Процесс короткого замыкания
Короткое замыкание (к. з.) в электрической системе приводит к уменьшению суммарного сопротивления внешней цепи по отношению к шинам источников питания, увеличению тока в большинстве ветвей и снижению напряжения в отдельных точках системы. В некоторых ветвях (например, в ветвях нагрузок) возможно уменьшение тока.
С возникновения к. з. до момента его отключения в ветвях источников и других элементов системы происходит переходный процесс изменения токов и напряжений, вызванный к. з.
На рис. 38-1 показано характерное изменение тока при трехфазном коротком замыкании в сети, питаемой генератором с автоматическим регулятором возбуждения (АРВ).
Переходный ток можно представить состоящим из отдельных составляющих: периодической и апериодической . Следовательно, мгновенное значение полного тока короткого замыкания для произвольного момента времени

При к. з. в сети, в которой активное сопротивление до точки к. з. значительно меньше реактивного, ток отстает от напряжения приблизительно на 90°.
Периодическая составляющая тока по амплитуде одинакова во всех фазах (взаимный сдвиг соответствует 120°) и изменяется в течение переходного процесса с изменением э. д. с. источника.
Апериодическая составляющая тока в общем случае различна для всех фаз. Ее начальное значение зависит от момента возникновения к. з. и предшествующего режима. Для цепей с преобладающим индуктивным сопротивлением наибольшее возможное значение апериодической составляющей имеет место при возникновении к. з. в момент прохождения напряжения источника через нуль (рис. 38-1). Последнее условие обычно принимают за расчетное, так как при нем полный ток короткого замыкания имеет наибольшее значение. Максимальное мгновенное значение полного тока к. з.. для указанного расчетного условия (ударный ток ) наступает приблизительно через полпериода (0,01 с) с момента возникновения к. з.
Характер изменения тока в переходном процессе к. з. определяется затуханием свободных токов благодаря активным сопротивлениям в контурах статора и ротора и одновременным возрастанием тока возбуждения под действием АРВ.

Рис 38-1. Изменение тока при трехфазном коротком замыкании.

Скорость затухания апериодической составляющей тока зависит от параметров генератора и других элементов цепи до точки к. з. Апериодическая составляющая тока к. з. заметно проявляется лишь в течение первых 0,1-0,2 с переходного процесса. Установившийся режим практически наступает через 3-5 с после возникновения к. з.
Изменение тока возбуждения при действии АРВ при машинном возбудителе заметно проявляется спустя несколько десятых долей секунды после начала к. з., а при вентильном возбуждении — значительно раньше, так как напряжение на кольцах ротора в этом случае возрастает до предельного значения практически мгновенно. Скорость нарастания тока возбуждения и предел, которого он может достигнуть при форсировке, зависят от системы возбуждения, типа АРВ и удаленности к. з. При удаленном к. з. напряжение генератора практически не снижается или после снижения вновь достигает номинального значения под действием АРВ. Наличие АРВ усложняет закон изменения тока во времени (рис. 38-1).

Виды коротких замыканий
В трехфазной системе возможны следующие простейшие виды коротких замыканий: а) трехфазное; б) двухфазное; в) однофазное; г) двухфазное на землю.
Трехфазное к. з. является симметричным, так как при нем все фазы остаются в одинаковых условиях и симметрия токов (периодических составляющих) и напряжений не нарушается.
Остальные виды к. з. являются несимметричными. Однофазное к. з. и двухфазное к. з. на землю возможны в системах с эффективно заземленной нейтралью, а также в четырех-проводной системе.
Помимо к. з. в одной точке, возможны к. з. одновременно в различных точках сети, а также к. з. с одновременным обрывом одной из фаз или другим нарушением симметрии трехфазной цепи. Эти нарушения режима относятся к сложным видам повреждений.

Действующее значение полного тока короткого замыкания

где — мгновенное значение тока к. з.; Т — период; t — рассматриваемый момент процесса к. з.
Для практических расчетов используют приближенное выражение

где

Наибольшее значение полного тока к. з. будет при

Ударный ток короткого замыкания
Это наибольшее мгновенное значение тока к. з. (рис. 38-1)

где — ударный коэффициент;

Мощность короткого замыкания
Мощность к. з. для момента t условно равна

где — среднее номинальное напряжение ступени, для которой вычислен ток к. з.
В относительных единицах

Мощность к. з. является расчетной величиной; она может быть использована при выборе выключателей по мощности отключения.

Методы расчета токов короткого замыкания
Точные методы расчета процесса к. з. в системах с несколькими источниками питания сложны и громоздки.
Определение тока к. з. для выбора электрических аппаратов не требует большой точности, поэтому при выполнении таких расчетов обычно принимают ряд допущений:
а) совпадение по фазе э. д. с. всех генераторов;
б) приближенный учет нагрузки;
в) отсутствие насыщения магнитных систем электрических машин;
г) пренебрежение активными сопротивлениями элементов цепи;
д) пренебрежение емкостью элементов цепи (для воздушных линий 330 кВ и выше, а также кабельных линий 110 кВ и выше необходимо учитывать емкостную проводимость этих линий);
е) пренебрежение намагничивающими токами трансформаторов.
При рассмотрении к. з. в точках системы, удаленных от источников питания, можно считать периодический ток незатухающим. В этом случае определяют начальный периодический ток к. з. I«.
Расчет тока к. з. при повреждениях вблизи генераторов в несложных системах проводят с использованием кривых, которые позволяют найти периодическую составляющую тока в месте к. з. для произвольного момента переходного процесса (см. раздел). При необходимости определения тока к. з. в отдельных ветвях системы в момент t можно использовать метод спрямленных характеристик, при котором генератор вводят в схему как э. д. с. Et и реактивное сопротивление Xt,
Определение тока к. з. для расчета релейной защиты элементов системы требует большей точности, чем для выбора аппаратов. В таких расчетах часто используются статические модели на постоянном и переменном токе.
В современных мощных энергосистемах с большим числом станций, наличием сетей нескольких напряжений и сложной схемой уточненные расчеты тока к. з. проводят с использованием ЭВМ. Сейчас азработаны программы для расчета тока в начальный момент к. з. при всех видах к. з. в сетях различных напряжений. Программы предусматривают учет следующих факторов:
а) различие э. д. с. источников по модулю и фазе;
б) различные случаи взаимной индукции между линиями;
в) линии 330 и 500 кВ введены Т-образными схемами замещения, элементы которых учитывают линию как цепь с распределенными параметрами.
Программа построена на использовании метода узловых потенциалов или контурных токов.
В случае сложных систем предварительно производится эквивалентирование отдельных частей системы. Разработаны алгоритмы и программы такого эквивалентирования.