Меню

Вектор тока в земле

Опишите применение в электроэнергетике: Векторная диаграмма токов в месте двухфазного короткого замыкания на землю.

date image2015-07-14
views image3410

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Для уяснений условий работы реле удобно использовать векторные диаграммы подведенных к ним напряжений и токов. За основу построения векторных диаграмм приняты следующие исходные положения: для упрощения рассматривается начальный момент КЗ на ЛЭП с односторонним питанием при отсутствии нагрузки (рис.1.3, а); для получения действительных углов сдвига фаз между токами и напряжениями учитывается падение напряжения не только в индуктивном, но и в активном сопротивлении R цепи КЗ; электрическая система, питающая место КЗ, заменяется одним эквивалентным генератором с фазными ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, представляющими симметричную и уравновешенную *1 систему векторов, относительно которых строятся векторы токов и напряжений.

Для упрощения построения диаграмм обычно рассматриваются металлические КЗ, при которых переходное сопротивление в месте замыкания RП = 0. За положительное направление токов принимается их направление от источника питания к месту повреждения, соответственно положительными считаются ЭДС и падения напряжения, направления которых совпадают с направлением положительного тока.

Двухфазное короткое замыкание на землю (К(1,1)). Этот вид КЗ также может возникать только в сети с глухозаземленной нейтралью (см. рис.1.2, г). Векторная диаграмма КЗ на землю двух фаз приведена на рис.1.7 для точек К и Р. Под действием ЭДС ЕВ и ЕС в поврежденных фазах В и С протекают токи IВк и IСк замыкающиеся через землю:

В неповрежденной фазе ток отсутствует:

Сумма токов всех трех фаз с учетом (1.8) и (1.9) не равна нулю: IАк+IВк+IСк=IК(3)=3I0, полные токи содержат составляющую НП.

В месте КЗ напряжения поврежденных фаз В и С, замкнутых на землю, равны нулю: UBK=UCK=0. Напряжение между поврежденными фазами также равно нулю: UBCK=0. Напряжение неповрежденной фазы UAK остается нормальным (если пренебречь индукцией от токов IВк и IСк). В точке К треугольник междуфазных напряжений (рис.1.7, в) превращается в линию, а междуфазные напряжения между поврежденными и неповрежденными фазами UAB и UCA снижаются до фазного напряжения UAK.. Диаграмма токов и напряжений для точки Р построена на рис.1.7, б.

В связи с увеличением напряжений UBР и UСР увеличиваются и междуфазные напряжения, растет площадь треугольника междуфазных напряжений и уменьшается напряжение НП:

Рис.1.7. Двухфазное КЗ на землю: а — схема; векторные диаграммы токов и напряжений в месте КЗ и в месте установки реле Р (б); напряжения нулевой последовательности и фазных напряжений в месте КЗ (в) и в точке Р (г)

Векторные диаграммы при двухфазных КЗ на землю имеют следующие особенности:

1) токи и напряжения несимметричны и неуравновешены, что обусловливает появление кроме прямой составляющих НП и ОП;

2) из-за резкого снижения напряжений в месте КЗ этот вид повреждения после К(3) является наиболее тяжелым для устойчивости энергосистемы и потребителей электроэнергии.

1. Раскройте содержание следующих терминов: Защита трансформаторов. Повреждения и ненормальные режимы работы. Защита от внешних КЗ. Защита от перегрузок. Токовая отсечка

2. Раскройте содержание следующих терминов: Защита генераторов. Защита цепи возбуждения от замыканий на землю.Защита ротора от перегрузки.Защита от потери возбуждения.

3. Дайте формулировку определений: Надежность и Надежность энергосистемы

4. Рассмотрите составление схемы замещения обратной последовательности.

5. Опишите применение в электроэнергетике: Векторная диаграмма напряжений в месте однофазного короткого замыкания.

1. Раскройте содержание следующих терминов: Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Токи и напряжения при ОЗЗ. Расчет емкостных токов сети с малым током замыкания на землю. Трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП).

2. Раскройте содержание следующих терминов: Защита электродвигателей. Защита от междуфазных КЗ.Защита от замыканий на землю и перегрузки.Защита минимального напряжения.

3. Рассмотрите понятия Объединенное диспетчерское управление (ОДУ) и Региональное диспетчерское управление (РДУ)

4. Рассмотрите составление схемы замещения нулевой последовательности.

5. Раскройте содержание следующих терминов: Векторная диаграмма токов в месте однофазного короткого замыкания

Раскройте содержание следующих терминов: Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Токи и напряжения при ОЗЗ. Расчет емкостных токов сети с малым током замыкания на землю. Трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью.Допустим, что повредилась фаза А (см. рис.9.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (UA = 0). Напряжение нейтрали UN(1) по отношению к земле становится равным UN = UKN (рис.9.1 и 9.2, б), т.е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

Напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений UB(1)= UBA и UС(1)= UСA. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рис.9.1 и 9.2.

Токи при замыкании на землю.В месте повреждения К проходят токи, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз сети (9.1). Поскольку UA= 0, то IA(C) = 0. В двух других фазах под действием напряжений U’U’Cпоявляются токи, опережающие на 90° эти напряжения:

Ток Iз(C) в месте повреждения равен сумме токов в фазах В и С (рис.9.1): Iз(C) = (IB(C) + IC(C)). С учетом (9.3)

Таким образом, ток Iз(C) равен утроенному значению нормального емкостного тока фазы Iф(C) = Uф/XC. Из рис.9.2, б видно, что ток Iз(C) опережает от UN на 90°. Ток Iз(C) может быть определен по формуле

где l – общая протяженность одной фазы сети; Суд – емкость 1 км фазы относительно земли.

В воздушных сетях Iз(C) находится в пределах от долей до нескольких десятков ампер; в кабельных – от нескольких ампер до 200-400 А в сетях больших городов.

Токи и напряжения нулевой последовательности при замыканиях на землю.При замыкании на землю в фазных напряжениях и токах появляются составляющие НП:

Подставляя в(9.5) значения U’В и U’С, получаем

Поскольку сопротивление проводов значительно меньше ХС,во всех точках сети Uo= UoK. Токи I0, возникающие под действием UoK,замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются. Из распределения токов I, показанного на рис.9.3, следует:

где Uф – нормальное напряжение поврежденной фазы.

Из приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что емкостный ток в месте замыкания
(9.9)

Токи 3I0(C) и Iз(C) совпадают по фазе и опережают вектор напряжения.

Принцип работы трансформатора тока нулевой последовательности основан на сложении значений тока во всех трех фазах защищаемого участка. В нормальном(симметричном) режиме сумма значений фазных токов равна нулю. В случае возникновения однофазного замыкания, в сети появятся токи нулевой последовательности и сумма значений токов в трех фазах будет отлична от нуля, что зафиксирует измерительный прибор (например, амперметр), подключенный ко вторичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности.

2). В обмотках электродвигателей могут возникать замыкания на землю одной фазы статора, замыкания между витками и многофазные короткие замыкания. Многофазные короткие замыкания и замыкания на землю могут также возникнуть на выводах электродвигателей, в кабелях, муфтах и воронках. Так же как и повреждения других электрических машин и аппаратов, короткие замыкания в электродвигателях сопровождаются прохождением больших токов, разрушающих изоляцию и медь обмоток, сталь ротора и статора.
Для защиты электродвигателя от многофазных коротких замыканий служит токовая отсечка или продольная дифференциальная защита, действующая на отключение.

Электродвигатели напряжением до 500 В защищаются от коротких замыканий с помощью плавких предохранителей или быстродействующих электромагнитных расцепителей автоматов.
Однофазные замыкания на землю в обмотках статора электродвигателей напряжением 3—10 кВ, являющиеся также распространенным видом повреждения, менее опасны, чем короткие замыкания, так как сопровождаются прохождением токов порядка 5—20 А, определяемых емкостным током сети.

б) Ненормальные режимы работы

Длительное прохождение по обмоткам электродвигателей токов, превышающих номинальный, является ненормальным режимом, так как может повлечь за собой повреждение электродвигателей.
Допустимое время перегрузки электродвигателей определяется согласно следующему упрощенному выражению:

где t — допустимое время перегрузки, с; — кратность тока электродвигателя по отношению к номинальному; А — коэффициент, зависящий от типа и исполнения электродвигателя.
Величину коэффициента А можно ориентировочно принимать равной: 250 — для закрытых электродвигателей, имеющих большой вес и размеры; 150 — для открытых электродвигателей.
Перегрузка электродвигателей может иметь место как вследствие перегрузки механизмов, например завала углем мельницы или дробилки, забивания пылью вентиляторов или кусками шлака насоса золоудаления и т. п., так и вследствие их неисправности, например повреждения подшипников и т. п.
Токи, значительно превышающие номинальные, проходят при пуске и самозапуске электродвигателей. Это происходит потому, что при уменьшении скорости вращения уменьшается сопротивление электродвигателя. В результате ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается при снижении скорости вращения.
Зависимость тока электродвигателя 1 от скорости вращения n при постоянном напряжении на его выводах приведена на рис. 11-2. Наибольший ток проходит, когда ротор электродвигателя остановлен. Этот ток, называемый пусковым, в несколько раз превышает номинальный ток электродвигателя.
Защита от перегрузки может действовать на сигнал, разгрузку механизма или отключение электродвигателя.

При коротких замыканиях в сети напряжение на выводах электродвигателя понижается, вследствие чего создаваемый им вращающий момент уменьшается и становится меньше противодействующего момента механизма. В результате скорость вращения электродвигателя уменьшается тем больше, чем глубже было снижение напряжения и чем дольше оно продолжалось.
После отключения короткого замыкания напряжение на выводах электродвигателя восстанавливается и скорость его вращения начинает увеличиваться. При этом по обмоткам электродвигателя проходят большие токи, величина которых
определяется скоростью вращения электродвигателя и напряжением на его выводах. Снижение скорости вращения всего на 10—25% приводит к уменьшению сопротивления электродвигателя до минимального значения, соответствующего пусковому току. Восстановление нормальной работы электродвигателя после отключения короткого замыкания называется самозапуском, а токи, проходящие при этом, — токами самозапуска.
На всех асинхронных электродвигателях самозапуск может быть осуществлен без опасности их повреждения, и поэтому защита должна быть отстроена от режима самозапуска. От возможности и длительности самозапуска асинхронных электродвигателей основных механизмов собственного расхода зависит бесперебойная работа тепловых электростанций. Поэтому, если из-за большого снижения напряжения нельзя обеспечить быстрого самозапуска всех работающих электродвигателей, часть из них приходится отключать. Для этого используется специальная защита минимального напряжения, отключающая неответственные электродвигатели при снижении напряжения на их выводах до 60— 70% номинального.

Читайте также:  Магнитный ток пронизывающий площадь плоского контура

В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвигатель продолжает работать. Скорость вращения ротора при этом несколько уменьшается, а обмотки двух неповрежденных фаз перегружаются током, в 1,5—2 раза больше номинального. Защита электродвигателя от работы на двух фазах, как правило, не устанавливается, так как опыт эксплуатации показывает, что при качественном монтаже коммутационных и защитных устройств и правильном выборе плавких предохранителей обрыв фазы происходит весьма редко. Применение специальной защиты от работы двигателей на двух фазах допускается лишь в порядке исключения для электродвигателей, защищенных предохранителями, если двухфазный режим работы может повлечь за собой выход двигателя из строя.

Источник

Проект РЗА

Сайт о релейной защите и цифровых технологиях в энергетике

Моделирование коротких замыканий — опыт 2

Векторные диаграммы токов - программа

Приветствую, коллеги!

Сегодня будем строить векторные диаграммы токов однофазного, двухфазного и двухфазного на землю коротких замыканий. Это означает, что мы приступаем ко второму опыту в нашей Виртуальной лаборатории.

Вот, что мы сделаем – возьмем наш рабочий файл и сымитируем все виды коротких замыканий при помощи связанных векторных диаграмм (первый опыт мы делали здесь ). Посмотрим, как изменяются составляющие симметричных последовательностей (прямой, обратной и нулевой) по величине и направлению. И самое главное – сравним это все с классическим учебником по переходным электромеханическим процессам. Уверен, эта книга многим знакома по учебе в институте. — С.А. Ульянов “Электромагнитные переходные процессы” (стр. 315-323):

Например, вот так выглядит классическое однофазное короткое замыкание в учебнике (1) и в нашем сегодняшнем опыте (2):

Однофазное КЗ - векторная диаграмма

Программа для построения векторных диаграмм

Как видите, диаграммы очень похожи.

По ходу опытов с векторными диаграммами токов КЗ мы будем останавливаться на физическом смысле полученных результатов и даже немного посчитаем для того, чтобы убедиться в полном соответствии с учебником.

Изменяйте фазные вектора, чтобы увидеть, как меняются последовательности. Поэкспериментируйте, придумайте свои опыты и пишите в комментариях, что получилось. Самое интересное потом выложим на проекте.

А вот и само видео опытов моделирования несимметричных КЗ:

Наша рубрика называется Виртуальная лаборатория релейной защиты поэтому, после просмотра видео предлагаю вам самим провести опыты в нашей программе.

Для этого оформите подписку на наши новости в этой форме

После подтверждения подписки в течении 10-15 минут вам придет письмо с ссылкой на скачку программы.

Внимание! Для работы с программой требуется MS Visio 2003-2010

P.S. Коллеги, мы надеемся, что наши материалы приносят пользу и хотим, чтобы Проект “РЗА” развивался и становился более популярным. Поэтому просим отставлять ссылки на сайт внутри скачанной программы . Спасибо!

Здравствуйте, для наглядности метода симметричных составляющих, хотелось бы увидеть следующую трехфазную модель работающую на холостом ходе:
генератор-блочный трансформатор(24/220кВ)-ВЛ-220кВ-трансформатор (220/10кВ)-ВЛ-10кВ-трансформатор (10/0.4кВ) и на данной модели продемонстрировать все виды КЗ на ВЛ-220кВ и ВЛ-10кВ с фиксацией полных токов в нейтралях и обмотках НН трансформаторов, а также проводах ВЛ и дальнейшем разложении их на симметричные составляющие. Спасибо.

Здравствуйте! Мы подумаем над этим. Просто для таких схем Visio перестает быть удобным инструментом, так как не работает с комплексными числами (или я еще этого не нашел). А сворачивать схему замещения покомпонентно — занятие не самое интересное. Но, конечно, такая схема будет богата на следствия.

Лучше сделать модель в SimPowerSystems или в другом симуляторе и наглядно показать реальный процесс КЗ, а потом подвести под это метод симметричных составляющих

Зависит от целей. SimPowerSystem это замечательный пакет для серьезного моделирования и расчетов. Сейчас цель — простота, наглядность, интерактивность. В Simulink не так просто в реальном времени «схватиться» за вектор мышкой и посмотреть что же произойдет.

В любом случае, по крайней мере для меня, лучше увидеть процесс протекания полных токов при различных видах КЗ, а не ломать голову как ток Io течет по неповрежденной фазе, потом по виртуальной закоротке стекает в землю или как он циркулирует в треугольнике и не выходит за него

Дмитрий, может и до таких моделей дойдем) пока Лаборатория скорее для наглядной иллюстрации какой-нибудь одной главы из книги..

Было бы шикарно, если бы Вы оживили рис. 14-13 из Ульянова, предварительно составив схемы замещения для последовательностей. Желательно иметь возможность задавать параметры Г, Т и линии, по которым будут выполнены расчеты, чтобы эпюры и векторы последовательностей строились в масштабе.

И не говорите, действительно шикарно). У нас сейчас есть небольшой план, что мы хотим показать в «Лаборатории». Разберемся с обязательной программой и, скорее всего, попробуем.

Ок, Андрей, тогда предлагаю следующую модификацию. Добавляем градусы для всех диаграмм! Уже можно примерно прикидывать углы. Единственное, не смог подвинуть вектора, они зафиксированы?

мы рассмотрим предложение)
Двигать можно только вектора верхней левой ВД. Попробуйте выделить вектор и потянуть за зеленый маркер. Дело в том, что если вы сдвинули другие вектора, то формулы внутри них могли исчезнуть. Тогда можно файл скачать заново.

ого, тут уже пошли модификации)) круто!

Кстати, отличная идея.. Это прям настоящий стенд будет. Но сейчас на подходе группы соединения обмоток и трансформация токов через них, а также опыт с реле направления мощности. Но на заметку возьмем, спасибо!

Парни, ну программа классная, конечно. У самого давно ходила мысль сделать что-либо подобное, но за неимением времени делал в Экселе комплексную плоскость с шагом в 15 градусов). Как вы смотрите на то, чтобы добавить еще одну векторную систему? Это может быть и напряжение, и ток (смотрим, напримет, диф. защиту). Хотел бы обратить внимание на следующие моменты. В книге ведется построение при чисто индуктивных сопротивлениях, что можно видеть на ВД напряжений и токов. Но интересно другое — вектор тока обратной последовательности опережает вектор напряжения! Что, в принципе, легко доказывается). А если добавлять влияние R, то картина станет еще занятнее. Есть ли возможность показывать градусы векторов?

Спасибо! Скоро будет векторная диаграмма для РНМ. Там будет и переходное сопротивление в точке КЗ и активно-индуктивные сопротивления линий. Все можно менять и смотреть влияние на ВД. Углы конечно можно показывать, только определиться с «точкой» отсчета)

Ну как, точка отсчета есть ось ОХ (действительные значения), а что думать). Вы же и как-то фазу А ориентируете).

Как один из вариантов. Но обязательно же захочется видеть углы не относительно оси ОХ для всех векторов, а углы МЕЖДУ векторами (например, между одноименными токами и напряжениями). Так что, если будем вставлять углы, то подумаем о возможности переключаться между режимами отображения.

Обязательно захочется большего). Может еще оставить на откуп пользователю выбор двух векторов, между которыми нужно смотреть угол?

ну всё, это в автокаде только так можно))

Добрый день, в программе нельзя сымитировать замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью, когда напряжение одной фазы уменьшается, а других растет.

Здесь только токи, напряжений вообще нет

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник



Векторные диаграммы токов и напряжений при коротком замыкании КЗ в сети

Назначение и условия построения векторных диаграмм. Для уяснений условий работы реле удобно использовать векторные диаграммы подведенных к ним напряжений и токов. За основу построения векторных диаграмм приняты следующие исходные положения: для упрощения рассматривается начальный момент КЗ на ЛЭП с односторонним питанием при отсутствии нагрузки (рис.1.3, а); для получения действительных углов сдвига фаз между токами и напряжениями учитывается падение напряжения не только в индуктивном, но и в активном сопротивлении R цепи КЗ; электрическая система, питающая место КЗ, заменяется одним эквивалентным генератором с фазными ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС, представляющими симметричную и уравновешенную *1 систему векторов, относительно которых строятся векторы токов и напряжений.

Для упрощения построения диаграмм обычно рассматриваются металлические КЗ, при которых переходное сопротивление в месте замыкания RП = 0. За положительное направление токов принимается их направление от источника питания к месту повреждения, соответственно положительными считаются ЭДС и падения напряжения, направления которых совпадают с направлением положительного тока.

Векторная диаграмма при трехфазном КЗ. На рис.1.4, а показана ЛЭП, на которой возникло металлическое замыкание трех фаз в точке К. Построение векторной диаграммы (рис.1.4, б) начинается с фазных ЭДС ЕА, ЕВ, ЕС. Под действием фазных ЭДС в каждой фазе возникает ток КЗ:

где ЕФ – фазная ЭДС системы; ZС, RС, XС; ZЛ.К, RЛ.К, XЛ.К – противления системы и поврежденного участка ЛЭП (рис. 1.4, а).

Токи IАк=IВк=IСк= имеют сдвиг по фазе относительно соответствующих ЭДС:

Рис.1.4. Трехфазное КЗ:

а – схема; б — векторная диаграмма токов и напряжений

Напряжения в точке К равны нулю: UАк=UВк=UСк=0. Фазные напряжения в месте установки РЗ, в точке Р (рис.1.4, а), UАР=IАкRЛ.К+jIАкXЛ.К определяются на диаграмме (рис.1.4, б) как сумма падений напряжения в активном сопротивлении IАк,совпадающего по фазе с вектором IАк, и в реактивном сопротивлении IАк , сдвинутого на 90° относительно IАк. Аналогично строятся векторы UBP иUCP. Модули (абсолютные значения) UAP, UBP,UCP имеют одинаковые значения, каждый из этих векторов опережает ток одноименной фазы на угол φк = arctg(XЛ.К/RЛ.К). Для ЛЭП 35 кВ этот угол равен 45 – 55°, 110 кВ – 60–78°, 220 кВ (один провод в фазе) – 73–82°, 330 кВ (два провода в фазе) – 80–85°, 500 кВ (три провода в фазе) – 84–87°, 750 кВ (четыре провода в фазе) – 86–88°. Большее значение φк соответствует большему сечению провода, так как чем больше сечение, тем меньше R.

Из рассмотренных диаграмм трехфазных КЗ следует: 1) векторные диаграммы токов и напряжений являются симметричными и уравновешенными, так как в них отсутствуют составляющие обратной и нулевой последовательностей; 2) трехфазное КЗ сопровождается резким снижением всех междуфазных напряжений (как в месте КЗ, так и вблизи от него). В результате этого К(3) является самым опасным повреждением для устойчивости параллельной работы энергосистемы и потребителей электроэнергии.

Читайте также:  Эпиляция током в туле

Двухфазное короткое замыкание. На рис.1.5, а показано металлическое КЗ между фазами В и С ЛЭП. Под действием междуфазной ЭДС ЕВС (рис.1.5, а) возникают токи КЗ IВк и IСк.

Их значения определяются по формуле IК(2)=ЕВС/2ZФ, где 2 – полное сопротивление прямой последовательности двух фаз (2ZФ=ZВ+). Токи в поврежденных фазах равны по значению, но противоположны по фазе, а ток в неповрежденной фазе равен нулю (при неучете нагрузки):

Ток нулевой последовательности (НП) при К(2) отсутствует, так как сумма токов трех фаз IA+IB+IC= 0.

Векторная диаграмма в точке К. На рис.1.5, б построены векторы фазных ЭДС и ЭДС между поврежденными фазами ЕВС. Вектор тока КЗ IкВ отстает от создающей его ЭДС

Напряжение неповрежденной фазы А одинаково в любой точке сети и равно фазной ЭДС: UA=EA. Поскольку междуфазное напряжение при металлическом КЗ в точке КЗ UBCк=UBк – U = 0, то:

т.е. фазные напряжения поврежденных фаз в месте КЗ равны по модулю и совпадают по фазе.

Поскольку фазные напряжения при двухфазном КЗ не содержат составляющих НП, в любой точке сети должно удовле­творяться условие:

Следовательно, в месте КЗ напряжение каждой поврежденной фазы равно половине напряжения неповрежденной фазы и противоположно ему по знаку. На диаграмме вектор UAK совпадает с вектором EA, а векторы UBK и UCK – равны друг другу и противоположны по фазе вектору EA.

Векторная диаграмма в точке P приведена на рис.1.5, в. Векторы токов остаются без изменения. Напряжения фаз В и С в точке Р равны:

Двухфазные КЗ характеризуются двумя особенностями:

1) векторы токов и напряжений образуют несимметричную, но уравновешенную систему, что говорит об отсутствии составляющих НП. Наличие несимметрии указывает, что токи и напряжения имеют составляющие обратной последовательности (ОП) наряду с прямой;

2) фазные напряжения даже в месте КЗ существенно больше нуля, только одно междуфазное напряжение снижается до нуля, а значение двух других равно 1,5. Поэтому двухфазное КЗ менее опасно для устойчивости ЭЭС и потребителей электроэнергии.

Однофазное короткое замыкание (К(1)). Замыкание на землю одной фазы вызывает появление тока КЗ только в электрических сетях 110 кВ и выше, работающих с глухозаземленными нейтралями трансформаторов. Характер токов и напряжений, появляющихся при этом виде повреждения на фазе А, поясняет рис.1.6, а.

Ток КЗ Iак возникающий под действием ЭДС ЕА, проходит по поврежденной фазе от источника питания G и возвращается обратно по земле через заземленные нейтрали N трансформаторов:

Рис.1.6. Однофазное КЗ:

а — схема; векторные диаграммы токов и напряжений в месте КЗ (б) и в месте установки реле Р (в), токов (г) и напряжений (д) симметричных составляющих в месте КЗ

Индуктивные и активные сопротивления в этом выражении соответствуют петле фаза-земля и отличаются от значений сопротивлений фаз при междуфазных КЗ. Вектор IАк отстает от вектора ЭДС ЕА на угол В неповрежденных фазах токи отсутствуют.

Напряжение поврежденной фазы А в точке К UАК=0. Напряжения неповрежденных фаз *2 В и С равны ЭДС этих фаз:

Геометрические суммы фазных токов и напряжений равны:

Отсюда ясно, что фазные токи и напряжения содержат составляющие НП:

Вектор IK совпадает по фазе с IAK вектор UK противоположен по фазе EA и равен 1/3 нормального (до КЗ) значения напряжения поврежденной фазы А:

Векторная диаграмма в точке Р при К(1) приведена на рис.1.6, в. Ток фазы А остается неизменным. Напряжение поврежденной фазы

Как следует из диаграммы, UoP

Источник

Вектор тока в земле

Алексей Шалин, д.т.н., профессор
Елена Кондранина, бакалавр
Кафедра электрических станций,Новосибирский государственный технический университет

В предыдущих номерах журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(39), 4(40), 5(41) 2006, www.news.elteh.ru) были опубликованы статьи, в которых новосибирские ученые рассмотрели разновидности небалансов в направленных токовых защитах от однофазных замыканий на землю, а также порядок их расчета.
Сегодня авторы предлагают читателям разработанную ими методику расчета уставок направленных защит в сетях с резистивно-заземленной нейтралью.

На рис. 1 приведена схема радиальной сети, на примере которой рассмотрим некоторые особенности расчета уставок направленных токовых защит в сетях с резистивным заземлением нейтрали. В сети установлен один заземляющий резистор – в нейтрали питающего трансформатора. На рис. 2 показано токораспределение при ОЗЗ в рассматриваемой сети. Силовой питающий трансформатор на схеме не указан.
В рассматриваемой схеме следует установить как минимум два вида защит от ОЗЗ:

  • на отходящих фидерах;
  • на вводе.

ЗАЩИТА ОТХОДЯЩЕГО ФИДЕРА

В настоящее время на отечественном рынке представлено значительное количество устройств направленной защиты от ОЗЗ, которые могут быть использованы в резистивно-заземленных сетях по рис. 1, 2. Наибольшее распространение получили направленные токовые защиты, реагирующие на составляющую промышленной частоты тока нулевой последовательности, с фазовыми характеристиками двух типов, изображенных на рис. 3. Фазовой характеристикой первого типа (рис. 3, а) обладает, например, защита типа УЗЛ производства НГТУ [1] (похожую характеристику имеет также защита типа ЗЗН отечественного производства и ряд микропроцессорных импортных защит [2–8]). Такие защиты реагируют как на активную, так и на емкостную составляющие токов ОЗЗ.


Рис. 1. Схема сети

Рис. 2. Токораспределение при ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора

C1, C2, C3 – суммарные емкости относительно земли трех фаз линий Л-1, Л-2, Л-3 соответственно;
R – сопротивление заземляющего резистора;
RП – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;
A – фазная ЭДС в месте ОЗЗ.

Фазовой характеристикой второго типа (рис. 3, б) обладают защиты, реагирующие только на активную (или только на емкостную) составляющую тока нулевой последовательности. Эти защиты также содержатся в некоторых импортных микропроцессорных терминалах.
При выборе типа защиты следует иметь в виду, что характеристика первого типа обеспечивает работоспособность защиты не только в нормальном режиме – при наличии в сети заземляющего резистора, но и при выходе последнего из строя и работе сети в режиме с изолированной нейтралью. Защита при этом будет работать хуже, но в принципе останется работоспособной.
Характеристика второго типа в большей степени соответствует самой идее использования заземляющего резистора – защита срабатывает только в том присоединении, по которому протекает активный ток этого резистора, т.е. идеально выявляет поврежденное присоединение. Однако при выходе заземляющего резистора из строя сеть остается без защиты от ОЗЗ. При применении таких защит целесообразно использовать надежные заземляющие резисторы, способные длительное время находиться под напряжением без опасности перегреться и выйти из строя. Не следует подключать резисторы через длинные кабели, которые могут часто повреждаться. Кроме того, как будет показано ниже, защиты такого рода следует применять с кабельными трансформаторами тока нулевой последовательности, не дающими значительных угловых погрешностей.
Применительно к микропроцессорным терминалам возможно одновременное использование обеих характеристик, например, переключаясь (автоматически или дистанционно по команде диспетчера) с одной характеристики на другую при изменении режима работы силовой системы.
Следует отметить, что при использовании любой из характеристик (рис. 3) в процессе монтажа и наладки защиты необходимо провести весьма ответственную операцию: фазировку цепей тока и напряжения. Следует убедиться в том, что полярность цепей тока и напряжения для каждого устройства защиты выдержана правильно и соответствующее устройство будет работать при ОЗЗ на защищаемом присоединении и не станет срабатывать при внешних ОЗЗ. Опыт работы показывает, что без такой проверки, сопровождающейся опытами искусственного ОЗЗ, невозможно быть полностью уверенным, что схема защиты собрана верно.


Рис. 3. Фазовые характеристики направленных токовых защит от ОЗЗ, применяемых в резистивно-заземленных сетях:
а – характеристика первого типа;
б – характеристика второго типа

Прежде чем приступить к выбору параметров защит от ОЗЗ, рассмотрим некоторые основные положения. В разных источниках по-разному представлены векторные диаграммы токов и напряжений нулевой последовательности при ОЗЗ. На рис. 4 показана векторная диаграмма, встречающаяся в некоторых источниках. Здесь полярность напряжения нулевой последовательности 3 на выводах вторичной обмотки трансформатора напряжения, собранной по схеме «разомкнутого треугольника», представлена обратной относительно соответствующего первичного напряжения. Вектор тока 3 0повр в поврежденной линии состоит из емкостной составляющей 3 C и активной 3 R и опережает вектор напряжения 3 на угол j П, зависящий от отношения тока заземляющего резистора и суммарного емкостного тока сети, а также от значения емкостного тока поврежденного присоединения (подробнее см. в [9]).
Вектор тока нулевой последовательности в неповрежденной линии 3 0неп отстает от напряжения 3 на угол, несколько превышающий 90 электрических градусов (из-за учета тока активной утечки через изоляцию).
На рис. 5 представлена характеристика реле защиты, соответствующая изображенной на рис. 3, а (в предположении, что вектор вторичного напряжения повернут относительно аналогичного вектора первичного напряжения в противоположную сторону). В международной практике принято говорить, что такая характеристика соответствует коду ANSI 67N/67NS.
Расчет параметров защиты начнем с выбора характеристического угла j , соответствующего середине зоны срабатывания. В [9] показано, что угол j П тока 3 0повр в поврежденной линии при IR = IC S (где IR – ток заземляющего резистора, IC S – суммарный емкостный ток сети) может лежать в пределах от –45 до 0 электрических градусов. Очевидно, что значение характеристического угла j желательно установить в тех же пределах. Если IR IC S , пределы изменения угла j П изменяются, тогда может быть выбрано другое значение угла j .


Рис. 4. Векторная диаграмма токов и напряжений нулевой последовательности при ОЗЗ в сети

ЗОНА СРАБАТЫВАНИЯ

Для защиты с характеристикой первого типа эта зона должна с запасом охватывать диапазон углов от 0 до –90 электрических градусов. Такая защита должна правильно работать как при протекании по поврежденной ЛЭП только активного тока (например, если по условиям эксплуатации в работе осталась одна линия и на ней произошло замыкание), так и в режимах, когда заземляющий резистор по какой-то причине отключен и по линиям протекает лишь емкостная составляющая тока. Примем j = –45 О , как показано на рис. 5. Не во всех случаях удается реально выставить такое значение угла, но в большинстве устройств это значение входит в допустимый набор. Если значение j = –45 О выставить не удается, следует принять ближайшее значение из возможных.
Угол j 1 часто называют термином «сектор». В большинстве устройств защиты его значение можно выставить в пределах 76–86 электрических градусов, при этом j 1 = j 2. Очевидно, что выбранная описанным выше образом зона срабатывания защиты с запасом «перекрывает» диапазон от 0 до –90 электрических градусов, обеспечивая эффективную работу защиты как при наличии, так и при выходе из строя заземляющего резистора. Имеющийся запас учитывает следующие погрешности:

  • Отечественные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) при малых первичных токах, а также при больших токах и значительной нагрузке по вторичным цепям способны давать весьма большие угловые погрешности (например, по данным изготовителей, при малых, порядка долей ампера, токах – до 30 электрических градусов). При больших токах в десятки ампер угловые погрешности в большой степени зависят от вторичной нагрузки ТТНП, но их величина также может быть значительной. По этой причине многие производители защит от ОЗЗ четко оговаривают те типы ТТНП, с которыми их защиты способны эффективно работать.
  • Еще хуже дело обстоит, если в качестве источника токов нулевой последовательности используется трехтрансформаторный фильтр, как это обычно бывает в сетях 35 кВ.В этом случае для расчета небаланса на выходе такого фильтра целесообразно использовать руководящие указания [10]. Большинство импортных чувствительных защит от ОЗЗ требуют установки в сетях с воздушными ЛЭП кабельных вставок, в цепь которых включаются специальные кабельные ТТНП.
  • Значения углов j 1, j 2 в некоторых устройствах защиты существенно зависят от напряжения 3 . При ОЗЗ через переходное сопротивление углы j 1, j 2 могут уменьшаться по сравнению со случаем металлического ОЗЗ. При этом зона защиты сужается и устройство может отказать в срабатывании.
  • Описанные выше особенности относились к необходимости обеспечить высокую «устойчивость функционирования» защиты в режиме повреждения на защищаемом объекте. С этой точки зрения при внешних ОЗЗ также важен угол между током нулевой последовательности в защите неповрежденного присоединения и правой верхней границей зоны срабатывания: j зап = 90 – j 1 + j . При выбранных выше параметрах фазовой характеристики j зап > 45 O , что в большинстве случаев с запасом перекрывает возможные угловые погрешности ТТНП и обеспечивает недействие защиты при внешних ОЗЗ.


Рис. 5. Характеристика реле защиты

ВЫБОР УСТАВКИ ПО ТОКУ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ IСЗmin

Это является следующим важным этапом расчета уставок. Как известно, минимальный ток срабатывания направленных токовых защит не требуется отстраивать от емкостного тока защищаемого присоединения при внешнем ОЗЗ (см. рис. 2). Его надо отстраивать от суммарного максимального тока небаланса Iнб S , который может протекать по рассматриваемому устройству защиты при внешнем ОЗЗ и вектор которого может располагаться в пределах зоны срабатывания защиты:

IСЗmin = kнIнб S , (1)

где kн– коэффициент запаса, значение которого можно принять равным 1,2 (для микропроцессорных терминалов иногда допускается kн = 1,1–1,15).
Строго говоря, значение Iнб S необходимо рассчитать с учетом рекомендаций, приведенных в [11]. Отстроиться от экстремальных небалансов, возникающих, например, при явлениях феррорезонанса, как правило, не удается, но от «рядовых» небалансов отстроиться необходимо. Сложность в том, что в процессе проектирования защиты обычно нет достаточной информации для вычисления некоторых составляющих суммарного небаланса и пользоваться рекомендациями [11] чаще приходится уже в процессе эксплуатации, когда необходимая информация доступна.
В процессе проектирования защиты можно исходить из обратного: обеспечения необходимой чувствительности. Например, при расчете уставок защиты кабельной линии, при ОЗЗ на которой не бывает больших переходных сопротивлений, можно определить значение IСЗmin следующим образом:

IСЗmin = IR / kч.норм, (2)

где kч.норм = 1,5–2 – нормируемый коэффициент чувствительности.
Выбранное по (2) значение IСЗmin обеспечивает необходимую чувствительность защиты с запасом в режиме, когда заземляющий резистор исправен и нормально работает. Для обеспечения необходимой чувствительности защиты при выходе из строя заземляющего резистора следует дополнительно к (2) обеспечить справедливость условия (3):

IСЗmin = I ‘ СS / kч.норм, (3)

где I ‘ СS – суммарный минимальный емкостный ток сети за вычетом емкостного тока защищаемого присоединения в реальном «минимальном» режиме сети.
Из двух полученных по (2), (3) значений IСЗmin, необходимо принять меньшее.
В процессе эксплуатации придется убедиться в том, что выбранное по условиям (2), (3) значение IСЗmin соответствует также условию (1), т.е. защита не сработает излишне при внешних ОЗЗ от реально существующих в сети небалансов.


Рис. 6. Зависимая характеристика выдержки времени защиты от ОЗЗ

При расчете уставок защиты воздушной линии, кроме условий (2), (3), необходимо в соответствии с рекомендациями [12] рассчитать максимальное переходное сопротивление RПЕР, при котором защита будет способна отключить ОЗЗ и проверить, соответствуют ли они условиям эксплуатации. Желательно, чтобы защита была способна «чувствовать» ОЗЗ через переходное сопротивление порядка 3–5 кОм.

ВЫБОР УСТАВКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ UСЗmin

Опыт показывает, что небаланс по напряжению нулевой последовательности 3 0неб чрезвычайно редко (при отсутствии феррорезонанса) превышает значение 2,5 В. В связи с этим можно принять UСЗmin = 5–7,5 В. При этом следует иметь в виду, что рассматриваемое устройство защиты от ОЗЗ будет чувствительнее стандартных устройств сигнализации по 3 , имеющих уставку порядка 20 В, т.е., например, при срабатывании защиты на сигнал устройство сигнализации может и не сработать.

ВЫБОР УСТАВКИ ПО ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ tср

Время срабатывания защиты отходящего фидера определяется несколькими факторами: видом силовой установки, наличием распределительных пунктов или подстанций, питающихся от изображенных на рис. 1 фидеров, и т.д. Возможны также постоянная выдержка времени, не зависящая от входных сигналов защиты, и «токозависимая» выдержка времени типа изображенной на рис. 6.
В предыдущих статьях отмечалось, что защиты от ОЗЗ, не имеющие выдержки времени или с выдержкой времени порядка 0,1–0,2 с, в большей степени, чем при наличии выдержки времени 0,5–2,0 с, подвержены действию помех и «склонны неправильно работать» в переходных режимах. Однако имеются силовые объекты, например, карьеры и шахты, для которых нормативно определяется мгновенно действующая первая ступень защиты (защита отходящего фидера) и нормируется на уровне 0,5–0,7 с время действия второй ступени – защиты ввода. Для многих других силовых объектов вполне возможно введение выдержки времени порядка 0,5–2,0 с, что позволяет повысить помехозащищенность и в некоторых случаях несколько снизить уставки пусковых органов.
Например, в схеме по рис. 1 в случае, если отходящие фидеры питают распределительные пункты (РП) или подстанции, необходимо выдержку времени выполнить на уровне 1–1,5 с, чтобы на питаемых РП можно было принять выдержку времени 0,5 с. Следует иметь в виду, что вследствие более высокой по сравнению с традиционными реле точностью работы микропроцессорных терминалов ступень селективности для них может быть принята на уровне порядка 0,25 с.
На рис. 6 изображена токозависимая выдержка времени. В действительности МЭК и фирмы-производители предлагают потребителям больше 10 стандартных характеристик такого рода (см., например, их описание в [13]). Считается, что такие характеристики повышают селективность защиты. Действительно, при ОЗЗ по поврежденному присоединению протекает сумма емкостных токов остальных фидеров и ток заземляющего резистора. Если на защитах всех присоединений установить одинаковую токозависимую характеристику, то защита поврежденного присоединения сработает раньше (с выдержкой времени t2) и подействует на его отключение, в то время как выдержка времени защит неповрежденных присоединений (t1) еще не истекла. При действии защит на сигнал после срабатывания первой из защит действие остальных необходимо блокировать, иначе впоследствии по положению сигнальных реле невозможно будет выявить поврежденное присоединение.

ВРЕМЯ ЗАПОМИНАНИЯ

Во многих западных микропроцессорных терминалах имеется опция запоминания «клевка» защиты на время до 0,3 с. Эта опция весьма полезна, например, при установке защиты на отечественных кабелях с бумажно-масляной изоляцией, ОЗЗ в которых характеризуются «прерывистой» дугой. В кабеле возникает ОЗЗ, дуга разлагает мастично-масляную пропитку. В образовавшемся газовом пузыре дуга гаснет и образуется бестоковая пауза, во время которой защита от ОЗЗ, если она имеет задержку на срабатывание, может вернуться в исходное состояние. Затем дуга загорается снова и весь процесс повторяется. Опция запоминания клевка защиты не дает ей вернуться в исходное состояние во время бестоковой паузы, если эта пауза длится не более 0,3 с (эту величину можно регулировать).

ЗАЩИТА ВВОДА

К сожалению, на большинстве энергетических объектов (кроме шахт и карьеров) специальная защита вводов от ОЗЗ в настоящее время не предусматривается. В [14] и других источниках было показано, что при ОЗЗ на кабельной разделке защита соответствующего фидера не способна сработать, что может привести к весьма неприятным последствиям. Спасти ситуацию может защита ввода, которая обеспечит правильную работу всей системы также при перепутывании фаз первичных проводников, описанном в [14]. Например, в случае, изображенном на рис. 1, такая защита может быть выполнена по признаку наличия на шинах напряжения нулевой последовательности 3 в течение времени, превышающего максимальную из выдержек времени отходящих присоединений. Напряжение срабатывания такой защиты UСР. ВВОДА надо отстроить от максимального из напряжений срабатывания защит отходящих присоединений UСЗ.ФИДЕРА: UСР. ВВОДА = kнUСЗ. ФИДЕРА, где kн = 1,2.
Если ввод представляет собой линию, запитанную от «предыдущей» подстанции, то защита ввода по напряжению 3U может действовать неселективно при ОЗЗ «левее» (по рис. 1) сборных шин рассматриваемой подстанции. Тогда защита ввода должна быть выполнена в виде селективной токовой, причем принципы расчета ее уставок аналогичны рассмотренным выше.
Размеры журнального материала не позволяют рассмотреть выбор уставок защиты при характеристике, изображенной на рис. 3, б. Этому вопросу уделим внимание в следующей статье.

ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник