника тока составляющей короткого замыкания. Этот источник тока может быть получен путем преобразования источника напряжения составляющей короткого замыкания и переходного сопротивления с помощью эквивалентного закона Нортона.

РИСУНОК 2 . Принципиальная схема теоремы суперпозиции.

При рассмотрении реакции в нулевом состоянии источника напряжения компонента неисправности в цепи, MMC может быть преобразован в эквивалентную модель схемы, как показано на рисунке 3. R , L и C в модели все рассчитываются по формуле. 1 (Сюй, 2013). Если MMC заземлена через середину конденсатора, соответствующее значение емкости может быть добавлено к C .

{R = 23R0 + 2RdcL = 23L0 + 2LdcC = 6C0N # (1)

Где R ₀ и L ₀ — сопротивление и индуктивность реактора мостового плеча, соответственно, R _dc и L _dc — сопротивление и индуктивность сглаживающего реактора на выходе преобразователя соответственно, N — количество подмодулей в каждом плече моста, а C ₀ — емкость подмодуля.

РИСУНОК 3 . Модель эквивалентной схемы с нулевым откликом MMC в частотной области.

Линия постоянного тока может быть описана как модель эквивалентной схемы π-типа. Чтобы упростить последующий расчет, параметры модели преобразуются в положительный полюс или между полюсами, как показано на рисунке 4. При расчете с током положительного полюса и напряжением между полюсами модель до и после преобразование эквивалентно.

РИСУНОК 4 .Эквивалентная модель схемы до и после преобразования линии постоянного тока (A) До преобразования. (B) После преобразования.

На рисунке 4, R _l, L _l и C _l — эквивалентное сопротивление, эквивалентная индуктивность и эквивалентная емкость положительной / отрицательной линии, соответственно. R , L и C на рисунке 4 — их значения после преобразования в положительный полюс или межполюсный.Параметры схемы до и после преобразования имеют следующую взаимосвязь:

Анализ и моделирование при неисправностях однополюсного заземления

При возникновении однополюсного замыкания на землю на переходные характеристики распределительной сети постоянного тока сильно влияет метод заземления. стороны переменного и постоянного тока. При разных методах заземления на сторонах переменного и постоянного тока распределительной сети постоянного тока будут возникать разные петли замыкания и механизмы замыкания. Поэтому перед моделированием необходимо классифицировать различные методы заземления сторон переменного и постоянного тока MMC.Если на стороне переменного тока MMC есть путь нулевой последовательности, сторона переменного тока считается заземленной. В противном случае считается, что сторона переменного тока не заземлена. Как показано на рисунке 5, методы заземления на стороне постоянного тока MMC делятся на три типа: незаземленные, заземленные через среднюю точку зажимного сопротивления и заземленные через среднюю точку конденсатора (Luo, 2019).

РИСУНОК 5 . Метод заземления на стороне постоянного тока MMC.

При моделировании MMC, чтобы сделать модель симметричной относительно положительного и отрицательного полюсов и облегчить последующий анализ и расчет, влияние реактора с мостовым плечом не учитывалось.Учитывая, что индуктивность реактора перемычки не слишком велика, она обычно на порядок меньше индуктивности сглаживающего реактора на выходе преобразователя, поэтому ошибка, вызванная упрощенной моделью, не будет большой, и консервативность модели также могут быть приняты во внимание.

При разных режимах заземления эквивалентная схема нулевого отклика MMC показана на рисунке 6. Пунктирная линия указывает, что соединение существует только тогда, когда стороны переменного и постоянного тока MMC заземлены соответствующим образом. L _ac представляет 1/3 индуктивности нулевой последовательности на стороне переменного тока, когда сторона переменного тока заземлена (Luo, 2019). R _g представляет сопротивление зажима. C _g представляет собой емкость заземления. R _cg представляет сопротивление заземления в средней точке конденсатора.

РИСУНОК 6 . Модель эквивалентной схемы нулевого отклика MMC при однополюсных замыканиях на землю.

Линия постоянного тока может быть описана как модель непреобразованной эквивалентной схемы на рис. 4.

Короткое замыкание на однополюсное заземление сделает схему асимметричной. Следовательно, мы можем проанализировать это с помощью преобразования CDM. С точки зрения CDM, он будет разделен на две симметричные схемы, которые легко проанализировать. Преобразование CDM имеет следующую математическую форму (Kimbark, 1970):

[IΣIΔ] = 12 [111-1] [IpIn] # (3)

Где Σ и Δ соответственно представляют синфазную и дифференциальную составляющие.Кроме того, p и n соответственно представляют положительные и отрицательные параметры. Эта формула применима как к току, так и к напряжению.

После преобразования тока и напряжения CDM модель преобразователя примет следующий вид:

(1) Случай 1: сторона переменного тока не заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку конденсатора.

В этом случае синфазная и дифференциальная модели преобразователя показаны на рисунке 7.

(2) Случай 2: Сторона переменного тока не заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через середину зажимного резистора.

РИСУНОК 7 . Синфазная модель (слева) и дифференциальная модель (справа) преобразователя в случае 1.

В этом случае синфазная и дифференциальная модели преобразователя показаны на рисунке 8. Когда сторона постоянного тока не заземлена, это эквивалентно разомкнутой цепи на R _g, поэтому он не будет отдельно перечисляться позже.

(3) Случай 3: сторона переменного тока заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку конденсатора.

РИСУНОК 8 . Синфазная модель преобразователя (слева) и дифференциальная модель (справа) преобразователя в случае 2.

В этом случае синфазная и дифференциальная модели преобразователя показаны на рисунке 9.

(4) Случай 4: Сторона переменного тока заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку зажимного резистора.

РИСУНОК 9 . Синфазная модель (слева) и дифференциальная модель (справа) преобразователя в случае 3.

В этом случае синфазная и дифференциальная модели преобразователя показаны на рисунке 10. Когда сторона постоянного тока не заземлена, это эквивалентно разомкнутой цепи на R _g, поэтому он не будет отдельно перечисляться позже.

РИСУНОК 10 . Синфазная модель преобразователя (слева) и дифференциальная модель (справа) преобразователя в корпусе 4.

После преобразования тока и напряжения CDM модель линии постоянного тока показана на рисунке 11. Ее синфазная модель такая же, как и ее дифференциальная модель.

РИСУНОК 11 . Модель CDM линии постоянного тока.

С точки зрения CDM, граничные условия неисправности схемы также должны быть преобразованы. Без потери общности, если мы установим короткое замыкание заземления отрицательного полюса в точке короткого замыкания f , граничные условия могут быть выражены как уравнение.4.

Где U _{f, n} — отрицательное напряжение в точке повреждения, I _{f, p} и I _{f, n} — положительное и отрицательное токи, протекающие от точки короткого замыкания к земле, соответственно, и R _f — это переходное сопротивление между точкой замыкания и землей.

Через преобразование CDM уравнения. 4, граничные условия преобразуются в уравнение.5.

{If, Σ + If, Δ = 0Uf, Σ − Uf, Δ = Rf (If, Σ − If, Δ) # (5)

Где U _{f, ∑} и U _{f, Δ} — синфазное и дифференциальное напряжение в точке повреждения, соответственно, I _{f, ∑} и I _{f, Δ} — синфазное напряжение. и ток дифференциального режима, протекающий из точки повреждения, соответственно.

Подобно асимметричному анализу неисправности сети переменного тока, распределительная сеть постоянного тока также имеет следующие отношения в точке повреждения:

{Uf, Δ (0) −Uf, Δ = ZΔIf, Δ − Uf, Σ = ZΣIf, Σ # (6)

Где

В уравнении.6, U _{f, Δ (0)} — нормальная составляющая дифференциального напряжения в точке повреждения, Z _Δ и Z _∑ — эквивалентные дифференциальные и синфазное сопротивление распределительной сети постоянного тока, измеренное от точки повреждения, соответственно. В уравнении. 7, U _dc — межполюсное напряжение в точке повреждения при нормальной работе.

Согласно формуле. 5 и уравнение. 6 может быть сформирована эквивалентная сеть CDM, показанная на фиг. 12.

РИСУНОК 12 . Эквивалентная сеть CDM при однополюсном замыкании на землю.

Метод решения модели

Решение проблемы тока компонента при межполюсных коротких замыканиях

Поскольку трудно получить аналитические формулы для цепей высокого порядка, когда распределительная сеть постоянного тока имеет сложную топологию, в этом разделе вводится аналитическая метод расчета подходит для компьютеров. Набор символьных математических инструментов MATLAB может помочь нам в использовании этого метода.

Перед расчетом структура схемы должна быть классифицирована, и шины должны быть классифицированы в первую очередь:

(1) Шина напряжения: напряжение компонента неисправности шины известно, в то время как ток инжекции компонента неисправности на шине неизвестен. . Этот тип автобуса, как правило, является причиной неисправности.

(2) Токовая шина: ток инжекции компонента неисправности на шине известен, в то время как напряжение компонента неисправности на шине неизвестно. Этот тип шины обычно является шиной без неисправности или в точке неисправности с известным током неисправности.

После этого необходимо классифицировать структуру соединений в цепи:

(1) Структура заземления

Структура заземления показана на рисунке 13. Заземление на рисунке не является заземлением в обычном смысле, а эталонная точка напряжения на шине. В этом расчете для межполюсного короткого замыкания для расчета используются межполюсное напряжение и положительный ток, поэтому заземление на Рисунке 13 эквивалентно преобразованной отрицательной цепи на Рисунке 4.

РИСУНОК 13 . Конструкция заземления.

Межполюсное напряжение U _n и положительный ток I _nn в заземляющей конструкции имеют следующие отношения:

Где Y _nn — проводимость заземляющей конструкции.

(2) Структура шинного соединения

Структура шинного соединения показана на рисунке 14.

РИСУНОК 14 .Структура автобусного соединения.

U _n и U _m — межполюсные напряжения на шине n и m соответственно. Положительный ток, протекающий в соединительной структуре шины I _nn, и они имеют следующую взаимосвязь:

После классификации структуры распределительной сети постоянного тока, составляющая тока короткого замыкания может быть решена в рамках межполюсного короткого замыкания. неисправность цепи.Следующая матрица была определена и использована в качестве входных данных формулы расчета.

Если предположить, что в цепи присутствуют исходные шины N _b, то после добавления неисправной шины в цепи будет N _b +1 (если неисправность возникла на исходной шине, количество автобусов не изменится).

(1) Матрица соединений F (( N _b +1) × ( N _b +1)): описывает подключение распределительной сети постоянного тока:

i) F _nm = 1, если линия соединяет автобусы n и m.

ii) F _нм = 0, если нет линии, соединяющей автобусы n и m.

(2) Матрица проводимости Y (( N _b +1) × ( N _b +1)): диагональный элемент Y _nn в матрице — проводимость на землю на шине n , а недиагональный элемент Y _нм — проводимость линии постоянного тока, соединяющей шины n, и m.

С входными матрицами F и Y , в соответствии с KVL и KCL, мы можем перечислить следующие линейные уравнения для текущих шин n _i.

IGn = YnnUn + ∑m = 1m ≠ nNb + 1FnmYnm (Un-Um), n∈ℝni # (10)

Где IGn — известный ток инжекции на шине n .

В наборе уравнений, показанном в Ур. 10, в качестве переменных используются текущие напряжения на шине n _i, и это число совпадает с количеством уравнений.Следовательно, выражение неизвестного напряжения в частотной области может быть решено компьютером.

После получения напряжения на каждой шине, уравнение. 11 может использоваться для определения тока составляющей короткого замыкания, вытекающей из выхода MMC на шине n .

Ic − n = −UnRc − n + sLc − n + 1sCc − n # (11)

Где R _cn, L _cn и C _cn равны сопротивление, индуктивность и емкость в эквивалентной схеме MMC на шине n соответственно.

Ток компонента повреждения, протекающий от шины n к шине m , можно определить по формуле. 12.

Il − nm = 12sCl − nmUn + Un − UmRl − nm + sLl − nm # (12)

Где R _l-nm, L _l-nm и C _l-нм — это сопротивление, индуктивность и емкость в эквивалентной цепи постоянного тока между шиной n и шиной m соответственно.

Тогда уравнение.13 можно использовать для определения тока межполюсного короткого замыкания, протекающего от положительного полюса в точке повреждения f .

If = Ic − f − ∑m = 1m ≠ fNb + 1FnmIl − nm # (13)

После расчета токов компонентов короткого замыкания повсюду, мы можем использовать компьютер для выполнения обратного преобразования Лапласа, чтобы получить соответствующее выражение во временной области.

Устранение неисправности тока компонента при коротком замыкании в однополюсном заземлении

Для решения проблемы тока компонента повреждения в этом случае сначала следует рассчитать токи CDM в точке повреждения.Согласно схеме, показанной на рисунке 12, синфазный ток I _{f , Σ} и дифференциальный ток I _{f , Δ}, текущий из точки повреждения, могут быть решены уравнениями . 14,15.

Если, Σ = −Uf, Δ (0) ZΔ + 2Rf + ZΣ # (14) Если, Δ = Uf, Δ (0) ZΔ + 2Rf + ZΣ # (15)

Где

ZΣ = Yff, Σ ∗ det (YΣ) # (16) ZΔ = Yff, Δ ∗ det (YΔ) # (17)

В уравнениях. 16,17, Y _∑ и Y _Δ — это синфазная и дифференциальная матрицы проводимости соответственно.Yff, Σ ∗ и Yff, Δ ∗ — элементы в строке f и столбце f в сопряженных матрицах синфазной и дифференциальной матриц проводимости соответственно. Следует отметить, что для расчета импеданса здесь необходимо сформировать Y _∑ и Y _Δ по следующим правилам: Диагональный элемент Y _{nn , ∑} в Матрица синфазной проводимости — это собственная проводимость шины n в синфазной сети, и ее значение равно сумме проводов ветвей, подключенных к шине. Y _{nm , ∑} ( n ≠ m ) — это взаимный допуск шин n и m в синфазной сети, и его значение равно противоположному значению вход ответвления, соединенного между двумя автобусами. Элементы в матрице проводимости дифференциального режима подчиняются тем же правилам.

После получения I _{f , Σ} и I _{f , Δ}, методы решения, упомянутые в расчете межполюсного короткого замыкания, могут быть применены для решения общих и дифференциальных -режимные сети соответственно.Здесь напряжения и токи CDM, возбуждаемые источником тока составляющей короткого замыкания, должны использоваться в качестве неизвестных переменных. После этого положительные и отрицательные токи компонентов короткого замыкания могут быть получены посредством обратного преобразования CDM, показанного в формуле. 18.

[IpIn] = T − 1 [IΣIΔ] = [111−1] [IΣIΔ] # (18)

Наконец, выражение во временной области тока составляющей короткого замыкания может быть получено с помощью обратного преобразования Лапласа.

Примеры из практики

В этом разделе представлены примеры из практики, которые использовались для оценки эффективности и точности предложенной линеаризованной модели.Мы сравним рассчитанное значение и моделируемое значение в системе распределения постоянного тока кольцевой сети с четырьмя выводами, показанной на рисунке 15. Это значение моделирования предоставляется PSCAD / EMTDC. В таблице 1 представлены соответствующие параметры системы. Система использует стратегию управления ведущий-ведомый. MMC1 — это главная станция, а остальные — подчиненные станции. Активные мощности в таблице — это вводимые мощности на стороне переменного тока. Вводимая реактивная мощность каждой MMC равна нулю.

РИСУНОК 15 .Четырехконтактная система распределения постоянного тока с кольцевой сеткой.

ТАБЛИЦА 1 . Системные параметры четырехконтактной системы распределения постоянного тока кольцевой сети.

Проверка при сбоях межполюсного короткого замыкания

При проверке при сбоях межполюсного короткого замыкания все MMC на Рисунке 15 не заземлены, а переходное сопротивление равно нулю. После того, как цепь стабилизируется, установите межполюсное короткое замыкание в средней точке линии постоянного тока между MMC1 и MMC2 (пусть t = 0 с в это время).Полученные токи короткого замыкания показаны на Рисунке 16.

РИСУНОК 16 . Сравнение расчетного значения и моделируемого значения тока короткого замыкания при межполюсном коротком замыкании (A) Ток короткого замыкания в точке повреждения. (B) Положительный ток, протекающий от MMC1 к MMC2 на линии повреждения. (C) Положительный ток на выходе MMC1.

Из сравнения на рисунке 16 видно, что по сравнению с смоделированным значением рассчитанное значение имеет небольшую ошибку (не более 2.64%), и со временем эта ошибка будет постепенно увеличиваться. Я думаю, что причина этой ошибки в том, что MMC больше не будет поддерживать исходное рабочее состояние после сбоя, установившаяся составляющая тока короткого замыкания изменится, и это изменение будет постепенно увеличиваться с течением времени. Следовательно, метод расчета с использованием теоремы суперпозиции из предыдущей статьи применим только через очень короткое время после сбоя. Однако, учитывая, что MMC будет заблокирован в течение очень короткого времени после отказа постоянного тока, результат расчета все еще будет достаточно надежным в течение этого времени.

Проверка при коротком замыкании однополюсного заземления

При проверке при коротком замыкании однополюсного заземления, для проверки моделей MMC с различными методами заземления, MMC на Рисунке 15 настроены с различными методами заземления. Для MMC1 сторона переменного тока заземлена ( L _ac = 10 мГн), а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку конденсатора ( C _g = 8 мФ, R _cg = 0.5 Ом). Для MMC2 сторона переменного тока не заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку зажимного резистора ( R _g = 4 МОм). Для MMC3 сторона переменного тока не заземлена, а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку конденсатора ( C _g = 8 мФ, R _cg = 0,5 Ом). Для MMC4 сторона переменного тока заземлена ( L _ac = 10 мГн), а сторона постоянного тока заземлена через среднюю точку зажимного резистора ( R _g = 4 МОм).После того, как цепь стабилизируется, установите отрицательное короткое замыкание на землю ( R _f = 0) в средней точке линии постоянного тока между MMC1 и MMC2 (пусть t = 0 с в это время). Полученные токи короткого замыкания показаны на Рисунке 17.

РИСУНОК 17 . Сравнение расчетного значения и смоделированного значения тока короткого замыкания при коротком замыкании на отрицательную массу (A) Ток короткого замыкания в точке короткого замыкания. (B) Отрицательный ток, протекающий от MMC1 к MMC2 на линии повреждения. (C) Отрицательный ток на выходе MMC1.

Из сравнения на рисунке 17 видно, что по сравнению с смоделированным значением расчетное значение имеет небольшую ошибку (не более 4,53%), и эта ошибка будет постепенно увеличиваться с течением времени. Мало того, погрешность в этом расчете больше, чем при расчете межполюсного короткого замыкания. Я думаю, что ошибка в этом расчете связана не только с изменением рабочего состояния ММС, но и с пренебрежением реактором мостового плеча.Этот результат расчета не только надежен за очень короткое время, но и консервативен.

Заключение

В этой статье обобщается модель MMC для расчета межполюсного короткого замыкания и предлагается новая линеаризованная модель, основанная на преобразовании CDM для расчета короткого замыкания в однополюсном заземлении. Благодаря проверке результатов моделирования эта новая модель оказалась надежной и консервативной. Кроме того, в этой статье предлагается метод расчета в частотной области, подходящий для расчета сложных многополюсных распределительных сетей постоянного тока.Этот метод может гибко преобразовывать топологию сети и имеет гораздо более высокую скорость вычислений, чем моделирование. Модели и метод, описанные в этой статье, можно использовать в качестве справочной информации при планировании энергосистемы и выборе оборудования.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

PS: анализ, моделирование, метод, проверка и написание. ZJ: консультирование, супервизия, написание-рецензирование и редактирование.HG: имитационная модель, концептуализация и методология.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

Баран М. Э. и Махаджан Н. Р. (2003). Распределение постоянного тока для возможностей и задач промышленных систем. Транзакции IEEE по отраслевым приложениям 39 (6), 1596–1601. DOI: 10.1109 / TIA.2003.818969