Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Режимы работы нейтрали - файл 1.doc


Режимы работы нейтрали
скачать (990.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc991kb.04.12.2011 08:41скачать

содержание

1.doc



Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Самарский государственный технический университет

Филиал в г. Сызрань

Кафедра ЭПП

Реферат

«Режимы работы нейтрали»

Ассистент: Земцов А.И.


2011

ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Режимы работы нейтрали. Основные понятия и определения 3

2. Сети с незаземленными нейтралями 6

3. Сети с резонансно заземленными нейтралями 12

4. Сети с эффективно заземлёнными нейтрапями 18

5. Глухозаземлённая нейтраль 25

6.Список использованной литературы 30
^




1. режимы работы нейтрали. основные понятия и определения



Трехфазные электрические сети представляют собой совокупность трех фазных цепей, объединенных через обмотки электрических машин – генераторов, трансформаторов, двигателей. Обмотки электрических машин трехфазных сетей при соединении по схеме «звезда» (рис. 1) образуют общую точку Н, которую называют нейтралью. Фазные напряжения UА, UВ, UС – это напряжения между фазными выводами обмоток и их нейтралью.






^ Рис. 1. Трехфазная сеть

Трехфазные цепи в нормальном режиме могут быть или полностью изолированы от земли, или из режимных соображений какая-либо точка трехфазной системы может быть соединена с землей. Для выполнения заземления используется заземляющее устройство, представляющее собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземления в электротехнических установках могут быть следующих видов:

А. ^ Рабочее заземление – это преднамеренное соединение с заземляющим устройством какой-либо точки токоведущих частей электрической установки, необходимое для обеспечения ее работы. Осуществляется обычно рабочее заземление путем заземления нейтралей обмоток генераторов или силовых трансформаторов.

Б. ^ Защитное заземление – заземление металлических нетоковедущих частей и вторичных обмоток измерительных трансформаторов тока и напряжения из соображений безопасности людей.

В. ^ Грозозащитное заземление – заземление разрядников и молниеотводов.

Сети, в которых выполнено рабочее заземление, становятся заземленными электрическими сетями. Сети, в которых рабочее заземление отсутствует, называют незаземленными сетями.

Способ заземления нейтралей практически не сказывается на нормальном режиме работы сети, но при повреждении фазной изоляции оказывает решающее влияние на режим работы сети: на величину тока замыкания на землю и размеры разрушений, вызываемых им в месте повреждения; на величину напряжений фаз относительно земли и связанных с ними условий работы изоляции; на работу цепей связи. Величина тока замыкания на землю определяет требования, предъявляемые к заземляющим устройствам электроустановок и к релейной защите от замыканий на землю. Принятый способ заземления нейтралей обусловливает электрические характеристики этого аварийного режима и определяет способы защиты электроустановки от него.

Заземление нейтрали может быть осуществлено непосредственным ее соединением с заземляющим устройством электроустановки (глухозаземленная нейтраль) или через индуктивное сопротивление, или активное сопротивление. Чем меньше величина сопротивления в нейтрали, тем больше отличаются токи замыкания на землю и напряжения относительно земли от этих величин в незаземленных системах.

Эффективность заземления нейтрали по условиям работы изоляции удобно характеризовать отношением максимального напряжения неповрежденной фазы относительно земли при замыкании на землю Uфз к нормальному фазному напряжению Uф; это отношение называют коэффициентом эффективности заземления нейтрали

. (1)

Если КЗ1,4, то такое заземление нейтрали называют эффективным, а сеть – эффективно заземленной. Это имеет место, если нейтрали всех или некоторых обмоток электрических машин, объединенных сетями одного напряжения, заземлены наглухо или через небольшое индуктивное сопротивление.

В эффективно заземленных сетях нарушение изоляции на землю означает КЗ, сопровождающееся протеканием больших аварийных токов. Поврежденный участок подлежит быстрому автоматическому отключению устройствами релейной защиты с последующим АПВ.

Если нейтраль заземлена через большое индуктивное сопротивление, величина которого примерно равна результирующему емкостному сопротивлению системы, то такое заземление нейтрали называют резонансным, а сеть – резонансно заземленной.

В резонансно заземленных сетях ток в месте нарушения изоляции и перенапряжения, возникающих при дуговых замыканиях на землю, ограничивают до безопасных значений. Поэтому не требуется немедленного (автоматического) отключения поврежденного участка, который может быть оставлен на некоторое время в работе (не более двух часов), что позволяет снизить требования к резервированию питания потребителей от сети.

Каждый способ заземления нейтрали имеет свои достоинства и недостатки, которые в сетях разных напряжений при разной суммарной протяженности сетей проявляются в той или иной степени. Поэтому универсального решения назвать нельзя. Как будет показано ниже, при повышенных напряжениях (110 кВ и выше) целесообразно применять эффективное заземление нейтрали, а при средних напряжениях (до 35 кВ включительно) – резонансное заземление нейтрали или при малой суммарной протяженности сетей – оставлять нейтрали незаземленными.

Ниже будут рассмотрены свойства сетей для трех характерных способов заземления нейтрали: незаземленная нейтраль, заземленная через резонансно настроенное индуктивное сопротивление и эффективно заземленная нейтраль.

^

2. Сети с незаземленными нейтралями



Если нейтрали обмоток электрических машин незаземлены, то при нарушении фазной изоляции ток повреждения оказывается небольшим: его величина определяется проводимостями фазной изоляции и переходным сопротивлением в месте замыкания на землю. Сопротивлением элементов фазных цепей можно пренебречь, и тогда, исходная схема для простейшего случая будет иметь вид, показанный на рис. 2.

Проводимости фазной изоляции обусловлены, во-первых, емкостями СА, СВ, СС фаз относительно земли, во-вторых, активными сопротивлениями изоляции. Обычно активные проводимости фазной изоляции малы и одинаковы: GA = GB = GC = G.

Емкости фаз относительно земли определяются в основном конструкцией и протяженностью линий электрических сетей. Они, естественно, имеют распределенный характер (на рис. 1. они показаны условно как результирующие сосредоточенные емкости). Для кабельных линий свойственна емкостная симметрия, тогда как воздушные линии, даже при транспонировании проводов, обладают емкостной асимметрией.



Рис. 2. Схема замещения электрической сети с незаземленной нейтралью

Напряжения источника питания будем во всех случаях считать симметричными по фазам:

UА = Uф, UВ = а² Uф, UС = аUф,

где а – оператор фазы.

Воспользовавшись схемой рис. 2. для нормального режима, получим величины, характеризующие электрические сети с незаземленными нейтралями:

А. Напряжение смещения нейтрали (для незаземленной сети равно эквивалентной ЭДС трехфазной цепи между точками Н и З):

(2)

Б. Степень емкостной несимметрии сети:

. (3)

Степень несимметрии кабельных сетей, как и напряжение смещения нейтрали, равна нулю. Степень несимметрии воздушных сетей лежит в диапазоне 0,5...2 %.
При определении напряжений UФЗ в режиме замыкания фазы на землю в сетях с незаземленными нейтралями влиянием несимметрии сети и активных токов утечки можно пренебречь, т. е. принять:

.

Тогда напряжение смещения нейтрали в установившемся режиме замыкания на землю фазы ^ А через переходное сопротивление RП будет равно (рис. 1):

(4)

Напряжение поврежденной фазы А относительно земли:

. (5)



Рис. 3. Кривые зависимости напряжений проводов относительно земли
и напряжения смещения нейтрали от величины переходного
сопротивления в месте замыкания на землю Rп


Напряжения неповрежденных фаз относительно земли:

, (6)

.

На рис. 3 приведены кривые зависимости напряжения смещения нейтрали и напряжений фазных проводов относительно земли от величины переходного сопротивления, выраженного в долях от результирующего емкостного сопротивления сети. Векторная диаграмма напряжений представлена на рис. 4. При металлическом замыкании на землю (RП = 0) напряжение смещения нейтрали максимально и равно фазному напряжению сети, а напряжения поврежденных фаз относительно земли симметричны и равны по модулю междуфазному напряжению (1,73 UФ). По мере увеличения Rп модуль напряжения UН уменьшается, что соответствует скольжению конца вектора UН на векторной диаграмме по полуокружности, опирающейся на вектор UН при металлическом замыкании на землю. Так как вектор напряжения каждой фазы относительно земли равен сумме векторов соответствующего фазного напряжения UН, то концы векторов фазных напряжений UФЗ также скользят по полуокружностям, пристроенным к концам векторов исходных фазных напряжений (на рис. 4 пунктиром показано положение векторов при Rп/Хс сети = 1).

Векторы напряжений UФЗ получаются несимметричными, а треугольник междуфазных напряжений остается неизменным, так что трехфазные потребители электроэнергии не чувствуют этого нарушения нормального состояния питающей сети. Рассмотренное выше относится к установившемуся режиму. Поскольку сети обладают индуктивностями и емкостями, то переход из одного состояния в другое сопровождается переходным процессом, в течение которого напряжения UФЗ могут превышать нормальные фазные напряжения в 2,1...2,2 раза. При замыкании фазы на землю при определенных условиях в месте замыкания может возникнуть перемежающаяся дуга. В этом случае переходный процесс затягивается, а дуговые перенапряжения могут достигать на поврежденной фазе – 2,2 UФ, а на неповрежденных – 3,2 UФ.

Таким образом, условия работы изоляции сетей с незаземленными нейтралями получаются тяжелыми. Коэффициент эффективности заземления нейтрали (по установившемуся режиму) составляет .

Изоляция электрических сетей, содержащих воздушные линии, должна выдерживать атмосферные перенапряжения, ограниченные разрядниками или ОПН-ограничителями от перенапряжений нелинейными. Под действием набегающей волны атмосферного перенапряжения происходит протекание импульсного тока через рабочее сопротивление в землю. Однако вследствие нелинейности рабочего сопротивления напряжение на разряднике, а следовательно, и на изоляции, не поднимается выше некоторой величины, называемой остаточным напряжением UОСТ. После протекания импульсного тока в землю разрядник или ОПН должен погасить дугу сопровождающего тока промышленной частоты при максимально возможном напряжении Uфзм.



Рис.4. Векторная диаграмма напряжений при замыкании фазы
на землю в сети с незаземленной нейтралью


В соответствии с вышесказанным, разрядник или ОПН незаземленной сети должен быть рассчитан на UФЗМ = 1,73UФ, т. е. на линейное напряжение UЛ, а с учетом некоторого запаса – на 1,15UЛ , чем определяется уровень изоляции незаземленных сетей.

Оценим сначала величину тока замыкания на землю IЗ в неразветвленной схеме, приведенной на рис. 2. Согласно первому закону Кирхгофа для узла З, учитывая положительные направления токов, указанные на рис.2, можно записать:

(7)

При металлическом замыкании на землю емкостный ток замыкания на землю будет максимален и по модулю равен:

. (8)


Л1


Л2

Л3


Рис. 5. Распределение ёмкостных токов при замыкании на землю в сети с незаземленной нейтралью

Ток несимметрии и активная составляющая очень малы: IНС в соответствии со значением составляет не более 2 % от Iсм. Таким образом, в незаземленных системах основная составляющая тока замыкания на землю – это емкостный ток, величина которого зависит от характера замыкания (величины Rп) и суммарной емкости сети. В сети небольшой протяженности емкости, а следовательно, и ток замыкания на землю малы и при замыкании фазы на землю данная линия не подлежит немедленному автоматическому отключению.

Рассмотрим теперь картину распределения емкостных токов при замыкании на землю в разветвленной сети (рис. 5). Для простоты взят случай металлического замыкания на землю фазы А на линии Л1, причем, для наглядности взяты другие положительные направления емкостных токов. Емкостные токи в поврежденных фазах неповрежденных линий отсутствуют, а емкостные токи неповрежденных фаз всех Н линий суммируются в обмотках электрической машины (генератора или трансформатора), и суммарный ток протекает через место повреждения. Суммирование токов показано на векторной диаграмме рис. 6.

Результирующий емкостный ток неповрежденной фазы i-й линии при Rп = 0 равен Iсфi = UФ ω Cфi = Uф ω Соi Li, где Соi – частичная емкость фазы на землю i-й линии; Li – длина i-й линии.

Емкостный ток замыкания на землю в месте повреждения:

. (9)

Оценку величины тока Icmax можно выполнить по следующей приближенной формуле:

, (10)

где U – междуфазное напряжение, кВ;

L – суммарная длина линий сети, км;

a – коэффициент, который для воздушных ЛЭП равен 350, а для кабельных – 10.






Рис.6. Векторная диаграмма токов и напряжений при металлическом замыкании на землю в сети с незаземленной нейтралью

В протяженных сетях емкостные токи замыкания на землю обычно превосходят допустимую величину, при которой еще возможна длительная работа с замыканием на землю. В этом случае следует принимать меры для их уменьшения.
^

3. Сети с резонансно заземленными нейтралями



Длительно допускаемым током замыкания на землю Iдоп называется ток, который, протекая в течение 2 часов, не вызывает перехода в междуфазное КЗ.

Для линий электропередачи и оборудования распределительных устройств представляют опасность тепловые и ионизирующие воздействия электрических дуг, возникающих при замыкании на землю.

Длительное горение дуги с токами, превышающими критические значения, может привести к разрушению фарфоровых изоляторов, междуфазной изоляции кабелей или витковой изоляции трансформаторов и способствовать возникновению КЗ.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является средством дугогашения. По сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, правильно используемая компенсация емкостных токов в сетях имеет следующие преимущества:

– уменьшает ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе – до активных составляющих и высших гармоник), обеспечивает надежное дугогашение (предотвращает длительное воздействие заземляющей дуги) и безопасность при растекании токов в земле;

– облегчает требования к заземляющим устройствам;

– ограничивает перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2,5-2,9 UФ (при степени расстройки компенсации 0...0,5 %), безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

– значительно снижает скорости восстанавливающихся напряжений на поврежденной фазе, способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

– предотвращает набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, чем сохраняется качество электроэнергии у потребителей (Q = IС UФV = 0 при резонансной настройке);

– предотвращает развитие в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали), если выполняются ограничения в отношении применения плавких предохранителей на линиях электропередач;

– обеспечивает высокую надежность работы высоковольтных линий без грозозащитного троса;

– исключает ограничения по статической устойчивости при передаче мощности по линиям электропередач.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой.

Принцип компенсации емкостных токов замыкания на землю показан на схеме рис. 7 (в действительной сети к месту замыкания на землю токи подтекают по всем фазам линий через обмотки нагруженных питающих и питаемых трансформаторов, образуя точки токоразделов в сети и земле).



а б в

Рис.7. Cхемы сети при замыкании на землю и векторные диаграммы токов емкостного и активного в сети (а); тока в дугогасящей катушке (ток компенсации) (б); результирующего тока в месте повреждения (в)

Распределенные емкостные и активные проводимости сети на землю равны, соответственно:

и . (11)

Последние обусловлены активными утечками в изоляции и потерями в дугогасящей катушке (рис. 7 а).

Ток дугогасящей катушки (рис. 7 б) возникает в результате воздействия на нее напряжения смещения нейтрали UН = – UА. Он равен:

, (12)

где LК – индуктивность дугогасящей катушки;

rо – сопротивление, эквивалентное активным потерям дугогасящей катушки.

При целесообразно используемой компенсации не менее 85 % замыканий на землю ликвидируется в сети без ущерба для энергоснабжения потребителей.

Длительная работа сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью допускается при емкостных токах замыкания на землю, не превышающих следующие значения:

Таблица 1

Напряжение сети, кВ

6

10

15-20

35 и выше

Емкостный ток замыкания на землю, А

30

20

15

10


Указанные значения токов соответствуют требованиям в [1]. Однако исследования опасности воздействия заземляющих дуг и перенапряжений, а также опыт эксплуатации показали, что в сетях 6 и 10 кВ целесообразно применять дугогасящие катушки тогда, когда емкостные токи замыкания на землю достигают, соответственно, 20 и 15 А. В блочных схемах генератор – трансформатор (на генераторном напряжении), а также в сетях 6-35 кВ с повышенными требованиями к безопасности обслуживания (сети торфоразработок и т. п.) дугогасящие аппараты применяются, если емкостные токи замыкания на землю достигают 5 А.

Дугогасящая катушка представляет собой индуктивность, предназначенную для гашения дуги емкостного тока замыкания на землю и ограничения перенапряжений при повторных зажиганиях заземляющей дуги.

По способам регулирования тока компенсации дугогасящие катушки разделяются на три основных вида:

а) с переключением ответвлений обмотки;

б) с изменением зазоров в магнитной системе;

в) с изменением индуктивности подмагничиванием постоянным током.

Дугогасящие катушки подключаются к нейтрали трансформаторов или генераторов разъединителями (рис. 8). Изолирующий ввод катушки, предназначенный для заземления, соединяется с общим заземляющим контуром через трансформатор тока.

В схеме (рис. 8 а) предусмотрена возможность подключения двух дугогасящих катушек к нейтрали любого из трансформаторов, если один из них отключен от сети по каким-либо причинам. В схеме (рис. 8 б ) мощность каждой дугогасящей катушки выбрана из расчета компенсации емкостного тока замыкания на землю сети, питаемой от соответствующей секции шин. Для подключения дугогасящих катушек использованы трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда – треугольник.

Разъединитель между нейтралью трансформатора и дугогасящей катушкой устанавливается для ее отключения и включения при необходимости изменить настройку. Установка этого разъединителя обязательна, так как отключение ненагруженного трансформатора с дугогасящей катушкой разъединителем Р может привести к возникновению перенапряжений в сети (рис. 8 б).

Объединение нейтралей трансформаторов через нулевую шину
(рис. 8 а) недопустимо, так как при раздельной работе этих трансформаторов со стороны сети при наличии в ней замыкания на землю напряжения на нейтрали U0 одинаково изменяют фазные напряжения разделившихся частей сети, вследствие чего становится невозможным определение части сети, в которой произошло замыкание на землю. Для одной из частей сети будет иметь место эффект мнимого замыкания на землю, избавиться от которого можно только отключением трансформатора. Кроме того, при повреждении изоляции трансформатора, питающего сеть с мнимым замыканием на землю, отключение его действием газовой или дифференциальной защиты от шин и от источника питания не предотвращает протекание тока через место повреждения, так как на нейтрали имеется напряжение U0.

Выключатель со стороны питающей сети устанавливается тогда, когда трансформатор, к нейтрали которого подключена дугогасящая катушка, предназначен для питания нагрузки. Например, такой трансформатор целесообразно использовать для питания собственных нужд. Выключатель заменяется разъединителем, если трансформатор предназначен только для подключения дугогасящей катушки. Обмотки такого трансформатора нормально обтекаются намагничивающими токами. Токи нулевой последовательности появляются в них лишь при замыкании на землю в сети.

Дугогасящие катушки могут подключаться к нейтралям генераторов или синхронных компенсаторов. При этом должны быть приняты меры, предотвращающие срабатывание защиты генератора (компенсатора) при замыкании на землю в сети или же при возникновении в ней какой-либо несимметрии проводимостей фаз на землю. Это достигается пропусканием заземляющей шины дугогасящей катушки через магнитопровод ТНП
(рис. 8 в и г) или же выполнением схемы дифференциальной защиты от замыканий на землю. На магнитопровод ТНП устанавливается дополнительная обмотка, включаемая в цепь трансформатора тока в нейтрали генератора, через который протекает ток дугогасящей катушки.

В схеме блока генератор-трансформатор (рис. 8 д) дугогасящая катушка устанавливается непосредственно у генератора (в ячейке вывода генератора). Для таких дугогасящих катушек применяются упрощенные схемы контроля и сигнализации.



в г д

Рис. 8. Типовые схемы подключения дугогасящих катушек к нейтралям трансформаторов и вращающихся электрических машин:
а – двойная дугогасящая катушка подключается к трансформатору
(при ремонте одного из трансформаторов обе катушки подключаются
к работающему трансформатору); б – Т-1 не имеет нагрузки, Т-2 имеет нагрузку, поэтому он подключается к шинам через выключатель Q;
в – дугогасящая катушка располагается вблизи генератора или синхронного компенсатора (в камере силовой генератор или синхронный
компенсатор электрически связан с распределительной сетью;
г – дугогасящая катушка установлена в ячейке далеко от генераторов;
д – дугогасящая катушка подключена к нейтрали генератора, работающего по схеме блока


Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили осуществлять полную компенсацию емкостного тока сети при любых конфигурациях сети.

Основным достоинством резонансно-заземленных сетей является то, что наиболее вероятные виды нарушения изоляции – замыкание фаз на землю – не развиваются в междуфазные КЗ, что позволяет оставить поврежденный участок сети на время, достаточное для его отыскания и отключения без перерыва питания потребителей. Статистика показывает, что примерно 70 % всех замыканий на землю в компенсированных сетях не сопровождается развитием в междуфазные КЗ. При наличии автоматической настройки эта цифра повышается до 80-90 % .

Кроме того, дугогасящие катушки ограничивают перенапряжение при дуговых замыканиях на землю до 2,2 UФ против 4,2 для незаземленных сетей. Однако поскольку коэффициент эффективности заземления нейтрали резонансно-заземленных сетей остается таким же, как и у незаземленных сетей, то здесь также применяются 115 % разрядники и должен иметь место соответствующий им уровень изоляции. Таким образом, изоляция незаземленных и резонансно-заземленных сетей получается относительно дорогой. Поэтому рациональная область незаземленных и резонансно-заземленных сетей – это область относительно небольших напряжений. В нашей стране исторически сложилось так, что граница этой области лежит на уровне 35 кВ, а в практике других стран – в диапазоне от 20 до 110 кВ.

Если ток замыкания на землю не превышает , то сеть оставляют работать с незаземленными нейтралями, в противном случае нейтрали обмоток машин, установленных в узловых точках сети, заземляют через дугогасящие катушки. Защита от замыканий на землю выполняется специального типа и с действием на сигнал.

Малый ток замыкания на землю, с одной стороны, облегчает конструктивное выполнение заземлений, но, с другой стороны, значительная продолжительность режима замыкания на землю заставляет предъявлять более жесткие требования безопасности.
^

4. Сети с эффективно заземленными нейтралями



Коэффициент эффективности заземления нейтрали не превышает 1,4, если при замыкании на землю в любой точке результирующее индуктивное и активное сопротивления нулевой последовательности невелики и не превышают кратности по отношению к прямой последовательности :

(13)

В связи с этим проводимости фаз относительно земли – емкостные и активные – практически не влияют на токи и напряжения фаз относительно земли при замыканиях на землю и ими можно пренебречь (). Активные сопротивления элементов цепи следует учитывать при определении напряжений , но ими можно пренебречь при вычислении токов замыкания на землю. Полагаем, что система симметрична, т. е. и .

Ниже будет рассматриваться наиболее характерный вид замыкания на землю – однофазное металлическое КЗ. Граничные условия для места КЗ имеют следующий вид:

, , . (14)

В дальнейшшем индекс «к» будет для простоты опускаться.

Воспользуемся методом симметрических составляющих и, учитывая граничные условия (1.14), получим выражение для составляющих тока поврежденной фазы А прямой , обратной и нулевой последовательностей в месте КЗ:

, (15)

а также ; ; , (16)

где – результирующая ЭДС;

, , – результирующие сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей;

, , – напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей поврежденной фазы.

Из (15) и (16) следует, что

,

,

, (17)

.

Напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли, с учетом (17), равны:

(18)



После подстановки в (18) и преобразований с учетом того, что в сетях 110 кВ и выше , получим:

, (19)

.

В этом случае векторная диаграмма получается симметричной (), а концы векторов и с изменением скользят по прямым, параллельным вектору (рис. 11). Полагая, что , получим:

при , ;

при , . (20)



Рис .9. Векторная диаграмма напряжений при однофазном КЗ
в эффективно заземленной сети при Х
1 = Х2

Подставим в (18) сопротивления в виде

,

, где , . (21)

В результате получим:

, (22)

.

Значения активных сопротивлений в схемах прямой и обратной последовательностей невелики и, как правило, не превышают 10 % реактивных сопротивлений, т. е. . В схеме нулевой последовательности вследствие влияния земли активное сопротивление может быть значительно больше. Учитывая это, обозначив , преобразуем выражения (22):

, (23)

.

Как видно из (23) и векторной диаграммы (рис. 9) при пересчете активных сопротивлений () напряжения на неповрежденных фазах равны. Влияние активных сопротивлений имеет место только при и проявляется в том, что напряжение на одной из неповрежденных фаз увеличивается, а на другой уменьшается по сравнению со случаем .



Рис. 10. Зависимость коэффициента заземления КЗ, напряжений
неповрежденных фаз UВз и UСз, напряжения нулевой
последовательности U
0* = U0/U1 от величины а

Учет активных сопротивлений, а также учет возможности увеличения рабочего напряжения на 3 % оказывает существенное влияние на выбор величины а, при которой обеспечивается эффективное заземление нейтрали. Для иллюстрации этого обстоятельства определим КЗ при , (кривая 1 на рис. 10). Как видно, при этом эффективное заземление получается при , т. к. КЗ не превышает 1,4.

Как было сказано ранее, для эффективно заземленных сетей характерны большие токи замыкания на землю.

Ток однофазного КЗ, учитывая выражение (15), будет равен:

, (24)

ток трехфазного КЗ равен: .

Для сравнительной оценки определим отношение тока однофазного КЗ к току трехфазного КЗ в той же точке для начального момента времени:

. (25)

Абсолютное значение напряжения на неповрежденных фазах определяется из векторной диаграммы (рис. 11).



Рис. 11. Векторная диаграмма напряжений при замыкании
одной фазы на землю


, (26)

.

Зависимость коэффициента заземления КЗ от параметра при различных условиях приведена на рис.12. Наибольшие значения КЗ имеют место при учете активных сопротивлений и рабочем напряжении . При таких условиях, как видно из рис. 12, заземление нейтрали будет эффективным, если .

Графически зависимость от а представлена на рис. 12. В диапазоне а = от 0,3 до изменяется от 1,2 до 0,9. Это позволяет заключить, что токи однофазного замыкания на землю в эффективно заземленных сетях соизмеримы с токами К3, а при а → могут превышать ток в 1,3 раза.


ОЕ


^ Рис.12. Кривые зависимости кратности тока однофазного КЗ
к току трехфазного КЗ


Большие токи замыкания на землю приводят к необходимости выполнения соответствующей защиты с действием на отключение поврежденного участка. Но даже несмотря на быстрое отключение однофазного КЗ размеры разрушений в месте нарушения изоляции могут быть весьма значительными, так как КЗ носит обычно дуговой характер. Кроме того, за счет сильных внешних магнитных полей токов нулевой последовательности имеет место значительное, хотя и кратковременное, влияние на линии связи.

Большая величина тока однофазного КЗ влечет за собой усложнение и удорожание заземляющих устройств электроустановок. Заземляющие устройства, которые служат для безопасного проведения тока в землю, получаются более дорогими. Однако кратковременность режима замыкания на землю снижает вероятность попадания человека под опасное напряжение прикосновения или шага в период стекания тока в землю.

Таким образом, основные недостатки эффективно заземленных сетей связаны с большими токами замыкания на землю.

Для ограничения токов однофазного КЗ до значений, не превышающих тока трехфазного КЗ, принимают специальные меры:

а) в сетях 110-220 кВ заземляют нулевые точки не у всех обмоток трансформаторов (частичные заземления);

б) в сетях 330-750 кВ между нулевыми точками и землей иногда включают небольшие индуктивные сопротивления.

Число заземленных нейтралей регулируется диспетчером системы на основании соответствующих расчетов, которые проводятся группой режимов диспетчерского пункта энергосистемы. На электростанциях нейтрали обычно держат заземленными, чтобы предотвратить возможность работы с незаземленной нейтралью отделившегося со станцией участка сети. На подстанциях, напротив, предпочтительнее работа с незаземленными нейтралями понижающих трансформаторов, так как при этом чувствительность защиты от замыканий на землю повышается.

Однако имеется ряд факторов, которые не позволяют в электрической системе заземлять нейтрали трансформаторов исходя только из условия обеспечения желательного режима при однофазном КЗ. Такими факторами являются:

1. Изоляция нейтрали силовых трансформаторов по технико-экономическим соображениям выполняется пониженной. Трансформаторы напряжением 110 кВ, изготовленные до 1998 года, имеют изоляцию нейтрали класса 33 кВ, одноминутное испытательное напряжение которой равно 83 кВ. У трансформаторов, выпускаемых после 1998 года, изоляция нейтрали усилена и имеет одноминутные испытательные напряжения соответственно для номинальных напряжений 110, 220 кВ – 100, 200 кВ. Поэтому трансформаторы в сетях до 220 кВ разрешается не заземлять при условии установки между нейтралью и землей соответствующего разрядника или ОПН.

2. Нейтрали автотрансформаторов должны заземляться обязательно независимо от напряжения, так как в противном случае при однофазном КЗ в сети высшего напряжения может иметь место недопустимое напряжение в фазах в сети среднего напряжения.

3. На электростанциях трансформаторы необходимо эксплуатировать с заземленной нейтралью во избежание работы с незаземленной нейтралью в случае отделения электростанций от системы.

4. На подстанциях понижающие трансформаторы при отсутствии указанных выше ограничений желательно не заземлять, так как при этом улучшаются условия работы защиты от однофазных КЗ.

Необходимость выполнения перечисленных дополнительных условий заземления нейтралей трансформаторов может привести к тому, что условие не будет выполнено и, следовательно, ток однофазного КЗ может быть больше тока трехфазного КЗ.

При установке разрядника или ОПН в нейтраль трансформатора, условием, определяющим готовность его к эксплуатации, является обязательная проверка трансформатора на устойчивость токам однофазного КЗ.

Основным достоинством эффективного заземления сетей являются более благоприятные условия работы изоляции и, как следствие, возможность ее облегчения и удешевления.

Главный недостаток состоит в необходимости быстрого отключения поврежденного участка вследствие большой величины токов однофазного КЗ. Повышение надежности работы эффективно заземленных сетей достигается резервированием сетей и применением устройств АПВ и ОАПВ. Большая величина тока замыкания на землю позволяет выполнить простую релейную защиту, но усложняет конструкцию заземляющих устройств.

5. Глухозаземлённая нейтраль
Защитное заземление, (зануление), является основной мерой защиты металлоконструкции. Основная цель этого мероприятия — защитить от возможного удара током пользователя прибора при замыкании на корпус в том случае, например поражения электрическим током в случае замыкания фазного провода на, когда нарушена изоляция. Иными словами, заземление является дублером защитных функций предохранителей. Заземлять все электроприборы, имеющиеся в доме, нет необходимости: у большинства из них имеется надежный пластмассовый корпус, который сам по себе защищает от поражения электрическим током. Защитное зануление отличается от заземления тем, что корпуса машин и аппаратов соединяются не с "землей", а с заземленным нулевым проводом, идущим от трансформаторной подстанции по четырехпроводной линии электропередач. Для обеспечения полной безопасности человека сопротивление заземлителей (вместе с контуром) не должно превышать 4 ом. С этой целью два раза в год (зимой и летом) производится их контрольная проверка специальной лабораторией.

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования, с заземляющим устройством.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемую часть (точку) с заземлителем. Заземлитель может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы. Качество заземления определяется значением сопротивления заземляющего устройства, которое можно снизить, увеличивая площадь заземлителей или проводимость среды — используя множество стержней, повышая содержание солей в земле и т. д. Электрическое сопротивление заземляющего устройства определяется требованиями ПУЭ

Глухозаземлённая нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно. Глухозаземлённым может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трёхпроводных сетях постоянного тока.

Проводники защитного заземления во всех электроустановках, а также нулевые защитные проводники в электроустановках напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, в том числе шины, должны иметь буквенное обозначение PE (Protective Earthing) и цветовое обозначение чередующимися продольными или поперечными полосами одинаковой ширины (для шин от 15 до 100 мм) желтого и зеленого цветов. Нулевые рабочие (нейтральные) проводники обозначаются буквой N и голубым цветом. Совмещенные нулевые защитные и нулевые рабочие проводники должны иметь буквенное обозначение PEN и цветовое обозначение: голубой цвет по всей длине и желто-зеленые полосы на концах.

Обозначения системы заземления

Первая буква в обозначении системы заземления определяет характер заземления источника питания:

T — непосредственное соединения нейтрали источника питания с землёй;

I — все токоведущие части изолированы от земли.

Вторая буква определяет состояние открытых проводящих частей относительно земли:

T — открытые проводящие части заземлены, независимо от характера связи источника питания с землёй;

N — непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки с глухозаземленной нетралью источника питания.

Буквы, следующие через чёрточку за N, определяют характер этой связи — функциональный способ устройства нулевого защитного и нулевого рабочего проводников:

S — функции нулевого защитного PE и нулевого рабочего N проводников обеспечиваются раздельными проводниками;

C — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечивается одним общим проводником PEN.

Защитное действие заземления основано на двух принципах:

Уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление.

Отвод тока утечки при контакте заземляемого проводящего предмета с фазным проводом. В правильно спроектированной системе появление тока утечки приводит к немедленному срабатыванию защитных устройств (устройств защитного отключения — УЗО).

Таким образом, заземление наиболее эффективно только в комплексе с использованием устройств защитного отключения. В этом случае при большинстве нарушений изоляции потенциал на заземленных предметах не превысит опасных величин. Более того, неисправный участок сети будет отключен в течение очень короткого времени (десятые ч сотые доли секунды — время срабатывания УЗО).

Классификация типов систем заземления приводится в качестве основной из характеристик питающей электрической сети. ГОСТ Р 50571.2-94 «Электроустановки зданий. Часть 3. Основные характеристики» регламентирует следующие системы заземления: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT. Система TN-C

Система TN-C (фр. Terre-Neutre-Combine) предложена немецким концерном AEG в 1913 году. Рабочий ноль и PE-проводник (англ. Protection Earth) в этой системе совмещены в один провод. Самым большим недостатком была возможность появления фазного напряжения на корпусах электроустановок при аварийном обрыве нуля. Несмотря на это, данная система все еще встречается в постройках стран бывшего СССР.


^ Рис. 13 Разновидности систем зануления

На замену условно опасной системы TN-C в 1930-х годах была разработана система TN-S (фр.Terre-Neutre-Separe), рабочий и защитный ноль в которой разделялись прямо на подстанции, а заземлитель представлял собой довольно сложную конструкцию металлической арматуры. Таким образом, при обрыве рабочего нуля в середине линии, корпуса электроустановок не получали линейного напряжения. Позже такая система заземления позволила разработать дифференциальные автоматы и срабатывающие на утечку тока автоматы, способные почувствовать незначительный ток. Их работа и по сей день основывается на законах Кирхгофа, согласно которым текущий по фазному проводу ток должен быть численно равным текущему по рабочему нулю току.

Также можно наблюдать систему TN-C-S, где разделение нулей происходит в середине линии, однако, в случае обрыва нулевого провода до точки разделения, корпуса окажутся под линейным напряжением, что будет представлять угрозу для жизни при касании.

В системе TN-C-S трансформаторная подстанция имеет непосредственную связь токоведущих частей с землёй. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с точкой заземления трансформаторной подстанции. Для обеспечения этой связи на участке трансформаторная подстанция — электроустановки здания применяется совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник (PEN), в основной части электрической цепи — отдельный нулевой защитный проводник (PE).

Зануление — это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей электроустановок, не находящихся в нормальном состоянии под напряжением, с глухозаземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора, в сетях трехфазного тока; с глухозаземленным выводом источника однофазного тока; с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности. Защитное зануление является основной мерой защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью.



^ Рис. 14.Принцип действия зануления

Принцип работы зануления: если напряжение (фаза) попадает на соединенный с нулем металлический корпус прибора, происходит короткое замыкание. Автоматический выключатель, включенный в поврежденную цепь срабатывает от короткого замыкания и отключает линию от электричества. Кроме этого, отключение электричества от линии может выполнять плавкий предохранитель. В любом случае, ПУЭ регламентируют время автоматического отключения поврежденной линии. Для номинального фазного напряжения сети 380/220 В. оно не должно превышать 0,4 с.

Зануление осуществляется специально предназначенными для этого проводниками. При однофазной проводке — это, например, третья жила провода или кабеля. Для того, чтобы отключение аппарата защиты произошло в предусмотренное правилами время, сопротивление петли "фаза-ноль" должно быть небольшим, что, в свою очередь, накладывает на все соединения и монтаж сети жесткие требования качества, иначе зануление может оказаться неэффективным. Помимо быстрого отключения неисправной линии от электроснабжения, благодаря тому, что нейтраль заземлена, зануление обеспечивает низкое напряжение прикосновения на корпусе электроприбора. Это исключает вероятность поражения током человека.

Различают зануление систем TN-C, TN-C-S и TN-S:
^ Система зануления TN-C

Устройство зануления. PNG Простая система зануления, в которой нулевой проводник N и нулевой защитный PE совмещены на всей своей длине. Совместный проводник обозначается аббревиатурой PEN. Имеет существенные недостатки, главный из которых - высокие требования к системам уравнивания потенциалов и сечению PEN-проводника. Применяется для электроснабжения трехфазных нагрузок, например асинхронных двигателей. Применение данной системы в однофазных групповых и распределительных сетях запрещено:

Не допускается совмещение функций нулевого защитного и нулевого рабочего проводников в цепях однофазного и постоянного тока. В качестве нулевого защитного проводника в таких цепях должен быть предусмотрен отдельный третий проводник.
^ Система зануления TN-C-S

Усовершенствованная система зануления, предназначенная для обеспечения электробезопасности однофазных сетей электроустановок. Она состоит из совмещенного PEN-проводника, который соединен с глухозаземленной нейтралью питающего электроустановку трансформатора. В точке, где трехфазная линия разветвляется на однофазные потребители (например в этажном щите многоквартирного дома или в подвале такого дома) PEN-проводник разделяется на PE- и N-проводники, непосредственно подходящие к однофазным потребителям.
^ Система зануления TN-S

Наиболее совершенная, дорогая и безопасная система зануления, получившая распространение, в частности, в Великобритании. В этой системе нулевой защитный и нулевой проводники разделены на всей своей длине, что исключает вероятность ее выхода из строя при аварии на линии или ошибке в монтаже электропроводки.

6. Список используемой литературы


  1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. – М.: Энергия, 1977.

  2. Голубев М.Л. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях 0,4-35 кВ. – М.: Энергия, 1980.

  3. Вагин Г.Я., Чечков В.А. Об определении переходных сопротивлений при расчете токов КЗ в сетях до 1000 В. Инструктивные указания ВНИПИ ТИЭП, 1984. – № 2.

  4. Силюк С.М., Свита Л.М. Электромагнитные переходные процессы: Учебное пособие для ВУЗов. – Мн.: Технопринт, 2000.









Скачать файл (990.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации