Типы неисправностей в энергетической системе

Системы электропитания: Определение и классификация неисправностей

Неисправность в системе электропитания определяется как аномалия или дефект, приводящие к отклонению электрического тока от его предполагаемого пути. Когда происходит неисправность, создаются ненормальные условия работы, главным образом за счет снижения прочности изоляции между проводниками. Такое ухудшение изоляции может привести к серьезному повреждению компонентов системы электропитания, нарушению нормального энергоснабжения и созданию опасных ситуаций.

Неисправности в системах электропитания в основном классифицируются на два основных типа:

• Неисправность открытой цепи: Этот тип неисправности возникает, когда в электрической цепи происходит разрыв или разобщение, препятствующее нормальному потоку тока. Это может быть вызвано поврежденными проводниками, ослабленными соединениями или отказом электрических компонентов.

• Короткое замыкание: При коротком замыкании возникает непреднамеренный путь с низким сопротивлением между двумя или более проводниками, что вызывает значительный поток тока. Это может быть результатом разрушения изоляции, физического контакта между проводниками или сбоев оборудования.

Различные подтипы и проявления этих неисправностей в системах электропитания показаны на приведенном ниже изображении.

Причины и классификация неисправностей в системах электропитания

Неисправности в системах электропитания могут возникать по множеству естественных причин. События, такие как удары молнии, сильные ветры и землетрясения, могут вызвать неисправности. Молния, с ее интенсивными электрическими разрядами, может повредить изоляцию и нарушить нормальный поток тока. Сильные ветры могут повалить линии электропередач или вызвать раскачивание проводников, в результате чего они приходят в контакт с другими объектами, а землетрясения могут переместить инфраструктуру, приводя к разрыву проводников и повреждению электрических компонентов.

Неисправности также могут быть результатом различных аварий. Например, падение дерева на линии электропередач, столкновение автомобиля с поддерживающей конструкцией или крушение самолета в электрическую инфраструктуру могут привести к нарушениям в системе электропитания. Эти случайные события могут непосредственно повредить проводники, изоляторы или другие важные части электрической сети, вызывая неисправности.

1. Неисправность открытой цепи

Неисправность открытой цепи в основном возникает, когда один или два проводника выходят из строя. Поскольку этот тип неисправности происходит последовательно с электрической линией, он также известен как последовательная неисправность. Неисправности открытой цепи существенно влияют на надежность системы электропитания, часто приводя к перебоям в энергоснабжении и потенциальному повреждению подключенного оборудования.

Неисправности открытой цепи можно дополнительно классифицировать на следующие типы:

• Неисправность одного проводника: Это происходит, когда один проводник в электрической цепи обрывается или отсоединяется, нарушая поток тока через этот конкретный путь.

• Неисправность двух проводников: В этом случае два проводника в системе выходят из строя, создавая более серьезное нарушение электрического потока. Этот тип неисправности может привести к несимметричным условиям и вызвать дополнительное напряжение на оставшиеся компоненты системы.

• Неисправность трех проводников: Самый редкий и наиболее серьезный вид неисправности открытой цепи, при котором выходят из строя все три проводника в трехфазной системе. Это приводит к полному прекращению передачи электроэнергии и может иметь далеко идущие последствия для электрической сети и подключенных нагрузок.

Различные конфигурации неисправностей открытой цепи показаны на приведенной ниже схеме, предоставляя визуальное представление о том, как эти неисправности проявляются в системе электропитания.

2. Короткое замыкание

Короткое замыкание происходит, когда проводники из разных фаз вступают в контакт друг с другом в линии электропередач, трансформаторе или других элементах цепи. Этот непреднамеренный контакт вызывает значительный поток тока через одну или две фазы электрической системы. Короткие замыкания можно дополнительно классифицировать на две основные категории: симметричные и несимметричные неисправности.

Симметричные неисправности

Симметричные неисправности — это те, которые затрагивают все три фазы электрической системы. Замечательно, что эти неисправности сохраняют состояние баланса даже после возникновения неисправности. Симметричные неисправности в основном происходят на выводах генераторов. Их возникновение можно объяснить различными факторами, такими как сопротивление электрической дуги, образующейся между проводниками во время неисправности, или наличием низкого сопротивления заземления в системе заземления.

Симметричные неисправности подразделяются на два различных типа: фаза-фаза-фаза и трехфазное фаза-земля.

a. Фаза-Фаза-Фаза (F-F-F)

Фаза-фаза-фаза (F-F-F) неисправности характеризуются своим сбалансированным характером. Даже после возникновения неисправности электрическая система сохраняет свою симметрию. Хотя F-F-F неисправности относительно редки, они являются одними из самых серьезных типов коротких замыканий. Они генерируют наибольшие токи неисправности в системе, которые играют ключевую роль в определении требований к характеристикам автоматических выключателей. Способность автоматических выключателей безопасно и эффективно прерывать эти чрезвычайно высокие токи напрямую зависит от характеристик F-F-F неисправностей, что делает их ключевым фактором в проектировании и защите систем электропитания.

b. F–F–F–G (Трехфазное фаза-земля)

Трехфазное фаза-земля (F–F–F–G) замыкание охватывает все три фазы электрической системы. В этом случае устанавливается связь между всеми тремя фазами и землей системы. Хотя такие неисправности встречаются реже, чем некоторые другие типы, F–F–F–G замыкание имеет значительное значение в анализе систем электропитания. Статистически вероятность такого замыкания составляет примерно 2-3 процента. Несмотря на эту относительно низкую вероятность, когда F–F–F–G замыкание действительно происходит, оно может генерировать значительные токи неисправности и вызывать широкомасштабные нарушения в системе электропитания, что требует надежных защитных мер и тщательного учета в проектировании и эксплуатации системы.

Несимметричные неисправности

Несимметричная неисправность определяется как состояние в системе электропитания, которое генерирует несимметричные токи, где величины и фазы токов в трех фазах значительно отличаются друг от друга. Этот тип неисправности обычно включает одну или две фазы, такие как фаза-земля (F-G), фаза-фаза (F-F) или двойное фаза-земля (F-F-G) замыкание. В результате этих неисправностей электрическая система становится несбалансированной, что может привести к различным операционным проблемам и потенциальному повреждению оборудования.

Несимметричные неисправности можно в основном классифицировать на три различных типа:

• Одиночное фаза-земля (F–G) замыкание

• Фаза-фаза (F–F) замыкание

• Двойное фаза-земля (F–F–G) замыкание

Среди всех типов неисправностей в системах электропитания, несимметричные неисправности являются наиболее распространенными.

1. Одиночное фаза-земля (F–G) замыкание

Одиночное фаза-земля замыкание происходит, когда один из проводников приходит в контакт с землей или касается нейтрального проводника. Этот тип неисправности очень распространен, составляя около 70-80 процентов всех неисправностей, возникающих в системах электропитания. Высокая частота его возникновения делает его критическим вопросом для операторов и инженеров систем электропитания, которые должны внедрять эффективные защитные меры для минимизации его потенциального воздействия на стабильность и надежность системы.

3. Двойное фаза-земля (F–F–G) замыкание

При двойном фаза-земля замыкании два проводника одновременно приходят в контакт друг с другом и с землей. Этот сценарий неисправности создает сложный электрический путь, который нарушает нормальную работу системы электропитания. Хотя такие замыкания менее распространены, чем одиночные фаза-земля, они все равно представляют значительные риски для стабильности системы и целостности оборудования. Статистически вероятность двойного фаза-земля замыкания составляет примерно 10% от всех неисправностей в системах электропитания. Эта относительно низкая, но не пренебрежимая вероятность подчеркивает важность включения комплексных мер защиты и смягчения в системах электропитания для защиты от потенциальных повреждений и операционных нарушений, вызванных такими неисправностями.