Одной из основных причин нарушения нормальной работы электрических установок являются короткие замыкания. Короткое замыкание (к.з.) — всякое, не предусмотренное нормальными условиями работы, электрическое соединение между фазами, а в системах с заземленной нейтралью (или четырехпроводных) — соединение одной или нескольких фаз с землей (или на нулевой провод).
Замыкания могут быть через электрическую дугу или непосредственно (без переходного сопротивления). В электрических сетях в зависимости от режима нейтралей возможны следующие виды коротких замыканий и замыканий на землю: трехфазное короткое (симметричное замыкание всех трех фаз); двухфазное (несимметричное замыкание двух фаз); двухфазное на землю (несимметричное замыкание); однофазное короткое (несимметричное замыкание в сетях с заземленной нейтралью); однофазное на землю (в сетях с изолированной нейтралью).
Токи короткого замыкания отключаются релейной защитой в кратчайший срок. Обычно они существуют не более 5 с, однако их необходимо учитывать, так как из-за термического и электродинамического воздействия токов возможны серьезные повреждения электрооборудования и проводников, вызывающие отказ основного оборудования электроустановок, аварии на электростанциях и подстанциях, а также системные аварии. Особенно опасны короткие замыкания на шинах станций и подстанций, которые часто происходят из-за загрязнения изоляции и ее пробоя, нарушения работы релейной защиты и коммутационной аппаратуры. В результате этого на подстанциях возможны взрывы и пожары, которые приводят к тяжелым последствиям и длительным перерывам в электроснабжении. При коротких замыканиях линий электропередачи и отключении их релейной защитой также на длительное время может быть прервано электроснабжение (особенно в сельской местности на линиях без резервного питания), что приносит большой экономический ущерб.
При замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью допускается работа до отыскания места повреждения. Режим замыкания на землю также опасен, поскольку сопровождается перенапряжением, приводящим к режимам двухфазного (двойного) замыкания на землю и отключению потребителей. Кроме того, при этом режиме возникает опасность поражения людей и животных, а в месте касания провода земли — опасность пожара из-за электрической дуги.
В системе электроснабжения воздушные сети напряжением до 1000 В менее надежны. Наряду с междуфазными в сетях могут быть однофазные короткие замыкания «фаза — нуль» и «фаза — земля». Эти повреждения также опасны, поскольку возможны междуфазные короткие замыкания.
Установлено, что в сетях с заземленной нейтралью однофазные короткие замыкания составляют 65%, двухфазные на землю — 20, двухфазные — 10, трехфазные — только 5%. В сетях с изолированной нейтралью наибольшее число повреждений наблюдается при замыканиях на землю и двухфазных коротких замыканиях
Короткие замыкания в электрических сетях объясняются различными причинами: нарушением их изоляции из-за атмосферных и коммутационных перенапряжений, а также ее старением, механическими повреждениями, повреждениями, вызванными животными и птицами, набросами на провода посторонних предметов, проездом под линиями негабаритных механизмов (кранов с поднятой стрелой, комбайнов и т.п.), падением опор, схлестыванием проводов при ветре, гололеде, «пляске проводов» и т.п. Часто причиной повреждений этих сетей могут быть также неправильные действия обслуживающего персонала, например, ошибочные отключения разъединителями цепи с током, включение разъединителей на закоротку, ошибочные переключения в главных схемах и схемах релейной защиты и автоматики, включения линий на короткие замыкания из-за неснятия заземлителей при ремонтных работах и т.п. Чем лучше организована эксплуатация электроустановки, тем реже бывают в ней короткие замыкания. Однако исключить их полностью нельзя, поэтому принимают меры, чтобы они не вызывали повреждений оборудования и длительных нарушений его работы. Во время коротких замыканий из-за больших токов иногда повышается температура токоведущих частей, и происходят повреждения проводников и изоляции. При этом электродинамические усилия могут разрушить электрооборудование. Снижение напряжения в сети при коротком замыкании вызывает уменьшение вращающего момента электродвигателей потребителей, их торможение и даже полную остановку, а также нарушение работы отдельных участков сетей, ведущее к отключениям потребителей. При коротком замыкании возникает сильное электромагнитное влияние на линии связи и системы железнодорожных блокировок.
Таким образом, чтобы свести до минимума отрицательные последствия от коротких замыканий, надо научиться определять токи к. з. Расчеты токов необходимы: для сопоставления, оценки и выбора главных схем электрических соединений подстанций; выбора электрических аппаратов; оценки поведения потребителей при аварийных условиях; проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики; проектирования заземляющих устройств; определения влияния токов к. з. на линии связи; выбора разрядников; анализа аварий.
Для оценки теплового и электродинамического воздействия тока к. з., а также для определения степени понижения напряжения следует знать максимально возможные токи к. з. в данной точке сети. Для расчетов действия релейной защиты и обеспечения ее успешной работы в наиболее сложных условиях определяют также и минимальные токи к. з.
В настоящее время уровень токов к. з. для сетей существенно повысился. Для сетей 35 кВ и более он ограничивается параметрами выключателей, трансформаторов, проводников и другого электрооборудования, условиями обеспечения устойчивости энергосистемы, а для сетей 3-20 кВ — параметрами электрических аппаратов и токопроводов, термической стойкостью кабелей, устойчивостью двигательной нагрузки.
Для ограничения токов к. з. используют секционирование сетей, устанавливают трансформаторы с расщепленными обмотками низшего напряжения, токоограничивающие реакторы. Применение каждого способа должно быть экономически обосновано.
Секционирование сетей является эффективным средством, позволяющим уменьшить уровни токов к. з. в 1,5...2 раза. В распределительных сетях 10 кВ широко применяется раздельная работа секций шин, получающих питание от различных трансформаторов подстанции. Однако в этом случае имеются недостатки: разные уровни напряжения по секциям, неравномерная загрузка трансформаторов и т.д.
В силовых трансформаторах мощностью 25 МВ • А и выше используют расщепление обмотки низшего напряжения на две, что позволяет увеличить сопротивления трансформаторов в режиме к. з. примерно в 2 раза.
Реакторы служат для ограничения токов к. з. в мощных электроустановках, а также для поддержания на сборных шинах значительного остаточного напряжения. Их применяют в основном в электрических сетях напряжением 6-10 кВ, реже 35 кВ и выше.