Тема 1.2.  Векторные диаграммы. Короткие замыкания в электрических сетях



 

Некоторые сведения о сетях переменного тока.

В большинстве электрических сетей применяется переменный ток, в связи с его существенными преимуществами перед постоянным. К ним можно отнести:

- Отсутствие необходимости его выпрямления, так как генераторы вырабатывают переменный ток, и для его выпрямления требуются механический или диодный выпрямитель.

- Легкость преобразования напряжения в другую величину с помощью трансформаторов. Это дает возможность использовать для передачи энергии высокие напряжения, которые создают меньшие потери энергии, а в местах использования – низкое напряжение, на котором токоприемники становятся проще и дешевле.

Сети могут быть однофазные и трехфазные. Однофазные сети состоят из прямого и обратного провода, т.е. для передачи требуется обязательно 2 провода. Трехфазная сеть состоит из трех проводов. В такой сети иногда обратный провод отсутствует, так как в трехфазной симметричной сети сумма токов трех фаз равна нулю. Если же трехфазная сеть используется для питания однофазных электроприемников, то нагрузка по фазам может быть неодинакова, и появляется необходимость в обратном проводе, в котором протекает разность токов трех фаз. В трехфазном четырехпроводном исполнении выполнены сети 0,4 кВ бытового назначения.

Любые трехфазные сети имеют четвертую точку, которая может существовать физически или условно. Эта точка называется нейтралью. Напряжение в этой точке равно геометрической сумме напряжений трех фаз, а напряжение фазы равно напряжению между фазным проводом и этой нейтральной точкой. Трехфазные аппараты могут иметь обмотки, которые соединяются между собой в звезду – концы всех обмоток соединяются в одну точку (это нейтраль – физически существующая нулевая точка). Если обмотки соединяются в треугольник - каждая обмотка подключается к 2 фазам – такая точка физически отсутствует, однако виртуально она существует – это земля, относительно которой и измеряются фазные напряжения. Напряжение между 2 фазами называется линейным (междуфазным напряжением), напряжение между фазой и землей – фазным.

По режиму нейтрали, сети разделяются на сети с изолированной и заземленной нейтралью.

К сетям с изолированной нейтралью относятся сети напряжением 3-35кВ. В этих сетях нулевая точка изолирована от земли, или соединена с землей через большое сопротивление дугогасящего реактора. Дугогасящий реактор компенсирует емкостной ток замыкания на землю, и через место замыкания, при эффективной настройке реактора емкостной ток не протекает, а протекает только относительно малый активный ток утечки. За рубежом широко применяется и начинает применяться у нас заземление нейтрали через резистор с активным сопротивлением 500 – 100 Ом. При этом уменьшаются перенапряжения в сети при замыканиях на землю, и обеспечивается ток, достаточный для четкой работы защиты от замыкания на землю.

К сетям с заземленной нейтралью относятся сети 110 кВ и более. В сетях с заземленной нейтралью нейтраль обмотки трансформатора соединенной в звезду присоединяется к заземляющему контуру непосредственно, или через малое сопротивление. Сети напряжением 110-220кВ называются также сетями с эффективно заземленной нейтралью. В таких сетях нейтраль части трансформаторов остается разземленной. Это снижет величину тока короткого замыкания и улучшает работу релейной защиты. Однако при этом требуется следить, чтобы ни в одном из возможных режимов не выделялся участок сети, где нейтрали всех трансформаторов изолированы.

Назначение векторных диаграмм

Работникам, занимающимся проектированием и эксплуатацией релейной защиты, часто приходится использовать в своей работе так называемые векторные диаграммы — векторы токов и напряжений, построенные на плоскости в определенном сочетании, соответствующем электрическим процессам, происходящим в рассматриваемой схеме, в определенный момент времени.

Анализ векторных диаграмм токов и напряжений является одним из важных, а в ряде случаев и единственным способом проверки правильности соединения цепей тока и напряжения и включения реле в схемах дифференциальных и направленных защит.

По сути, построение векторной диаграммы целесообразно во всех случаях, когда к рассматриваемому реле подаются две или более электрические величины:

- разность токов в максимальной токовой или дифференциальной защите;

- ток и напряжение в реле направления мощности или в направленном реле сопротивления;

- разность напряжений в балансной защите и т.п.

Векторная диаграмма позволяет сделать заключение о том, как рассматриваемая защита будет работать как при КЗ на защищаемом элементе, так и в других режимах, т. е. оценить правильность ее включения. Взаимное расположение векторов токов и напряжений на диаграмме определяется характеристикой рассматриваемой цепи, а также условно принятыми положительными направлениями токов и напряжений.

Для примера рассмотрим построение двух векторных диаграмм: диаграммы напряжений (рис. 1.3) и диаграммы токов (рис.1.4).

1. На рис. 1.3. показана однофазная цепь переменного тока, состоящая из генератора и последовательно соединенных емкостного, активного и индуктивного сопротивлений.

Рис.1.3. Последовательная цепь (а) и ее векторная диаграмма (б).

 

Примем при этом, что индуктивное сопротивление больше емкостного (XL > XC). Положительные направления токов и напряжений обозначены на рис. 1.3.а стрелками.

Построение векторной диаграммы начнем с вектора ЭДС Е, который расположим на рис. 1.3.б вертикально. Модуль тока, проходящего в рассматриваемой цепи:

Поскольку в рассматриваемой цепи имеются активные и реактивные сопротивления, причем , вектор тока отстает от вектора напряжения на угол :

Напряжение в точке n на рис. 1.3.аопределится согласно следующему выражению:

На рис. 1.3.б построен вектор  отстающий от вектора  на угол 90°. Напряжение в точке п  определится разностью векторов  и . Напряжение в точке т определится аналогично:

Как видно из рис. 1.3.б, этот последний вектор будет равен падению напряжения в индуктивном сопротивлении .

2. Рассмотрим другую цепь переменного тока, приведенную на рис. 1.4.а.

Рис. 1.4. Параллельная электрическая цепь (а) и ее векторная диаграмма (б).

 

Построим векторную диаграмму токов, характеризующую распределение токов в параллельных ветвях. Для построения диаграммы примем, что активное и емкостное сопротивления равны:

Построение векторной диаграммы начнем с вектора , который расположим горизонтально. Затем построим вектор падения напряжения на сопротивлениях , отстающий от вектора  на угол . Так как результирующее сопротивление имеет активно-емкостный характер, угол определяется следующим выражением:

В рассматриваемом случае  = 45°. Вектор тока , проходящего по активному сопротивлению, совпадает с , а опережает  на 90°, как показано на рис. 1.4.б.

Векторные диаграммы при наличии трансформации.

При наличии в электрической цепи трансформаторов необходимо ввести дополнительные условия, для того чтобы сопоставлять векторные диаграммы токов и напряжений на разных сторонах трансформатора. Положительные направления токов при этом следует задавать с учетом полярности обмоток трансформатора. В зависимости от направления намотки обмоток трансформатора взаимное направление токов в них меняется. Для того чтобы определять направление токов в обмотках силового трансформатора и сопоставлять их между собой, обмоткам трансформатора дают условные обозначения «начало» и «конец».

Рис. 1.5. Векторные диаграммы при наличии трансформации.

 

Между источником ЭДС и нагрузкой включим трансформатор (рис. 1.5.а). Обозначим начала первичной и вторичной обмоток силового трансформатора буквами А и а, концы — X и х. При этом следует иметь в виду, что начало одной из обмоток принимается произвольно, а второй — определяется на основании условных положительных направлении токов, заданных для обеих обмоток трансформатора.

На рис. 1.5.апоказаны положительные направления токов в обмотках силовых трансформаторов. В первичной обмотке положительным считается направление тока от начала к концу, а во вторичной — от конца к началу. При таких условно принятых положительных направлениях токов в обмотках трансформатора направление тока в нагрузке остается таким же, каким оно было бы при отсутствии трансформатора и непосредственном подключении нагрузки к генератору. При этом, поскольку магнитные потоки, создаваемые в магнитопроводе трансформатора обоими токами (первичным и вторичным), направлены встречно, для идеального трансформатора (пренебрегая током намагничивания) можно записать следующее равенство:

или ,

где  и  - магнитные потоки в магнитопроводе трансформатора, а  и  - магнитодвижущие силы (МДС), создающие эти потоки.

Из последнего уравнения:

Согласно последнему равенству векторы и имеют одинаковые знаки и, следовательно, будут совпадать по направлению (см. рис. 1.5.б). Таким образом, условно принятые положительные направления токов в обмотках трансформатора удобны тем, что векторы первичного и вторичного токов на векторной диаграмме совпадают по направлению (рис. 1.5.б). Для напряжений также удобно принять такие положительные направления, чтобы векторы первичного и вторичного напряжений на обмотках совпадали. При этом в первичной обмотке положительным считается направление вектора напряжения от начала к концу обмотки, во вторичной обмотке – аналогично.

При трехфазной системе, в зависимости от схемы соединения обмоток трансформатора (в звезду или треугольник), способа соединения выводов для образования треугольника и порядка подключения фаз сети к выводам трансформатора возможно получение различных групп соединения.

Группой соединения трансформаторасчитается сдвиг по фазе линейного (фазного) напряжения обмотки НН по отношению к одноименному линейному (фазному) напряжению обмотки ВН. Группы соединения принято определять по циферблату часов, считая вектор напряжения ВН исходным и направленным на цифру 12. Цифра на циферблате, на которую укажет вектор напряжения обмотки НН и определяет группу соединения обмоток. В нашей стране применяются в основном трансформаторы групп 12 (Y/Y) и 11 (Y/ ), но в зависимости от способа подключения обмоток к фазам сети, иногда встречаются (очень редко) также группы 1, 5, 7.

Рис. 1.6. Схема соединения и векторная диаграмм трансформатора .

 

На рис. 1.6 представлена схема соединений и векторная диаграмма токов и напряжений для трехфазного трансформатора Y/Y-12. Схема и диаграммы аналогичны вышеизложенным для однофазного трансформатора.

 

Рис. 1.7. Схема соединения и векторная диаграмм трансформатора .

 

На рис. 1.7, представлена схема соединений трансформатора Y/ -11, и векторные диаграммы напряжений и токов, соответствующие данной схеме соединения. На стороне высшего напряжения, где обмотки соединены в звезду, междуфазные напряжения в  раз превышают фазные напряжения. На стороне же низшего напряжения, где обмотки соединены в треугольник, междуфазные и фазные напряжения равны. Векторы междуфазных напряжений стороны низшего напряжения опережают на 30° аналогичные векторы междуфазных напряжений стороны высшего напряжения, что и соответствует схеме соединений Y/ -11.

Для рассматриваемой схемы соединений обмоток трансформатора можно построить и векторные диаграммы токов, проходящих с обеих его сторон. При этом следует иметь в виду, что на основании принятых нами условий определяются только положительные направления токов в обмотках трансформатора. Положительные же направления токов в линейных проводах, соединяющих выводы обмоток низшего напряжения трансформатора с шинами, могут быть приняты произвольно независимо от положительных направлений токов, проходящих в треугольнике.

Сформулированные выше правила построения векторных диаграмм токов и напряжений в схемах с трансформаторами действительны и для измерительных трансформаторов тока и напряжения.

 

Повреждения и ненормальные режимы работы в энергосистемах

Основные сведения о коротких замыканиях. Короткие замыкания, возникающие в электрических сетях, машинах и аппаратах, отличаются большим разнообразием как по виду, так и по характеру повреждения.

Для упрощения расчетов и анализа поведения релейной защиты при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения токов и напряжений. В частности, как правило, не учитывается при расчетах переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственные (или, как говорят, «глухое» или «металлическое») соединение фаз между собой, или на землю (для сети с заземленной нейтралью). Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов, емкостные токи линий электропередачи напряжением до 330 кВ и другие факторы, сопротивления всех трех фаз считаются одинаковыми.

Рис. 1.8. Основные виды КЗ.

 

На рис. 1.8 показаны основные виды КЗ:

а)  трехфазное КЗ ( );

б) двухфазное КЗ ( );

в) двухфазное КЗ на землю ( );

г) однофазное КЗ на землю ( ).

Как говорилось ранее, основными причинами, вызывающими повреждения на линиях электропередачи, являются перекрытия изоляции во время грозы, схлестывания и обрывы проводов при гололеде, набросы, перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции, ошибки персонала и др.

Трехфазное короткое замыкание. Симметричное трехфазное КЗ - наиболее простой для расчета и анализа вид повреждения. Он характерен тем, что токи и напряжения всех фаз равны по значению как в месте КЗ, так и в любой другой точке сети:

 

Рис. 1.9. Векторная диаграмма при симметричном трехфазном КЗ.

 

 Поскольку рассматриваемая система симметрична, ток КЗ, проходящий в каждой фазе, отстает от создающей его ЭДС на одинаковый угол ( ), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи короткого замыкания:

Для линий 110 кВ этот угол равен 60…78°; для 220 кВ – 73…82°.

Напряжение в месте КЗ равно нулю, а в любой другой точке сети может быть определено расчетом. Так как все фазные и междуфазные напряжения в точке трехфазного короткого замыкания равны нулю, а в точках, удаленных от места КЗ на небольшое расстояние, их уровни незначительны, рассматриваемый вид повреждения представляет наибольшую опасность для работы энергосистемы с точки зрения устойчивости параллельной работы электростанций и узлов нагрузки.

Двухфазное короткое замыкание.При двухфазном КЗ токи и напряжения разных фаз неодинаковы. Рассмотрим соотношения токов и напряжений, характерные для двухфазного КЗ между фазами В и С (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Векторная диаграмма при двухфазном КЗ.

 

В поврежденных фазах и месте КЗ проходят одинаковые токи, а в неповрежденной фазе ток КЗ отсутствует:

 

Междуфазное напряжение ( ) в месте КЗ равно нулю, а фазные напряжения:

Так же как и при трехфазном КЗ, токи, проходящие в поврежденных фазах, отстают от создающей их ЭДС (в данном случае от ЭДС  или параллельного ему вектора ) на угол , определяемый соотношением активных и реактивных сопротивлений цепи.

По мере удаления от места КЗ фазные напряжения   и междуфазное напряжение  будут увеличиваться, как показано на рис.штриховыми линиями.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей рассматриваемый вид повреждения представляет значительно меньшую опасность, чем трехфазное КЗ.

 

Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с заземленной нейтралью.

Этот вид повреждения для сетей с изолированной нейтралью практически не отличается от двухфазного КЗ. Токи, проходящие в месте КЗ и в ветвях рассматриваемой схемы, а также междуфазные напряжения в разных точках сети имеют те же самые значения, что и при двухфазном КЗ аналогично рис.1.10).

Рис. 1.11. Векторная диаграмма при двухфазном КЗ на землю.

В сетях же с заземленной нейтралью двухфазное КЗ на землю значительно более опасно, чем двухфазное КЗ (рис.1.11). Это объясняется более значительным снижением междуфазных напряжений в месте КЗ, так как одно междуфазное напряжение уменьшается до нуля, а два других – до значения фазного напряжения неповрежденной фазы:

 

Однофазное короткое замыкание в сети с заземленной нейтралью.

Однофазное КЗ может иметь место только в сетях с заземленной нейтралью. Векторные диаграммы токов и напряжений в месте однофазного КЗ фазы А и формулы, определяющие соотношения между ними даны ниже:

,

Рис. 1.12. Векторная диаграмм при однофазном КЗ.

 

Однофазные КЗ, сопровождающиеся снижением до нуля в месте повреждения только одного фазного напряжения, представляют меньшую опасность для работы энергосистемы, чем рассмотренные выше междуфазные КЗ.

 

Однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью.

В сетях с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 3—35 кВ, работающие с изолированной нейтралью, или с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сопровождается значительно меньшими токами, чем токи КЗ (рис.13).

Рис. 1.13. Однофазное КЗ в сети с изолированной нейтралью.

 

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы (  на рис. 1.13.а) относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз  и  увеличиваются в  раз и становятся равными междуфазным (  и  на рис. 1.13.б).

Под действием напряжений  и  через место повреждения проходит ток , замыкающийся через емкости неповрежденных фаз В и С. Емкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания, и поэтому ток через нее не проходит. Значение тока в месте замыкания на землю определяется следующим выражением:

 , где

 - суммарное сопротивление цепи замыкания на землю.

Поскольку активные и индуктивные сопротивления генераторов, трансформаторов и кабельных линий много меньше, чем емкостное сопротивление сети, ими можно пренебречь, тогда:

 , где

 - частота сети, равная 50 Гц;

С – емкость одной фазы сети относительно земли.

 

Поскольку при замыкании фазы А на землю напряжения фаз В и С относительно земли равны по значению междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60°, то:

В результате получим:

Для воздушных линий можно принимать следующие удельные значения емкостных токов:  6 кВ — 0,015 А/км; 10 кВ — 0,025 А/км; 35 кВ — 0,1 А/км. Для сетей с изолированной нейтралью считается допустимой работа при емкостных токах замыкания на землю не превосходящих величины 20А,15А, 10А соответственно для сети 6кВ, 10кВ, 35кВ.

Для снижения тока замыкания на землю применяются специальные компенсирующие устройства - дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля, или до небольшого остаточного значения.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшие значения, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, однофазное замыкание на землю не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал. Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в  раз напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение ограниченного времени. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок, так как пробой изоляции другой фазы может произойти в другом месте данной линии, или вообще на другой линии или шинах. Такое замыкание называется двойным замыканием на землю. При таком коротком замыкании, ток проходит часть пути от одного места замыкания к другому через землю. В данном случае в принципе достаточно отключить только одно место замыкания.


Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 7453; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!