- •Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения
- •Часть 1
- •1. Релейная защита систем электроснабжения
- •1.1. Назначение релейной защиты
- •1.2. Элементы, функциональные части и органы устройств релейной защиты и автоматики систем электроснабжения
- •2. Принципы построения электрических сетей
- •2.1. Принципы построения электрических сетей
- •2.2. Режимы нейтрали электрических сетей
- •2.2.1. Пять способов заземления нейтрали
- •2.2.2. Критерии выбора режима нейтрали
- •2.2.3. Электрическая сеть с изолированной нейтралью
- •2.2.4. Электрическая сеть с резистивным заземлением нейтрали
- •2.2.5. Электрическая сеть с компенсированной нейтралью
- •2.2.6. Электрическая сеть с глухо заземленной нейтралью
- •2.2.7. Электрическая сеть с эффективно заземленной нейтралью
- •2.2.8. Заключение
- •3. Токи коротких замыканий
- •3.1. Виды коротких замыканий
- •3.2. Короткие замыкания на выводах низшего напряжения понижающего трансформатора
- •4. Расчет токов короткого замыкания
- •4.1. Особенности расчетов токов короткого замыкания для релейной защиты в электрических сетях напряжением выше 1 кВ
- •4.1.1. Схемы замещения трансформаторов
- •4.1.2. Особенности определения сопротивления трансформатора с рпн
- •4.1.3. Расчеты токов трехфазного короткого замыкания
- •4.2. Пример расчета токов кз в электрических сетях напряжением выше 1 кВ
- •4.2.1. Исходные данные
- •4.2.2. Расчет сопротивлений элементов схемы замещения
- •4.2.3. Расчет токов кз в максимальном режиме
- •4.2.4. Расчет токов кз в минимальном режиме
- •4.3.2. Основные положения расчета токов трехфазного кз методом симметричных составляющих
- •4.3.3. Расчет сопротивлений различных элементов системы электроснабжения
- •4.3.4. Пример расчета токов трехфазного кз в электрической сети напряжением до 1 кВ
- •4.3.5. Расчет токов однофазного кз на землю в сетях до 1 кВ методом симметричных составляющих
- •4.3.6. Пример расчета токов однофазного кз на землю
- •4.3.7. Расчет токов однофазного кз на землю методом «петли фаза-нуль»
- •5. Источники оперативного тока
- •5.1. Источники оперативного тока на распределительных подстанциях
- •5.2. Постоянный оперативный ток
- •5.3. Переменный оперативный ток
- •5.3.1. Схемы с дешунтированием электромагнитов управления
- •5.3.2. Предварительно заряженные конденсаторы и зарядные устройства
- •5.3.3. Схемы питания оперативных цепей защиты на выпрямленном токе
- •6. Трансформаторы тока
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Схемы соединения трансформаторов тока и цепей тока измерительных органов
- •6.2.1. Общие положения
- •6.2.2. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органов в полную звезду
- •6.2.3. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органов в неполную звезду
- •6.2.4. Схема соединения трансформаторов тока в полный треугольник, а измерительных органов – в полную звезду
- •6.2.5. Схема с двумя трансформаторами тока и одним измерительным органом, включенным на разность токов двух фаз
- •6.2.6. Трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности
- •6.2.7. Однотрансформаторный первичный фильтр токов нулевой последовательности
- •6.2.8. Последовательное и параллельное соединение трансформаторов тока
- •6.2.9. Датчики фазного тока
- •6.3. Оценка чувствительности устройства защиты
- •6.3.1. Коэффициент чувствительности защиты
- •6.3.2. Оценка чувствительности защиты линии электропередачи
- •6.3.3. Оценка чувствительности защиты силовых трансформаторов напряжением 35–110–220/6–10 кВ
- •6.3.4. Оценка чувствительности защиты силовых трансформаторов напряжением 6–10/0,4 кВ
- •6.3.5. Области применения разных схем соединения тт и ио
- •6.4. Выбор трансформаторов тока и определение их допустимой нагрузки в схемах релейной защиты
- •7. Трансформаторы напряжения
- •Приложение п2.2. Нагрузочные характеристики входов блоков реле Sepam
- •Приложение п2.3. Кривые предельных кратностей первичного тока трансформаторов тока [25. 26]
3.1. Виды коротких замыканий
Трехфазное КЗ. Трехфазное КЗ – режим симметричный (рис. 3.1,а). Токи КЗ в месте КЗ одинаковы по значению во всех трех фазах, но их векторы сдвинуты относительно друг друга на 120о. Все напряжения (линейные и фазные) в точке КЗ равны нулю. От системы до точки КЗ все напряжения уменьшаются от величины ЭДС системы до нуля.
Величина тока трехфазного КЗ
|
(3.1) |
где: ЕС.Ф, ЕС.Л – фазная и линейная (междуфазная) ЭДС системы; ХК – суммарное фазное сопротивление от системы до точки КЗ.
Ток КЗ примерно в 5–10 и более раз превышает номинальные токи генераторов и трансформаторов.
Рис. 3.1. Векторные диаграммы токов и напряжений
при металлическом трехфазном (а) и двухфазном (б, в) КЗ
Двухфазное КЗ. Двухфазное КЗ – режим несимметричный (рис. 3.1,б). Токи повреждения проходят только по двум замкнувшимся фазам. Их значения равны между собой, а векторы сдвинуты на 180о, в третьей фазе ток равен нулю. Величина тока двухфазного КЗ
, |
(3.2) |
где: ЕС.Л – линейная (междуфазная) ЭДС системы; Х1 и Х2 – суммарные фазные сопротивления прямой и обратной последовательностей от системы до точки КЗ.
У трансформаторов и линий сопротивления Х1 и Х2 имеют одинаковые значения Х1 = Х2. Поэтому в электрических сетях вдали от электростанций можно примерно принимать
|
(3.3) |
То есть, величина тока двухфазного КЗ несколько меньше величины тока трехфазного КЗ. Последнее соотношение обычно и используется при определении тока I(2)К при расчетах, проводимых для релейной защиты.
В точке КЗ напряжение неповрежденной фазы равно номинальному, а напряжения поврежденных фаз равны между собой и равны половине номинального напряжения. Междуфазное напряжение поврежденных фаз в месте КЗ равно нулю (UК.В-С), а два других междуфазных напряжения становятся равными 1,5 UФ или 0,866 UЛ, т.е. несколько снижаются по сравнению с нормальным режимом.
Однофазное КЗ на землю в сети с заземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше. В сетях с заземленной нейтралью замыкание одной фазы на землю является коротким замыканием. Со стороны питающей сети следует рассматривать два характерных случая: с разземленной нейтралью обмотки ВН трансформатора и с глухо заземленной нейтралью этой же обмотки (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Распределение токов при металлическом однофазном КЗ при глухозаземленной (а) и разземленной (б) нейтрали трансформатора
Токи КЗ протекают от всех заземленных нейтралей трансформаторов к точке КЗ. Поэтому, чем больше заземленных нейтралей в сети, тем больше ток однофазного КЗ на землю. Первоначально электрические сети напряжением 110 кВ и выше работали с глухо заземленной нейтралью, то есть были заземлены нейтрали всех трансформаторов. Постепенно с развитием электрических сетей число трансформаторов увеличивалось, что привело к росту токов однофазного КЗ на землю и они стали превышать токи трехфазного КЗ. Учитывая, что выбор оборудования проводится по токам трехфазного КЗ, возникла необходимость снижения однофазного КЗ на землю до уровня трёхфазного. Поэтому в настоящее время в России электрические сети напряжением 110 кВ работают, как правило, с глухо заземлённой заземленной нейтралью, но возможно применение и эффективно заземленной нейтрали [1, п.1.2.16].
Электрические сети напряжением 220 кВ и выше работают с глухо заземленной нейтралью, так как токи однофазных КЗ в этих сетях не превышают токов трехфазных КЗ.
Однофазное КЗ на землю – режим несимметричный: в месте повреждения ток КЗ протекает в одной поврежденной фазе. Величина тока однофазного КЗ равна
|
(3.4) |
где ЕС.Ф – фазная ЭДС системы; Х1, Х2 и Х0 – суммарные фазные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей от энергосистемы до точки КЗ.
В электрических сетях вдали от электростанций принимается Х1 ≈ Х2. Величина сопротивления Х0 определяется числом заземленных нейтралей трансформаторов. В предельном случае в электрической сети с изолированной нейтралью сопротивление Х0 = ∞. Тогда
, |
(3.5) |
то есть, замыкание одной фазы на землю перестает быть коротким замыканием.
Если заземлить нейтрали всех трансформаторов электрической сети, то величина Х0 станет намного меньше Х1 и можно принять Х0 ≈ 0. Тогда
|
(3.6) |
то есть, величина тока однофазного КЗ на землю может быть больше тока трехфазного КЗ максимум в 1,5 раза.
Для снижения тока однофазного КЗ на землю до величины трехфазного можно разземлить нейтрали у части трансформаторов и довести значение сопротивления нулевой последовательности до величины Х0 = Х1. В этом случае будем иметь
, |
(3.7) |
то есть, ток однофазного КЗ на землю станет равным току трехфазного КЗ. Именно это техническое решение применяется в электрических сетях с эффективно заземленной нейтралью напряжением 110 кВ. В энергосистемах производят расчеты токов КЗ и задают точки электрической сети и количество силовых трансформаторов нейтралей должны быть нормально разземлены.
Двойные короткие замыкания на землю . Рассмотрим этот вид повреждения электрической сети напряжением UС = 3–6–10–35 кВ для сетей с изолированными нейтралями или нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы.
|
Рассмотрим один из вариантов возникновения двойного КЗ на землю (рис. 3.3). Сначала по каким-либо причинам происходит однофазное замыкание на землю, например в линии Л1 повреждается изоляция фазы С на землю. Далее при горении заземляющей дуги в месте повреждения в электрической сети возникают перенапряжения, которые могут вызвать пробой изоляции на фазе А или В другой линии Л2. При этом |
Рис. 3.3. Двойное замыкание на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью |
однофазное замыкание на землю переходит в двойное короткое замыкание на землю, сопровождающееся протеканием больших токов.
Если релейная защита отключит одну из линий, например, Л1, то двойное КЗ на землю перейдет в однофазное замыкание на землю на линии Л2, которое может перейти в новое двойное КЗ на землю и так далее. Процесс может продолжаться до отключения линии с однофазным замыканием на землю персоналом электрических сетей.