Векторные диаграммы токов и напряжений при коротких замыканиях и в нагрузочных режимах

Стр 1 из 11Следующая ⇒

Симметричные составляющие в релейной защите.

Виды коротких замыканий.

Севастополь

2013г.

621.316 – 52 (075.8)

Л 771

УДК 621.316.9 189(075.8)

Лопатин В.Г., Лопатина Н.П.

Л 771 Симметричные составляющие в релейной защите. Виды коротких замыканий. Учебное пособие. – Севастополь: СНУЯЭиП, 2013, ….стр.

В настоящем учебном пособии рассмотрены вопросы практического применения метода симметричных составляющих в анализе анормальных режимов работы защищаемого электрооборудования и функционирования устройств релейной защиты при отдельных конкретных видах коротких замыканий.

Учебное пособие может быть полезным студентам очной и заочной форм обучения по специальностям « Электрические станции», «Электротехнические системы электропотребления».

Издание СНУЯЭиП,

2013 год

Содержание

Введение	Стр.
1 Виды повреждений и анормальных режимов в энергосистемах
1.1 Нарушения нормального режима работы энергосистем
1.2 Виды коротких замыканий
1.3 Векторные диаграммы токов и напряжений при коротких замыканиях и в нагрузочных режимах
2 Метод симметричных составляющих в релейной защите
2.1 Общие положения
2.2 Оператор а и его свойства. Примеры разложения несимметричной трехвекторной системы на составляющие прямой, обратной и нулевой последовательностей
3 Виды коротких замыканий
3.1 Трехфазное короткое замыкание
3.2 Двухфазное короткое замыкание
3.3 Однофазное короткое замыкание
3.4 Двухфазное короткое замыкание на землю в одной точке
3.5 Однофазное замыкание на землю
3.6 Двойное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью в разных точках
4 Анормальные режимы работы ЭЭС
4.1 Сверхтоки в ЭЭС
4.2 Качания и асинхронный режим
5 Токораспределение в сети со стороны питающего напряжения силовых трансформаторов при несимметричных коротких замыканиях за трансформатором
5.1 Токораспределение в сети на стороне Δ силового трансформатора (Δ/Y-11) при однофазном КЗ за трансформатором
5.2 Токораспределение в сети на стороне Δ силового трансформатора (Δ/Y-11) при двухфазном КЗ за трансформатором
5.3 Токораспределение в сети на стороне Δ силового трансформатора (Δ/Y-11) при двухфазном (К^(1.1)) замыкании на землю за трансформатором
5.4 Токораспределение на стороне питающего напряжения силового трансформатора (ТСН), (Δ/Δ-Δ-12) при двухфазном (К⁽²⁾) коротком замыкании за трансформатором
5.5 Токораспределение на стороне питающего напряжения силового трансформатора (РТСН), (Y /Δ-Δ-11) при К⁽²⁾ за трансформатором
5.6 Анализ условий работы токовых защит с различными схемами соединения обмоток ТТ и реле при двухфазном КЗ за трансформатором (Y /Δ-11)
6 Перечень контрольных вопросов
7 Перечень тем расчетно-графических работ, рекомендованных к выполнению
Литература

Введение

Анализ функционирования устройств релейной защиты, устанавливаемых на электрооборудовании станций и подстанций, предполагает и требует глубокого знания и понимания студентами электрофизических процессов, происходящих в защищаемом электрооборудовании, а также функционирования устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики. В настоящем учебном пособии на примерах отдельных видов коротких замыканий в сетях рассмотрен симметричный состав полных напряжений и токов КЗ. Подробно рассмотрено токораспределение на стороне питающего напряжения силовых трансформаторов (Δ/Y-11; Δ/Δ-Δ – 12; Y/Δ-Δ-11), применяемых в главной схеме и схеме собственных нужд АЭС. Рассмотрено также функционирование отдельных схем соединений обмоток ТТ и реле в устройствах релейной защиты силовых трансформаторов при несимметричных коротких замыканиях за трансформатором.

Авторы надеются, что предлагаемое учебное пособие окажет помощь студентам в освоении дисциплин «Электромагнитные переходные процессы», «Элементы релейной защиты и автоматики», «Эксплуатация релейной защиты и автоматики», «Релейная защита и автоматизация ЭС».

Виды повреждений и анормальных режимов в энергосистемах

Нарушение нормального режима работы энергосистем

В процессе эксплуатации высоковольтных систем и электрооборудования приходится учитывать практическую возможность возникновения ненормальных режимов работы и аварий, при которых электроснабжение потребителей и условия нормальной работы электрооборудования нарушаются:

· ухудшается качество электроэнергии за счет недопустимых отклонений от номинала напряжения и частоты;

· получается недоотпуск электроэнергии потребителям;

· происходят повреждения электрооборудования.

Как показывает многолетняя практика эксплуатации энергосистем, аварии наступают в основном в результате нарушения изоляции электрооборудования, приводящего к коротким замыканиям (КЗ). Нарушения изоляции, в свою очередь, могут вызываться различными причинами:

· снижением электрической прочности изолирующих материалов (старение, длительные термические воздействия, механические воздействия и др);

· перенапряжениями;

· механическими повреждениями изоляции кабелей;

· набросом проводов на воздушных ЛЭП;

· прямыми ударами молний и др.

Линии электропередач являются одним из наиболее уязвимых мест в энергосистемах. Значительное число повреждений происходит именно в воздушных линиях (обрывы проводов при обледенениях, разрушения и падение опор ЛЭП), а также в кабельных линиях. Распределение общего числа аварий по месту их возникновения в энергосистемах характеризуется следующими статистическими данными:

· аварии в электрических сетях (воздушных и кабельных) – 44,5%;

· аварии в электрической части станций и подстанций – 55,5%.

Распределение аварий по причинам их возникновения характеризуется следующими примерными данными:

· КЗ грозового происхождения – 7,2%;

· повреждение проводов, схлестывания, набросы – 10,9%;

· повреждение кабелей – 21,3%;

· повреждение опор – 3,2%;

· повреждение линейных изоляторов – 1,9%;

· повреждения оборудования станций и подстанций - 28,4%;

· неправильные действия релейной защиты и противоаварийной автоматики – 11,9%;

· ошибки обслуживающего персонала – 15,2%.

По степени симметрии токов и напряжений в трехфазной системе различают симметричные режимы и несимметричные. Симметричными режимами являются такие, при которых симметрия токов и напряжений всех трех фаз не нарушается. Сюда относятся случаи равномерной перегрузки всех трех фаз, качаний в энергосистеме, трехфазных коротких замыканий.

Несимметричные режимы охватывают большое число нарушений нормального режима, при которых одна из фаз оказывается в условиях, отличных от условий остальных фаз; или когда все три фазы оказываются в различных режимах. Сюда относятся случаи неравномерной загрузки фаз, несимметричных трехфазных КЗ (через неравные переходные сопротивления), случаи несимметричных КЗ в одной или разных точках. Несимметричные режимы, при которых только одна (из трех) фаза оказывается в особых условиях, отличных от остальных, считаются простыми. При этом фаза, оказавшаяся в отличных от остальных фаз условиях, называется особой фазой.

Остальные виды несимметричных режимов, при которых все три фазы оказываются в различных условиях, относятся к числу сложных несимметричных режимов.

Практика показывает, что в сетях с глухозаземленной нулевой точкой наиболее часты повреждения в виде однофазных КЗ (К⁽¹⁾), которые составляют примерно (60-70)% от всех видов КЗ.

Относительная вероятность двухфазных КЗ (К⁽²⁾) лежит в пределах (10-15)%. Количество трехфазных КЗ (К⁽³⁾) составляет 5%. Причем с повышением класса напряжения ЛЭП вероятность возникновения К⁽³⁾ уменьшается.

В практике эксплуатации высоковольтных сетей неоднократно имели место случаи одновременных коротких замыканий в разных точках, а также случаи КЗ с одновременными обрывами фаз и падениями фазных проводов на землю.

В сетях с глухозаземленной нулевой точкой нарушение нормального режима работы одновременно в нескольких точках может иметь место в период интенсивных грозовых явлений.

Виды коротких замыканий

Короткие замыкания подразделяются на трехфазные (К⁽³⁾), двухфазные (К⁽²⁾), однофазные (К⁽¹⁾), двухфазные на землю (К^(1.1)); кроме того, в сетях с изолированной нейтралью возможны однофазное замыкание на землю (033), ( ) в одной точке и двойное замыкание на землю в разных точках ( ), (рисунок 1.1).

При КЗ в контуре накоротко замкнутой ЭДС источника питания возникает большой величины ток короткого замыкания . В свою очередь, вследствие увеличения токов в фазах возрастают падения напряжения в элементах энергосистемы, что приводит к понижению напряжений во всех точках сети. Релейную защиту чаще всего интересуют остаточные напряжения на шинах подстанции (станции), так как чаще всего именно с шин с помощью измерительных трансформаторов напряжения снимаются остаточные напряжения, которые подаются в устройства РЗ.

На рисунке 1.2 приведена зависимость остаточного напряжения на шинах подстанции от удаленности места возникновения КЗ. При металлическом КЗ (переходное сопротивление в месте повреждения R_п ≈ 0) напряжение фазного провода в точке К можно принять равным нулю (за исключением случая двухфазного КЗ).

Рисунок 1.2. Зависимость остаточного напряжения на шинах подстанции 1 от удаленности точки КЗ

Остаточное напряжение на шинах подстанции можно определить из выражения

где: (1.1)

· - ток короткого замыкания, протекающий на участке сети от шин подстанции 1 до точки К;

· - полное сопротивление участка сети от шин подстанции до точки К.

Происходящие при КЗ увеличение тока и снижение напряжения приводят к ряду тяжелых последствий:

· ток КЗ I_к выделяет в активном сопротивлении цепи, по которой он протекает в течение времени t, теплоту

(1.2)

выделяемая теплота Q и пламя электрической дуги в месте возникновения КЗ приводят к большим разрушениям, которые тем больше, чем больше значение I_к и время его протекания;

· при протекании больших токов КЗ усиливаются электродинамические взаимодействия между проводниками, в которых возникают значительные механические напряжения;

· понижение напряжения в сети при КЗ нарушает работу потребителей;

· снижение напряжения может сопровождаться нарушением устойчивости параллельной работы генераторов, что может привести к распаду энергосистемы.

Особым видом повреждения является замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью (или заземленной через большое сопротивление дугогасящего реактора). При этом виде повреждения короткого замыкания не происходит, так как ЭДС Е поврежденной фазы не шунтируется накоротко появившимся соединением с землей. Возникающий в месте повреждения ток замыкания (рисунок 1.1, д) проходит через емкости проводов (неповрежденных) относительно земли и не достигает большой величины. При этом виде повреждения междуфазные напряжения не изменяются, поэтому однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью не отражается на работе потребителей. Однако этот вид повреждения вызывает возрастание напряжений неповрежденных фаз относительно земли. Последнее может привести к пробою изоляции прежде неповрежденной фазы, в результате чего может возникнуть двойное замыкание на землю (рисунок 1.1, е), которое с некоторым приближением можно рассматривать как двухфазное короткое замыкание.

Векторные диаграммы токов и напряжений при коротких замыканиях и в нагрузочных режимах

Для уяснения условий работы устройств релейной защиты (РЗ) удобно использовать векторные диаграммы подводимых к реле токов и напряжений. Для упрощения расчетов и анализа поведения РЗ при повреждениях исключаются отдельные факторы, не оказывающие существенного влияния на значения напряжений и токов. Поэтому при построении векторных диаграмм могут быть приняты следующие допущения:

· для упрощения рассматривается установившийся режим КЗ на ЛЭП с односторонним питанием и при отсутствии нагрузки (за исключением отдельных случаев, которые особо оговариваются);

· не учитывают (как правило) переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как непосредственное соединение фаз между собой или на землю;

· не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и емкостные токи ЛЭП напряжением до 330 кВ (за исключением отдельных особых случаев);

· для получения действительных углов сдвига фаз между токами и напряжениями учитываются как реактивные, так и активные сопротивления цепи КЗ;

· электрическая система, питающая место КЗ замещается одним эквивалентным генератором с фазными ЭДС Е_А, Е_В, Е_С, которые представляют собой симметричную систему векторов; относительно этих векторов строятся векторные диаграммы токов и напряжений короткого замыкания;

· за положительное направление токов принимается их направление от источника питания к месту КЗ. Соответственно, положительными считаются те ЭДС, направления которых совпадают с положительными направлениями токов.

При вычислении значений токов и напряжений элементы энергосистемы заменяются в расчетных схемах активными и реактивными сопротивлениями. Генераторы, трансформаторы и реакторы обычно замещают индуктивными сопротивлениями, а линии – активно-индуктивными сопротивлениями. Большинство потребителей также замещаются активно-индуктивными сопротивлениями.

На рисунке 1.3 представлена упрощенная схема электрической трехфазной сети (не учитывающая влияние трансформаторов станции и подстанции) в однофазном исполнении, состоящей из генератора 1, станции 2, линии электропередачи 3, подстанции 4 и электроприемника (-ов) 5.

Поскольку режим работы рассматриваемой сети принимаем симметричным, схема замещения может быть изображена для одной фазы. На этой схеме генератор G замещен эквивалентной ЭДС Е и индуктивным сопротивлением Х_г, линия – индуктивным сопротивлением Х_л и активным сопротивлением R_л. Потребитель замещен индуктивным сопротивлением Х_н и активным сопротивлением R_н.

Из схемы замещения следует, что I_г = I_л= I_н= І. При построении векторной диаграммы тока и напряжений за исходный примем вектор тока I (рисунок 1.4). Падение напряжения на полном сопротивлении нагрузки Z_н равно геометрической сумме напряжений.

(1.3)

Угол между векторами и определяется соотношением сопротивлений R_н и Х_н

. (1.4)

Угол определяется соотношением сопротивлений R_н + R_л и Х_н + Х_л, то есть

. (1.5)

Угол системы φ_с определяется соотношением активных и реактивных сопротивлений, входящих в систему от генератора до потребителей включительно

. (1.6)

Воздушные ЛЭП имеют характер полного сопротивления, как правило, активно-индуктивный. Нормально нагруженная воздушная линия имеет угол мощности φ_с около 10º ÷ 20º. С увеличением нагрузки угол φ_с может возрастать до 25º ÷ 30º. Часто для увеличения коэффициента мощности линии (cos φ) применяют искусственную компенсацию индуктивности линии путем применения емкостных компенсаторов, что приводит к уменьшению угла φ_с (φ_л) и, следовательно, к увеличению cos φ линии. При коротких замыканиях в воздушных линиях шунтируется (отсекается) потребитель, который в значительной степени определяет значение углов φ_с и φ_л, и характер полного сопротивления линии становится более реактивным, то есть, другими словами при КЗ в воздушной линии угол φ_с (φ_л) может возрастать до 60º ÷ 88º. Это необходимо учитывать при построении релейных защит и анализа их функционирования.

Несколько иначе обстоит дело в кабельных линиях. Поскольку в кабеле расстояние между фазными проводами мало, а междуфазные емкости сравнительно велики, то в нем происходит значительная компенсация индуктивного сопротивления жил кабеля емкостными междуфазными сопротивлениями. В результате этого характер полного сопротивления кабельной ЛЭП ближе к активному. Как показывают исследования, при коротком замыкании в конце силового кабеля угол сдвига фаз между током КЗ в фазном проводе и остаточным напряжением на одноименной фазе возрастает незначительно (приблизительно до 10º ÷ 15º). Для сравнения можно привести тот факт, что при групповом самозапуске асинхронной нагрузки собственных нужд АЭС угол сдвига фаз между фазными токами и напряжениями одноименных фаз возрастает до десятков электрических градусов (приблизительно до 40º ÷ 70º), что позволяет построить релейную защиту кабельной линии более чувствительной и селективной, используя, например, чувствительное токовое реле и реле реактивной мощности.

На практике иногда нужна не вся векторная диаграмма (рисунок 1.4), а лишь ее часть, например, токи, протекающие по линии, и напряжения на шинах подстанции (рисунок 1.5). Как следует из диаграммы, приведенной на рисунке 1.5, режим работы потребителя и сети в целом является нормальным.

Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 882; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!