Учебное пособие 800484
.pdf4) в сетях напряжением до 1 кВ емкостные сопротивления различных элементов электрической системы значительно превышают их индуктивные сопротивления и при расчетах последние обыкновенно не учитывают.
В таком случае полные проводимости проводов 3-х фазной 4-х проводной системы относительно земли в комплексной форме могут быть представлены в виде:
Ya=ga+j Ca
Yb=gb+j Cb
Yc=gc+j Cc (1.1)
Yo=go+j Co;
где: ga, gb, gc, gо – активные проводимости изоляции между фазными поводами (a, b, c) нулевым проводом (о) и землей; Ca ,Cb ,Cc ,Cо -эквивалентные емкости фаз относительно земли и емкость нулевого провода относительно земли
соответственно.
Комплексная проводимость нулевой точки трансформатора (генератора) относительно земли в зависимости от способа заземления нейтрали может учитывать:
-сопротивление заземляющего устройства rз (Yo=1 rз);
-сопротивление дугогасящей катушки zk = rk+j Lk
[Yo=1 (rk+ j Lk)].
Здесь: rk и Lk -соответственно активное сопротивление и индуктивность катушки.
-активное сопротивление; -реактивное индуктивное сопротивление дугогасящей
катушки L(Y0=1 j L).
Всистеме с изолированной нейтралью Yo=0
Всистеме 3-х фазных напряжений при симметричной нагрузке (ga=gb=gc и Ca=Cb=Cc) в нормальном режиме
11
напряжения фаз относительно земли U a,U b и U c симметричны, равны по модулю и равны фазному напряжению U ф, геометрические суммы токов утечки через
изоляцию I уa, |
I уb, |
I уc емкостных |
токов I ca, |
I cb, |
I cc |
соответственно |
образуют токи фаз I a, |
I b, I c, которые равны |
по модулю: Ia=Ib=Ic |
и геометрическая сумма их равна нулю, |
т.е. I a+I b+I c=0 и |
I 0=0, напряжение смещения нейтрали |
U00 =0 |
|
При нессиметрии нагрузки по активной (ga gb gc) или реактивной (Ca Cb Cc) составляющим, симметрия фазных напряжений нарушается. Напряжение смещения нейтрали U00' в этом случае определяется формулой:
U00' |
|
Ua Ya Uв Yв Uc Yc |
, |
(1.2) |
|
||||
|
|
Ya Yв Yc Y0 |
|
здесь и далее с индексом “ ' ” отмечены величины напряжений для нессиметричных, в том числе аварийных режимов работы системы.
В соответствии с классической теорией нессиметричных режимов 3-х фазных цепей введем оператор a=еj2/3 , учитывающий сдвиг фаз.
Примем, что U a=Uф (фаза А – основная), тогда напряжение в фазе В отстает:U b=a2Uф, а напряжение в фазе С опережает: U c=aUф напряжение в фазе А на 2/3 или 120 электрических градусов.
Тогда, выражение (1.2) может быть записано в виде:
U00' Uф |
Y a2 |
Y a Y |
. |
|
|
a |
в |
c |
(1.3) |
||
Y Y |
Y |
Y |
|||
|
a в |
c |
0 |
|
|
12
Напряжения фаз относительно земли при нессиметрии системы определяются из выражений:
Ua' Ua U00' Uф (1 а2) Yв (1 а) Yc Y0
Ya Yв Yc Y0
Uв' Uв U00' Uф (а2 1) Yа (а2 1) Yc а2 Y0
Ya Yв Yc Y0
(1.4)
Uс' Uс U00' Uф (а 1) Yа (а2 а) Yв а Y0
Ya Yв Yc Y0
Токи в фазах и нулевом проводе при нессиметрии нагрузки определяются исходя из следующих выражений:
I |
I' |
I' |
I' |
U |
|
Y |
|
Y a2 |
Y а Y |
|
||
|
|
a |
в |
c |
, |
(1.5) |
||||||
|
Y Y |
Y |
|
|||||||||
0 |
a |
в |
c |
|
00' |
0 |
|
Y |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
a в |
c |
0 |
|
|
а токи в фазах:
Ia' Ua'Ya Uф Ya (1 а2) Yв (1 а) Yc Y0
Ya Yв Yc Y0
Iв' Uв' Yв Uф Yв (а2 1) Yа (а2 1) Yc а2 Y0
Ya Yв Yc Y0
(1.6)
Iс' |
|
(а 1) Y (а2 |
а) Y а Y |
0 |
|
Uс Yc Uф Yc |
а |
|
в |
||
Ya |
Yв Yc Y0 |
|
|||
|
|
|
Выражения (1.3-1.6) являются основными расчетными соотношениями для анализа трехфазных систем во всех возможных нессиметричных режимах.
13
2.2. Системы с изолированной нейтралью
Рассмотрим режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе с рабочим напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью.
|
В большинстве случаев емкостные проводимости |
фаз |
относительно земли можно полагать одинаковыми, т.е. |
YCA |
YCВ YCC j C , где СА=СВ=СС - емкость фазы |
относительно земли. Расчетная схема замещения системы для нормального симметричного режима работы представлена на рис. 1.2а.
Данная расчетная схема характерезуется следующими значениями линейных и фазных напряжений:
UA=UВ=UC=Uф; U0=0 IСА=ICВ=ICC=IC
ICA IСВ ICC I0 0
В случае повреждения изоляции и последующем полном (металлическом) замыкании, например фазы А на землю (см. рис.1.2б) через место аварии К проходит ток, который замыкается через емкостные проводимости относительно земли «здоровых» фазных проводов, т.е. через YBC и YCC. Емкостная проводимость поврежденной фазы YCA шунтируется собственно замыканием и ток в фазе А справа от места замыкания равен нулю, если пренебречь очень малым током, который наводится токами ICB ICC на данном участке линии.
14
|
Ес |
Icc |
|
C |
|
|
|
|
|
|
Ев |
Icв |
|
В |
|
|
|
|
|
|
Еа |
Ica |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
Са |
Св |
Сс |
|
Icc |
Icв |
Icа |
|
|
|
а) |
|
|
|
Ес |
I'cc |
|
C |
|
|
|
|
|
|
Ев |
I'cв |
|
В |
|
|
|
|
|
|
Еа |
|
|
А |
|
К |
|
|
|
|
Са |
Св |
Сс |
|
Uoo' |
Iз.д. |
I'cв |
I'cа |
|
|
б) |
Ico |
|
|
Рис. 1.2. Система с изолированной нетралью:
а) расчетная схема замещения в нормальном режиме работы; б) расчетная схема замещения при однофазном коротком замыкании на землю
Режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе можно представить в виде наложения двух состояний:
первое - нормальный режим работы, обуславливающий нормальную систему напряжений и токов;
15
второе - приложенное в месте замыкания ко всем фазам напряжения, равное по величине, но обратное по знаку напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, т.е. -
UA .
Фиктивная система напряжений (-UA ) вызывает фиктивный емкостный ток Ic0 , который, стекая в землю у
места аварии, тремя ветвями распределяется между емкостями и возвращается по неповрежденным проводам через обмотки трансформатора или генератора. Таким образом, ток, налагаясь на нормальные емкостные токи системы, усиливает их в неповрежденных фазах и компенсирует в поврежденной, создавая однофазную перегрузку трансформаторов и генераторов, и, следовательно, резкую асимметрию системы токов и напряжений.
Изложенное в предыдущем абзаце можно ясно представить по векторной диаграмме напряжений и токов при замыкания на землю фазы А (см. рис.1.3).
Напряжения всех фаз относительно земли UA' ,UB' ,UC'
при замыкании на землю фазы А определяются геометрической суммой напряжений фаз относительно земли в нормальном режиме работы UA,UB,UC и напряжения
смещения нейтрали U00' UA , т.е.
UA' UA U00' 0
UB' UB ( U A ) UB U A
UC UC ( UA) UC UA
Согласно векторной диаграмме:
' |
|
|
|
' |
|
|
|
|
' |
' |
|
|
|
, |
а угол |
|
|
|
|
||||||||||||
UB |
3 UB |
, UC |
3 UC , и |
UB |
UC |
3 UФ |
|||||||||
между |
|
векторами |
UB' |
иUC' |
равен |
60 . Следовательно, |
напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в 3 раз и
16
становятся равными междуфазному напряжению системы, а напряжение поврежденной фазы А - нулю.
|
|
|
UA |
|
|
|
|
|
UCA |
|
|
UAB |
|
|
|
|
|
ICB |
|
|
I'CB |
|
|
|
|
|
Е |
|
|
||
IЗA |
ICA |
ICO |
|
|
|
I'CB+I'CC |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
Е |
I'CC |
|
|
|
|
|
ICC |
0 |
|
|
|
UC |
|
|
9 |
-ICA |
UB |
||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
60Е |
|
|
|
||
|
|
-UA |
|
0Е |
U'AB |
|
|
U'CA |
|
9 |
|
|
|||
|
|
O' |
|
|
|
|
|
-UA |
|
U'BC |
|
|
|
-UA |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.3. Векторная диаграмма токов и напряжений в системе с изолированной нейтралью в аварийном режиме
Емкостные токи фаз I'CA ,I'СВ ,I'CC при замыкании на землю фазы А также определяются геометрической суммой емкостных токов фаз в нормальном режиме I CA ,I СВ ,I CC и током смещения нейтрали IC' 0 ICA' , т.е.
ICA' ICA ( ICA' ) 0
ICB' ICB ( ICA) ICB ICA
ICC' ICC ( ICA) ICC ICA
17
Из векторной диаграммы следует, что ICB' 3 ICB ,
ICC' |
|
3 |
ICC , ICB' |
ICC' |
|
3 |
IC , а угол между векторами |
ICB' |
и ICC' , равен |
60 . Емкостный ток замыкания на землю Iза |
равен геометрической сумме емкостных токов «здоровых» фаз ICB' и ICC' , в аварийном режиме, т.е. согласно векторной диаграмме
IЗА (ICB' ICC' ) (YB UB' YC UC' ) j3 C UA,
т.к. здесь UB' UC' 3 UA.
Таким образом, емкостный ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю ”здоровой” фазы при нормальном режиме:
IЗА' |
3 IC j 3 UA |
(1.7) |
и зависит от напряжения установки (системы), частоты и емкости фазы относительно земли.
В случае неполного замыкания на землю (через некоторое переходное сопротивление, например дуги – rg) напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз - больше фазного, но меньше линейного, ток однофазного короткого замыкания на землю будет меньше, чем при полном замыкании.
Токи однофазного короткого замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью малы по сравнению с токами нагрузки и сами по себе неопасны для системы. Кроме того, в аварийном режиме работа приемников электроэнергии не нарушается, так как треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь
18
перемещается параллельно самому себе в положение, определяемое напряжением смещения нейтрали.
Возможность бесперебойного электроснабжения приемников в аварийном режиме однофазного замыкания на землю является основным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Однако это преимущество можно использовать без ущерба для срока службы изоляции лишь в тех случаях, когда работа установки
с замыканием на землю ограничена сравнительно небольшим периодом времени, необходимым для отыскания и устранения повреждения (не более двух часов), а ток замыкания на землю невелик. Длительная работа системы с замкнутой на землю фазой недопустима. Кроме того, при повреждении изоляции какой-либо другой фазы, возникает двухфазное короткое замыкание на землю, вызывающее протекание большого тока к.з., могущего привести к значительным повреждениям электроустановок. Потому в системах с изолированной нейтралью предусматривают специальные устройства контроля изоляции, а также специальные защитные и сигнальные устройства, работающие на отключение поврежденного участка, что также проводит к дополнительным, капитальным затратам.
Основными недостатками систем с изолированной нейтралью являются:
1)повышенные капитальные вложения, вызываемые требуемым уровнем изоляции электроустановок (увеличение напряжения неповрежденных фаз относительно земли до величины линейного напряжения);
2)возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появление перемежающихся дуг, имеющих при определенных условиях устойчивый характер и
вызывающих перенапряжения, превосходящие в 2,5 3,2 раза нормальное фазное напряжение, которое распространяется на всю электрически связанную сеть.
19
Возникновение электрической дуги в месте замыкания на землю может повредить электрооборудование и вызвать двухфазные и даже трехфазные короткие замыкания, а перенапряжения могут привести к пробою изоляции и образованию к.з. в частях установок с ослабленной изоляцией. Следствием этого является неизбежность действия релейной защиты, что влечет за собой увеличение числа аварийных отключений (в том числе и неповрежденных участков), приводящих иногда к полному “развалу” системы электроснабжения. Кроме этого, возникает опасное электромагнитное влияние на линии связи, значительно возрастают градиенты напряженности электромагнитного поля вблизи места повреждения и, следовательно, напряжения прикосновения и шага, на что система с изолированной нейтралью, обычно не рассчитывается.
Рассмотренные недостатки, значительно усложняют эксплуатацию систем с изолированной нейтралью, ограничивают область их применения системами, где емкостный ток однофазного короткого замыкания на землю не может привести к появлению устойчивых перемежающихся дуг. В соответствии со сказанным выше, согласно ПУЭ, системы с изолированной нейтралью рекомендуются при емкостных токах однофазного к.з. на землю не более 10 А при напряжении сетей 35 кВ; 15 А – для сетей от 15 до 20 кВ; 20 А – для сетей 10 кВ; 30 А – для сетей 6 кВ и 5 А в блоках «генератор – трансформатор» (на генераторном напряжении 6-20 кВ).
Если токи однофазного к.з. на землю превышают указанные выше значения, то применяют либо компенсацию емкостных токов путем введения в нейтраль дугогасящей катушки, либо заземление нейтрали.
20