Расчет несимметричных токов короткого замыкания

Несимметричные короткие замыкания

Общие положения

С целью упрощения вычислений токов и напряжений при несимметричных КЗ применяется метод симметричных составляющих, также используются дополнительные допущения и требования:

1) несимметрия возникает только в одном месте схемы, другая часть остается симметричной;

2) анализируются и определяются только основные гармоники тока и напряжения;

3) в сетях с эффективно заземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше, а также с глухозаземленной нейтралью 0,38–0,66 кВ рассматривают все виды КЗ.

***

Конфигурация схемы нулевой последовательности отличается от схем замещения прямой и обратной последовательности.

Началом схемы замещения является точка с потенциалом земли, а концом – точка возникшей несимметрии.

При нескольких заземленных нейтралях токи нулевой последовательности разветвляются между ними.

Концы элементов схемы, через которые возвращаются токи нулевой последовательности, имеют потенциал земли. Поэтому их объединяют в общую точку.

Если нейтраль заземлена через сопротивление, то его вводят в схему замещения утроенной величиной, т.к. через него протекает утроенный ток.

***

Токи нулевой последовательности, протекающие в трех фазах воздушных линий (ВЛ), возвращаются к источнику питания через землю и частично через заземляющий трос.

В ВЛ, защищенных от прямых ударов молний заземленным тросом, расстояние между проводами и тросом значительно меньше расстояния между проводами и землей. Поэтому индуктивность петли провод–трос меньше индуктивности петли провод–земля. Следовательно, заземленный трос уменьшает индуктивное сопротивление нулевой последовательности ВЛ.

Индуктивное сопротивление нулевой последовательности двухцепной ВЛ выше, чем у одноцепной ВЛ по причине электромагнитного влияния токов нулевой последовательности, протекающей в проводах соседней ВЛ.

В расчетах ТКЗ можно ориентироваться на средние соотношения сопротивлений нулевой и прямой последовательностей X0/X1:

Одноцепная линия:

- без тросов3,5

- со стальными тросами 3,0

- со сталеалюминевыми тросами 2,0

Двухцепная линия:

- без тросов 5,5

- со стальными тросами 4,7

- со сталеалюминевыми тросами 3,0

***

Сети напряжением 6–35 кВ по технико-экономическим соображениям выполняются без эффективного заземления нейтрали. Нарушение изоляции одной фазы может привести к возникновению однофазного замыкания на землю.

Фазное напряжение в месте повреждения становится равным нулю, а напряжения других фаз увеличиваются в 1,73 и более раз, хотя система междуфазных напряжений и режимы работы электроприемников потребителей практически не изменяются. Ток замыкания на землю по сравнению с током нагрузки относительно мал и, как правило, не вызывает перегрузки сети. Поэтому замыкание на землю считается не аварийным, но анормальным режимом.

Емкостные сопротивления сети значительно больше соответствующих индуктивных и активных сопротивлений. Это позволяет пренебречь последними и считать, что:

1) величина тока практически не зависит от места замыкания в сети;

2) поскольку ток замыкания на землю относительно мал, то напряжение источника питания практически неизменно.

***

При замыкании в трехфазной сети фазы на землю путь для тока, идущего в землю, осуществляется через емкостную проводимость каждой фазы относительно земли. Ток, поступая в землю в месте повреждения, возвращается в сеть по неповрежденным фазам через их емкостные проводимости относительно земли.

Система емкостных токов при замыкании на землю является неуравновешенной и поэтому, применяя метод симметричных составляющих, ее можно считать системой токов нулевой последовательности. В реальных условиях емкостная проводимость сети равномерно распределена по ее длине и наибольший ток замыкания на землю в 3 раза превышает емкостный ток одной фазы, работающей в нормальных условиях.

Для ориентировочных расчетов используется упрощенная методика определения тока замыкания на землю по формуле

I(1) = Uном L/K, А

где Uном – номинальное напряжение сети, кВ; L – длина сети, км; К – коэффициент, принимающий значения: 350 – для ВЛ; 10 – для КЛ.

***

Согласно Правилам устройства электроустановок работа электрических сетей напряжением 6–35 кВ должна предусматриваться с изолированной или заземленной через дугогасящие реакторы нейтралью.

Компенсация (уменьшение) емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока:

1) в сетях 6–20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на ВЛ, и во всех сетях 35 кВ – более 10 А;

2) в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на ВЛ:

- при напряжении 6 кВ – более 30 А;

- при 10 кВ – более 20 А;

- при 15–20 кВ – более 15 А;

3) в схемах 6–20 кВ блоков генератор – трансформатор (на генераторном напряжении) – более 5 А.

При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применять не менее двух заземляющих дугогасящих реакторов.

***

С помощью заземления нейтрали через дугогасящий реактор удается:

1) намного уменьшить ток замыкания на землю, в результате чего дуга в месте замыкания становится неустойчивой и быстро гаснет;

2) добиться после гашения дуги относительно медленного восстановления напряжения, поэтому вероятность повторного зажигания дуги и возникновения коммутационных перенапряжений мала;

3) при сохранении устойчивой дуги уменьшить вероятность перехода замыкания на землю в многофазное КЗ из-за малого значения тока;

4) ограничить токи обратной последовательности и уменьшить их влияние на синхронные машины.

Расчет несимметричных токов короткого замыкания

Для выбора и проверки параметров релейной защиты и автоматики в системах электроснабжения промышленных предприятий наряду с токами трехфазных КЗ необходимо знать токи несимметричных КЗ (двухфазного на землю, однофазного и двухфазного).

В основу расчета несимметричных КЗ положен метод симметричных составляющих, согласно которому любую несимметричную систему векторов (тока, напряжения и т. д.) можно заменить тремя условными симметричными составляющими: прямой, обратной и нулевой последовательностей (в дальнейшем величины, характеризующие прямую последовательность, будем обозначать с индексом 1, обратную последовательность - с индексом 2 и нулевую последовательность - с индексом 0; вид КЗ будем обозначать показателем рассматриваемого параметра, например I(3)п0 - периодическая составляющая тока трехфазного КЗ).

При расчете несимметричных КЗ, как и симметричных трехфазных КЗ, предполагают, что сопротивления всех трех фаз одинаковы, а насыщение магнитных систем не учитывается.

Протекание по фазам несимметричных токов КЗ создает в сопротивлениях фаз несимметричные падения напряжения, которые можно представить в виде симметричных составляющих. Сопротивления элементов трехфазной цепи для разных последовательностей могут отличаться друг от друга.

Для расчета несимметричных токов КЗ составляют схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей. Схему замещения прямой последовательности (рис. 6.9, a) составляют аналогично схеме замещения для расчета трехфазного КЗ; она содержит ЭДС прямой последовательности источника питания (генераторы создают только симметричную трехфазную систему ЭДС прямой последовательности) и составляющую прямой последовательности напряжения в месте КЗ Uк1. Для всех элементов схемы замещения прямой последовательности индуктивные сопротивления соответствуют сопротивлениям при симметричном режиме работы х1 = х(3) х(3) - сопротивление, которое принималось при расчете трехфазного КЗ).

Схема замещения обратной последовательности (рис. 6.9, б) состоит из тех же элементов, что и схема замещения прямой последовательности, за исключением ЭДС генераторов, которая в данном случае равна нулю. Сопротивления обратной последовательности для элементов, у которых изменение порядка чередования фаз не оказывает влияния на взаимоиндукцию с соседними фазами(трансформаторы, реакторы, линии), принимают равными сотивлениям прямой последовательности х2 = х1. Синхронные машины имеют разные сопротивления прямой и обратной последовательностей. В качестве приближенных соотношений допускается принимать для турбогенераторов и машин с продольно-поперечными демпферными обмотками х2 = х'd. Для асинхронных электродвигателей сопротивление обратной последовательности можно считать равным х2 = х". Сопротивление обратной последовательности обобщенной нагрузки можно принимать равным х2* = 0,35, считая нагрузку отнесенной к полной рабочей мощности и среднему номинальному напряжению той ступени, к которой она присоединена.

Схему замещения нулевой последовательности (рис. 6.9, в) составляют при несимметричных КЗ на землю. Токи нулевой последовательности представляют собой однофазный ток I0, разветвленный между тремя фазами. Возвращение токов 3I0 происходит через землю, а если линия защищена тросом, то по тросу и земле.

Составление схемы замещения нулевой последовательности следует начинать от точки, где возникла несимметрия, считая, что в этой точке все фазы замкнуты между собой накоротко и к ней приложено напряжение нулевой последовательности Uк0. Чтобы получилась замкнутая цепь для прохождения токов нулевой последовательности, в схеме должна быть хотя бы одна заземленная нейтраль. Если таких нейтралей несколько, то полученные цепи включаются параллельно. Сопротивление, через которое заземлена нейтраль трансформатора, генератора, двигателя, нагрузки, должно вводиться в схему нулевой последовательности утроенным.

Для синхронных машин токи нулевой последовательности создают практически только магнитные потоки рассеяния статорной обмотки, которые, как правило, меньше, чем при токах прямой или обратной последовательностей, причем это уменшение сильно зависит от типа обмотки. В расчетах для синхронных машин величину х0 принимают равной (0,15-0,6) x"d.

Значение сопротивления нулевой последовательности трансформатора зависит от конструкции и схемы соединения обмоток. Прохождение токов нулевой последовательности возможно только в трансформаторах, имеющих со стороны повреждения обмотку, соединенную в звезду с заземленной нейтралью. На рис. 6.10 приведены основные варианты соединения обмоток и схемы замещения двух- и трехобмоточных трансформаторов, а в табл. 6.3 - сопротивления нулевой последовательности для данных трансформаторов.

Для двухобмоточных трансформаторов при соединении обмоток ЭДС нулевой последовательности трансформатора расходуется целиком на проведение тока той же последовательности только через реактивность рассеяния обмотки, соединенной в треугольник, так как этот ток не выходит за пределы данной обмотки. В схеме замещения это отражено закорачиванием ветви хнн, что означает границу циркуляции токов нулевой последовательности. Если обмотки соединены по схеме, то предполагается, что на стороне обмотки НН обеспечен путь для тока нулевой последовательности, т. е, в цепи этой обмотки имеется еще одна заземленная нейтраль (см. на рис. 6.10 пунктир). При схеме соединения обмоток в схеме замещения пунктирная часть будет отсутствовать.

Для трехобмоточных трансформаторов пути циркуляции токов нулевой последовательности определяют аналогично двухобмоточным трансформаторам.

В приведенных схемах замещения показана реактивность намагничивания нулевой последовательности трансформатора хμ0, значения которой в зависимости от конструкции трансформатора указаны в табл. 6.3.

В воздушных линиях токи нулевой последовательности, протекающие в трех фазах линии, возвращаются в заземленные нейтрали сети через землю. Поэтому воздушную линию трехфазного тока можно заменить эквивалентной схемой из трех двухпроводных линий провод-земля. Сопротивление нулевой последовательности определяют как сумму сопротивлений самоиндукции хLлинии провод-земля и взаимоиндукции ее хM с соседними фазами. Направление тока нулевой последовательности по фазам одинаковое, поэтому

х0 = хL + хM.

Сопротивление нулевой последовательности воздушных линий зависит от конструктивного исполнения линии (одноцепная, двухцепная) и наличия заземляющих тросов, предназначенных для защиты линий от прямых ударов молнии.

Для кабельных линий высокого напряжения (трехжильные кабели) сопротивление нулевой последовательности принимают из соотношения х0 = (3,5 - 4,6) х1.

В случае применения токоограничивающих реакторов в системе электроснабжения в расчетах принимают x0 = x1, так как взаимоиндукция между фазами реактора сказывается незначительно.

Дата добавления: 2015-07-08