Двухфазное КЗ на землю.

Однофазное КЗ.

Двухфазные КЗ.

.

Если КЗ вблизи зажимов генератора: ; при : ; ; значит ; ; в установившемся режиме (); ; ; ; т.е. можно принять ; тогда .

Значит .

При КЗ в удаленной точке – велико; т.е. (независимо от времени КЗ):

.

Тогда .

Отношение токов:

.

Индуктивное сопротивление (изменяется в широких пределах; например, увеличением числа заземленных нейтралей трансформаторов с кВ). При КЗ вблизи зажимов генератора (), если , при установившемся КЗ, когда , то можно принять . Тогда ; если ; то .

Значит .

При КЗ в удаленной точке системы, где , при условиях (предельных) или , то

.

Как и при двухфазном КЗ:

.

Т.е. можно определить примерные пределы, в которых могут быть величины токов при несимметричных КЗ по сравнению с током трехфазного КЗ в той же точке.

Тема №10:

«Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью»

Такие замыкания распространены в сетях с малым током замыкания на землю.

Сопротивление нулевой последовательности в сетях напряжением 6-35 кВ определяется в основном емкостью элементов сети относительно земли и в некоторой мере утечками этих элементов. Поэтому при КЗ на землю в сетях 6-35 кВ протекают малые токи, которые во много раз меньше тока нагрузки. Это характерно для сетей с ВЛ напряжением 6-10 кВ, где емкость проводов относительно земли невелика. В сетях с КЛ и в сетях с протяженными ВЛ с кВ токи замыкания на землю могут быть значительными.

По условиям улучшения гашения дуги и предотвращения перехода замыкания на землю в междуфазное КЗ в таких сетях устанавливают дугогасящие катушки, с помощью которых компенсируют основную гармонику емкостного тока замыкания на землю. В результате ток КЗ в таких сетях в установившемся режиме резко уменьшается.

Рисунок 10.1 – Cхема сети – а) и ее схема замещения нулевой последовательности – б)

При замыкании на землю (рис. 10.1, а) ток, протекающий по поврежденному соединению, равен сумме токов неповрежденных элементов, определяемых емкостью и активным сопротивлением изоляции относительно земли каждого из них, и тока дугогасящей катушки при ее наличии.

В некомпенсированных сетях токи основной гармоники на поврежденном и неповрежденном присоединениях направлены в противоположные стороны, что объясняется расположением источника напряжения нулевой последовательности в месте замыкания (рис. 10.1, б).

Поэтому ток , определяемый емкостным сопротивлением неповрежденной сети, протекает в поврежденном элементе в направлении к шинам, а в неповрежденном – от них.

Рисунок 10.2 – Схема замещения и векторные диаграммы напряжений и емкостных токов сети с изолированной нейтралью для нормального режима – а) и однофазного КЗ на землю – б)

При включении дугогасящей катушки в нейтраль одного из трансформаторов – на поврежденном участке фаза основной гармоники тока КЗ (повреждения) будет зависеть от соотношения между емкостью неповрежденных участков и индуктивностью катушки. Если преобладает индуктивная составляющая тока повреждения, то фазы реактивных составляющих тока повреждения одинаковы как на неповрежденном (емкостный ток, направлен в сторону линии) так и на поврежденном (индуктивный ток, направлен в сторону шин) присоединениях.

Значение и фаза токов замыкания на землю определяются напряжением нулевой последовательности . Наибольшее значение будет при замыканиях на землю без переходного сопротивления и равно фазному напряжению сети. При замыканиях через переходное сопротивление значение определяется соотношением между сопротивлением нулевой последовательности и переходным сопротивлением. Угол между напряжением и током КЗ на землю всегда одинаков и равен углу сопротивления нулевой последовательности сети. Наличие переходного сопротивления уменьшает значение и сдвигает фазу относительно фазного напряжения.

Для анализа токов однофазных КЗ на землю в сетях с изолированной нейтралью рассмотрим схемы замещения и векторные диаграммы (рис. 10.2). Для расчета аварийных режимов сети принимают ряд допущений:

а) емкости отдельных фаз относительно земли, равномерно распределенные вдоль проводов, заменяем эквивалентными сосредоточенными емкостями , включенными посредине ЛЭП;

б) не учитываем проводимости утечек, а также активные и индуктивные сопротивления ЛЭП, которые весьма малы по сравнению с емкостными сопротивлениями фаз относительно земли;

в) сопротивления нагрузки и ЛЭП (фазные напряжения) считаем симметричными.

Емкостные токи фаз , , равны по значению, а по фазе опережают соответствующие напряжения на угол . В нормальном режиме сумма токов равна нулю (рис. 10.2, а). Напряжение нейтрали (между нулевой точкой и землей) определяется по формуле:

;

где – емкостные проводимости отдельных фаз в нормальном режиме.

В случае замыкания на землю без переходного сопротивления в точке повреждения аварийная фаза А приобретает потенциал земли (рис. 10.2, б); поэтому ; . Напряжение нейтрали становится равным – . Напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле возрастают в раза и составляют:

; .

Емкостные токи фаз также увеличиваются в раз. Опережая напряжение и на , эти токи суммируются в земле и возвращаются через поврежденную фазу, ток которой равен току замыкания на землю:

;

где – ток нулевой последовательности при замыкании на землю.

Токи и опережают ЭДС на и определяются емкостями фаз питающей системы заданного напряжения, а также значением . Поэтому в разветвленных сетях со значительной емкостью ток замыкания на землю будет больше. При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЭП, подключенных к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания обусловлен емкостными токами всех ЛЭП и составляет:

.

Здесь – суммарная емкость фазы всех ЛЭП, причем ;

где – удельная емкость одной фазы сети относительно земли, Ф/км;

– общая протяженность одной фазы сети.

Ток замыкания на землю для сети с КЛ можно определить также по эмпирической формуле:

;

где – номинальное линейное напряжение сети, кВ;

– длина КЛ, км;

– сечение кабеля, мм².

Оценка аварийных режимов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью имеет важное значение для шахтных электрических сетей с позиции обеспечения надежности электроснабжения и электробезопасности оборудования.

Для ограничения условий открытого искрообразования в подземных выработках газовых шахт в результате коммутационных перенапряжений, а также предотвращения ложных действий подземной защиты от токов утечки из-за ухудшения изоляции электроустановок эти сети питают от специальных разделительных трансформаторов или трехобмоточных трансформаторов 35-110/6/6 кВ.

В шахтной электрической сети наблюдается наибольшее число повреждений из-за несвоевременного устранения неисправностей в электрооборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала.

В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседают на шахтное электрооборудование, в результате могут возникнуть токи утечки, которые при определенных условиях способствуют возникновению КЗ с опасными последствиями. Основная причина КЗ в подземных шахтных сетях – механическое повреждение электрооборудования. Наиболее высокой повреждаемости подвержены шахтные бронированные и, особенно, гибкие кабели, в которых чаще существуют одно- и междуфазные утечки. В условиях шахтных выработок КЗ могут явиться причиной подземных пожаров с большой опасностью для людей. Защита от токов КЗ является одним из основных средств обеспечения взрыво- и пожаробезопасности электрооборудования.

В шахтных электрических сетях могут возникнуть однофазные замыкания на землю и междуфазные КЗ. С учетом особой опасности этих замыканий действующие Правила безопасности в подземных выработках шахт допускают применение только трансформаторов с незаземленной нейтралью, что определяется условиями электробезопасности.

Заземление нулевой точки разрешается лишь для сетей напряжением 0,4 кВ на поверхности шахт. Согласно Правилам максимально допустимая мощность КЗ на шинах центральной подземной подстанции не должна превышать 50% мощности отключения, но не более 100 МВА.

Поэтому однофазные токи замыкания на землю в шахтных сетях не очень большие, но такие КЗ на землю или корпус токоприемника создают опасность поражения людей электрическим током. Поэтому эти замыкания, в отличие от сетей промышленных предприятий, незамедлительно отключаются специальной защитой от утечек, что одновременно позволяет практически исключить переход однофазных замыканий в двухфазные КЗ на землю.

При замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью ток нулевой последовательности, текущий в землю, проходит через емкостное сопротивление каждой фазы относительно земли (при этом ток замыкания считается независимым от места замыкания, так как ), а напряжение источника – неизменное по амплитуде. С учетом этого токи нулевой, прямой и обратной последовательности в месте КЗ на землю:

;

где – среднее значение фазного напряжения ступени трансформации, на которой КЗ;

–суммарное емкостное сопротивление нулевой последовательности элементов сети (ВЛ и КЛ), электрически связанных с точкой КЗ.

Емкостные сопротивления нулевой последовательности трехжильных КЛ с круглыми жилами на 1 км длины можно рассчитать по приближенной формуле, Ом км:

;

где – радиус жилы;

, – толщины фазной и поясной изоляции (, , – в одинаковых единицах).

Емкостное сопротивление нулевой последовательности ВЛ без грозозащитных тросов на 1 км длины, Ом км:

;

где – радиус провода;

– среднее геометрическое расстояние между проводами фаз А, В, С.

– среднее расстояние от проводов А, В, С до их зеркальных отражений относительно поверхности земли;

, , – высоты подвески проводов фаз.

Тема №11:

«Расчет КЗ в установках напряжением до 1000 В»

Литература: Л1 – с. 449-456, Л2 – с. 105-114.

Электрические установки напряжением до 1000 В характеризуются, как правило, большой электрической удаленностью относительно источников питания. Поэтому расчет замыканий в таких установках ведется в предположении, что напряжение на высшей стороне понижающего трансформатора является номинальным.

Рисунок 11.1

При расчете КЗ в установках до 1000 В необходимо учитывать:

а) активные сопротивления всех элементов (величины которых соизмеримы с индуктивными);

б) проводники небольшой длины: первичные обмотки трансформаторов тока; токовые катушки автоматических выключателей;

в) переходные сопротивления различных контактных соединений;

г) переходные сопротивления в месте КЗ;

д) несимметрию сопротивлений фаз (вызванную, например, включением трансформаторов тока только в две фазы).

При отсутствии достоверных данных о переходных сопротивлениях рекомендуется их учитывать совокупно (включая контакт в месте замыкания) введением в короткозамкнутую цепь активного сопротивления: Ом (т.е. мОм). При этом Ом – для распределительных устройств на станциях и подстанциях; Ом – для первичных цеховых районных подстанций (РП); Ом – для вторичных цеховых РП; Ом – для аппаратуры, установленной непосредственно у приемников электроэнергии, получающих питание от вторичных РП.

Расчет КЗ в установках до 1000 В проводят в именованных единицах (так как большинство сопротивлений задано в Ом, мОм).

В качестве основной ступени необходимо принимать ступень с напряжением низкой стороны трансформатора.

Активное сопротивление трансформатора, мОм:

.

Индуктивное сопротивление трансформатора, мОм:

.

Сопротивления понижающих трансформаторов мощностью до 1000 кВА, трех и четырехжильных кабелей до 1000 В, магистральных и распределительных шинопроводов; величины сопротивлений аппаратов с В приведены в Приложении П-10, [1].

При этом учитывают изменение активного сопротивления прямой последовательности одной шины от температуры, мОм:

;

где – превышение температуры;

– учитывает как изменяется сопротивление проводника из соответветствующего материала от температуры;

– коэффициент дополнительных потерь, учитывающих явление вытеснения тока, .

В качестве средних номинальных напряжений для соответсвующих ступеней трансформации рекомендуются принимать: 690, 525, 400, 230, 127 В.

Для проверки аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания производит расчет трехфазного КЗ (так как при этом виде КЗ – ток наибольшей величины), а в некоторых случаях необходим расчет двух двухфазного и однофазного КЗ.

Для проверки трансформаторов тока, устанавливаемых в двух фазах, выполняется расчет тока двухфазного КЗ.

Для настройки защиты от замыканий на землю (по требованиям ТБ), производят также расчет токов при однофазном КЗ (для определения наименьшей величины тока КЗ).

По найденным результирующим сопротивлениям прямой и нулевой последовательностей (так как мы не учитываем генерирующие источники) относительно точки КЗ , , и – определяют начальное значение периодической слагающей тока:

- при трехфазном КЗ:

, кА.

- при однофазном КЗ:

, кА.

где – среднее номинальное напряжение той ступени, где КЗ, к этому напряжению приведены все сопротивления цепи (, В; , мОм).

При значительной величине активного сопротивления и заметной продолжительности КЗ ( сек) уже учитывают тепловой спад тока (т.е. увеличение сопротивления проводников от температуры).

Наличие трансформаторов тока в двух фазах создает местную продольную несимметрию трехфазной цепи.

Для проверки этих трансформаторов тока по условиям КЗ выполняется расчет тока при двухфазном КЗ (между фазами, где есть и где нет трансформатора тока):

;

где , – сопротивления трансформатора тока.

При определении ударных токов пользуются ударным коэффициентом .

Из этих данных видно, что когда ток КЗ ограничен только сопротивлением трансформатора, то ударный коэффициент составляет:

	1,05	1,1-1,3	1,35-1,5
Мощность трансфор- матора , кВА		40-250	400-1000

Тема №12:

«Способы ограничения токов КЗ»

Литература: Л2 – с. 236-243.

При проектировании СЭС решается технико-экономическая задача ограничения уровней токов и мощностей КЗ до значений, допустимых параметрами оборудования, которое экономически целесообразно применять.

Для этого используются следующие методы:

1. Выбор структуры и схемы электрических соединений СЭС (на стадии проектирования и реконструкции СЭС) в соответствии с принципами: а) продольного и поперечного разделения сетей одинакового уровня напряжения со связью через сеть более высокого напряжения; б) разукрупнение приемных подстанций и поэтапное создание СЭС путем внедрения глубоких вводов высокого напряжения; в) применение раздельной работы основных элементов СЭС (линий, трансформаторов) на всех ступенях распределения электроэнергии.

При построении схем электроснабжения должны быть соблюдены следующие требования:

а) максимальное приближение источников питания к электроприемникам, что уменьшает количество трансформаций, увеличивает количество элементов сети, работающих на более высоких напряжениях; все источники питания с целью резервирования связываются между собой токопроводами, КЛ и ВЛ на питающем или вторичном напряжениях;

б) секционирование всех ступеней распределения электроэнергии в СЭС (что связано с количеством трансформаторов на главной понизительной подстанции (ГПП), количеством и пропускной способностью ЛЭП). Это увеличивает электрическое сопротивление сети протеканию тока КЗ, что позволяет предотвратить развитие аварии и локализировать место КЗ;

в) построение и выбор конфигурации электрической сети (радиальной, магистральной, радиально-магистральной) должны обосновываться (наряду с основными факторами – надежность, потери мощности, расход цветного металла и т.п.) также степенью использования сечений проводников, выбранных по току КЗ;

г) использование ступенчатого токоограничения в схеме электроснабжения, при котором токоограничивающие устройства устанавливаются на нескольких последовательных ступенях распределения электроэнергии. Например, СЭС угольных шахт, в которых первой ступенью ограничения мощности КЗ является снижение ее на ГПП шахты, а второй – на вводах, питающих нагрузку подземных потребителей (где мощность КЗ МВА – по правилам ТБ).

Стационарное или автоматическое деление сетей (в системах внешнего электроснабжения), когда уровень токов КЗ в узлах нагрузки превышает допустимый уровень по параметрам электрооборудования, находящегося в эксплуатации.

Выбор режима эксплуатации сети (раздельная работа трансформаторов ГПП и секционирование всех ступеней дают возможность получить в нормальном режиме наибольшее сопротивление цепи для токов КЗ).

Схемы питания СЭС при проектировании внешнего электроснабжения выбираются на основе фактической мощности КЗ, поступающей от энергетической системы и других требований (бесперебойность, состав и распределение потребителей) с учетом токов КЗ от СД и АД.

Определяющим для уровней токов КЗ в СЭС является выбор схемы электрических соединений ГПП как узла связи между системой и распределительной сетью СЭС. Чем больше мощность понижающего трансформатора, тем больше токи КЗ на шинах ГПП. Для их уменьшения следует разукрупнять по мощности подстанции СЭС или применять схемы электрических соединений, ограничивающие уровень токов КЗ на шинах вторичного напряжения.

Применение электрооборудования с повышенным электрическим сопротивлением – предусматривает установку как общесетевых, так специальных элементов (применяют трансформаторы с повышенным относительным напряжением КЗ, ВЛ и токопроводы с увеличенным расстоянием между фазами; трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленными обмотками НН, одноцепные и сдвоенные реакторы, токоограничивающие устройства резонансного, трансформаторного и реакторно-вентильного типов – увеличивающие сопротивление току, который больше номинального (рабочего режима).

Токоогранивающее действие коммутационных аппаратов проявляется при быстродействии, соизмеримом с периодом изменения тока (ограничивают амплитуду и длительность воздействия тока КЗ). Для этого время срабатывания мс (безинерционные предохранители, тиристорные выключатели с принудительной коммутацией, ограничители ударного тока взрывного действия).

Выбор способа ограничения мощностей и токов КЗ неоднозначен и предоставляет собой совокупность мер, комплексно решающих вопросы выбора параметров электрооборудования и режимы его работы на основе технико-экономических расчетов.

Короткие замыкания в сетях постоянного тока

(Винославский и др. с. 215-219).

Постоянный ток может применяться для питания сетей внутризаводского электротранспорта, электропривода, электролизных и зарядных установок. Системы постоянного тока для целей сигнализации и диспетчеризации обычно имеют малую мощность.

Процессы при КЗ во всех сетях постоянного тока одинаковы. КЗ в этих сетях возникают в основном по тем же причинам, что и в сетях переменного тока. Аварийные режимы возможны при недопустимых перегрузках, выхода из строя отдельных элементов силовой схемы выпрямителя или нарушениях в его системах управления и автоматического регулирования.

Расчет этих режимов необходим для выбора параметров силовой схемы преобразователя и средств защиты.

Тема №13:

«Однократная продольная несимметрия»

Литература: Л1 – с. 305-407; Л2 – с. 182-188; Л3 – с. 186-192.

1. Основные математические соотношения различных видов несимметрии.

Рисунок 13.1 –

; – общий случай продольной несимметрии.

Нам неизвестны и нужно определить падения напряжений и др., токи и др. (индекс L – продольная несимметрия).

Необходимые для определения этих величин соотношения запишем для особой фазы.

Рассмотрим частные случаи продольной несимметрии: обрыв одной фазы и обрыв двух фаз.

Первые три уравнения будем записывать в соответствии со вторым законом Кирхгофа для схем, соответственно, прямой, обратной и нулевой последовательности. Три недостающие уравнения получаем из граничных условий анализируемого режима.

Разрыв одной фазы (обозначение L⁽¹⁾).

Рисунок 13.2 –

;

где – результирующее сопротивление прямой последовательности относительно оборванных зажимов (концов).

.

; – обратная последовательность;

; – нулевая последовательность.

;

;

.

Исходные уравнения аналогичных по своему виду уравнениям, характеризующим двухфазное КЗ с землей.

Поэтому все соотношения для обрыва одной фазы будут также аналогичны соотношениям, полученным при анализе двухфазного КЗ с землей.

;

;

;

;

;

;

;

где – коэффициент пропорциональности.

Обрыв двух фаз (L⁽²⁾).

Рисунок 13.3 –

;

;

;

;

;

.

Исходные уравнения аналогичны уравнениям для анализа однофазного КЗ, поэтому все решения аналогичны.

Принимают, что сопротивления обратной последовательности СГ и нагрузки практически постоянны и не зависят от вида и условий возникшей несимметрии, а также от продолжительности переходного процесса.

;

;

;

;

.

2. Правило эквивалентности прямой последовательности.

Аналогичность выражений для различных видов несимметрии позволяет записать их в общем виде:

;

;

;

.

Правило эквивалентности прямой последовательности: ток прямой последовательности при однократной несимметрии может быть определен как ток трехфазного симметричного режима в схеме, в которой несимметричный участок заменен симметричной цепью, величина которой зависит как от сопротивления самого несимметричного участка, так и от результирующих сопротивлений обратной и нулевой последовательности.

Имеем: Заменяем:

3. Комплексные схемы замещения.

Рисунок 13.4 – Схема замещения прямой последовательности

Такие же схемы для других последовательностей.

Схемы замещения для случаев обрыва одной или двух фаз приведены в метод. указаниях.

При анализе продольной несимметрии необходимо в общем случае рассматривать четыре векторные диаграммы:

а) векторная диаграмма токов;

б) векторная диаграмма напряжений слева места обрыва;

в) векторная диаграмма напряжений справа места обрыва;

г) векторная диаграмма падений напряжений.

Обрыв одной фазы L⁽¹⁾.

Для расчетов и построения векторной диаграммы слева и справа изобразим комплексную схему замещения.

Рисунок 13.5 –

Пример. Для схемы (рис. 13.5) определить токи в линии при обрыве фазы А. Все элементы комплексной схемы выражены в относительных единицах при базисных условиях.

;

;

;

.

;

;

;

;

При нормальной работе линии фазный ток ; значит, при обрыве одной фазы ток в здоровых фазах возрастает на .

Обрыв двух фаз L⁽²⁾ (фазы В и С).

Рисунок 13.6 –

Пример. Определить ток в фазе А при обрыве фаз В и С.

В предыдущем примере:

; ; .

;

;

;

т.е. на больше, чем при нормальной работе.

4. Распределение напряжения.

5. Векторные диаграммы.

Дата добавления: 2014-11-16