В процессе эксплуатации высоковольтных электрических систем часто возникает аварийная ситуация, известная как межфазное короткое замыкание (КЗ). Это явление, регламентированное нормативными документами, представляет собой серьёзное отклонение от штатного режима работы электросетей. Оно связано с повреждениями линий электропередачи и может привести к тяжёлым, порой катастрофическим последствиям. Понимание природы этого явления, его причин и способов предотвращения критически важно для обеспечения безопасности и бесперебойности энергоснабжения.
Сущность и основные причины возникновения
На изображении показан пример последствий нарушения изоляции — основной причины замыканий.
Межфазное замыкание в многофазных цепях — это неконтролируемое соединение проводников разных фаз вследствие повреждения или разрушения их изоляционного покрытия. Иногда оно проявляется в виде замыкания одной фазы на землю или на корпус электрооборудования.
Подобное состояние сети классифицируется как аварийное, поскольку в точке контакта проводов или контакта с землёй происходит резкий, лавинообразный рост силы тока. Величина этого тока может достигать тысяч ампер, создавая неуправляемую энергию, способную нанести значительные разрушения.
К основным причинам, приводящим к таким авариям в высоковольтных сетях, относятся:
- Деградация или механическое повреждение изоляции фазных проводников из-за старения, перегрузок или нарушения правил эксплуатации кабельных трасс.
- Обрыв провода воздушной линии с последующим его падением и контактом с другим проводом или землёй.
- Замыкание повреждённого проводника на заземлённый корпус электроустановки.
Каждый случай короткого замыкания является результатом серьёзного нарушения регламентов эксплуатации и, согласно нормативам, подлежит обязательному расследованию для выявления и устранения коренных причин.
Классификация аварийных замыканий
На схеме показаны различные виды коротких замыканий в трёхфазной системе.
Замыкания классифицируют по типу сети (однофазные или трёхфазные) и по количеству точек повреждения (одиночные или двойные). В однофазных сетях возможно лишь замыкание фазы на нейтраль или землю. В трёхфазных системах вариантов значительно больше из-за большего числа проводников. Основные типы повреждений:
- Двухфазное КЗ — замыкание между двумя фазными проводниками.
- Однофазное КЗ на землю — контакт одного фазного провода с землёй или нейтралью.
- Двойное замыкание на землю — контакт двух разных фаз с землёй в различных точках сети.
Каждый тип характеризуется специфическим распределением аварийных токов и потенциалов. Особую опасность для человека представляют напряжение прикосновения (между точками касания оголённого провода) и напряжение шага (разность потенциалов между ступнями человека на земле в зоне растекания тока). Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), величина напряжения прикосновения возрастает с увеличением расстояния между точками контакта и может стать смертельно опасной при высоком сопротивлении заземления.
Разрушительные последствия коротких замыканий
Последствия КЗ: термическое разрушение оборудования и возгорание.
Протекание сверхтоков при замыкании, будь то межфазное или однофазное, приводит к ряду опасных явлений:
- Пожары и возгорания из-за мгновенного разогрева и воспламенения изоляции проводников и окружающих материалов.
- Механическое и термическое разрушение силового оборудования (трансформаторов, генераторов, шин) под действием электродинамических сил и высокой температуры.
- Поражение людей электрическим током от прямого контакта или через напряжение шага в аварийной зоне.
Для безопасного перемещения в зоне падения провода под напряжением ПУЭ предписывает использовать «гусиный шаг» — перемещение мелкими шагами, не отрывая ступни друг от друга, чтобы минимизировать напряжение шага. Основой защиты в сетях 220/380 В является качественная изоляция с сопротивлением не менее 0,5 МОм на фазу и применение автоматических устройств защиты: автоматических выключателей, предохранителей, реле тока. Их задача — мгновенно отключить повреждённый участок при возникновении КЗ, предотвратив развитие аварии.
Защита высоковольтных линий от междуфазных замыканий
Принципиальная схема релейной защиты на основе токового трансформатора.
В сетях напряжением выше 1000 В для коммутации и аварийного отключения применяются не простые автоматы, а мощные выключатели (масляные, вакуумные, элегазовые), способные погасить мощную дугу, возникающую при размыкании цепи.
Ключевую роль в защите высоковольтных линий играют релейные схемы. Их работа основана на законе электромагнитной индукции. Сердцем такой защиты является токовый трансформатор, который непрерывно контролирует величину тока в линии. При достижении током уставки (предельного аварийного значения) реле формирует сигнал, который приводит в действие исполнительный механизм (электромагнит) силового выключателя, отключая линию от источника питания.
Фундаментальным же способом защиты остаётся использование кабельной продукции с высококачественной изоляцией, рассчитанной на длительную работу в экстремальных условиях и способной выдерживать кратковременные воздействия токов КЗ.
Профилактика как основа безопасности
Качественный кабель с негорючей изоляцией (ВВГнг) — основа профилактики.
Наиболее эффективная стратегия борьбы с короткими замыканиями — это их недопущение через комплекс профилактических мер:
- Корректный выбор кабелей и оборудования с учётом всех эксплуатационных нагрузок и условий окружающей среды.
- Неукоснительное соблюдение правил монтажа и эксплуатации электроустановок, включая качественное выполнение соединений и защиту кабелей от механических повреждений.
- Обязательная приёмо-сдаточная проверка и испытания новых и отремонтированных сетей перед вводом в эксплуатацию.
- Оснащение современных систем быстродействующими и селективными устройствами релейной защиты и автоматики.
Профилактическое обслуживание должно проводиться системно, по утверждённым планам, и включать в себя:
- Регулярные визуальные осмотры трасс и оборудования.
- Текущие и капитальные ремонты согласно графикам.
- Плановые испытания изоляции и проверки срабатывания защитных устройств.
Замыкание на землю — чрезвычайно опасное явление, несущее прямую угрозу возникновения пожаров и электротравматизма персонала. Именно поэтому вопросам проектирования, монтажа, эксплуатации и профилактики электроустановок уделяется столь пристальное внимание, а соблюдение нормативных требований является обязательным условием безопасной и бесперебойной работы энергосистем.
