Установившийся режим однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Лабораторная работа № 17

Защита от замыкания на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью

1. Цель работы: Изучение принципов построения защиты сетей с изолированной или компенсированной нейтралью от замыкания на землю.

Краткие теоретические сведения

Установившийся режим однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Величина установившегося тока замыкания на землю определяются режимом работы нейтрали электрических систем. В сетях с изолированной нейтралью установившиеся значения токов в точке повреждения при однофазном замыкании обычно не превышают нескольких десятков ампер. Если нейтраль заземлить через дугогасящую катушку (ДГК), то ток замыкания на землю при резонансной настройке ДГК можно значительно уменьшить. В связи с этим выполнение токовой защиты от однофазных замыканий на землю сетях вызывает определенные трудности. Это приводит к необходимости создания защит, действующих в зависимости от токов переходных процессов при замыкании на землю, а также устройств, реагирующих на высшие гармонические составляющие, содержащиеся в токе замыкания на землю.

В сетях с изолированной нейтралью при нормальной работе, наряду с рабочими токами нагрузки, по фазам проходят емкостные токи, обусловленные распределенными по длине проводов емкостями фаз относительно земли. Если не учитывать токи нагрузки, то напряжения во всех точках сети можно считать одинаковыми, так как емкостные токи малы и можно не учитывать падение напряжения в проводах от этих токов. При этом напряжения фаз относительно земли равны соответствующим фазным напряжениям U _А, U _В, U _С относительно нейтрали системы, а распределенные емкости фаз в эквивалентной схеме можно заменить сосредоточенными емкостями С_А, С_В, С_С (рис.17.1, а). В симметричной трехфазной сети С_А = С_В = С_С = С.

В связи с отсутствием падения напряжения в проводах напряжения U _А, U _В, U _С равны соответствующим ЭДС источника питания, а их векторы образуют симметричную звезду фазных напряжений (рис.17.1, б). В результате напряжение нейтрали Н относительно земли равно нулю, а через сосредоточенные емкости проходят токи, опережающие по фазе соответствующие фазные напряжения на углы π/2 и образующие симметричную систему токов:

I _А = j U _А / X_С = jωC U _А; I _В = jωC U _В; I _С = jωC U _С . (17.1)

При замыкании какой-либо фазы на землю в сети с изолированной нейтралью напряжения фаз относительно земли изменяются, оставаясь неизменными относительно нейтрали системы Н. Так, при металлических замыканиях на землю, например фазы А (рис.17.1, в), она получает потенциал земли (U_А=0). В связи с этим напряжения двух других фаз и нейтрали Н относительно земли становятся напряжениями относительно замкнувшейся на землю фазы А (рис.17.1, г):

U _АВ = U _В; U _СА = U _С ; U _НА = U _НК = - U _А. (17.2)

Так как междуфазные напряжения остаются при этом неизменными, то напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли повышаются в √3 раз и становятся равными линейному напряжению.

Систему двух векторов U _В и U _С можно разложить на составляющие прямой U ₁ и нулевой U ₀ последовательностей (рис.17.1, д).

При U _А = 0:

U _1А = (а U _В + а² U _С)/3 = U _А;

U _0А = U _0В = U_0С= U _ОК = (U _В + U _С)/3 = - U _А; (17.3)

U _2А = (а² U _В + а U _С)/3 = 0.

Рис. 17.1. Режимы сети (а, в) с изолированной нейтралью и векторные диаграммы токов и напряжений (б, г, д)

Таким образом, при металлическом замыкании на землю в сети появляется напряжение нулевой последовательности U _ОК, которое, как и напряжение смещения нейтрали U _НК, равно абсолютному значению и противоположно по фазе напряжению, которое имеет поврежденная фаза относительно земли при нормальной работе (напряжению относительно нейтрали системы). Напряжение прямой последовательности равно напряжению фаз относительно земли при нормальной работе. Вследствие этого, изменение напряжения фаз при замыкании на землю можно рассматривать как результат наложения напряжения нулевой последовательности U _ОК на напряжение фаз сети при ее нормальной работе.

Изменения фазных напряжений и появление напряжения нулевой последовательности можно использовать для выполнения защиты от замыкания на землю. Одновременно с изменением фазных напряжений изменяются и полные фазные токи. Токи неповрежденных фаз замыкаются через точку К и поврежденную фазу, образуя ток I_З (рис.17.1, в).

При металлическом замыкании на землю ток I_А в емкости поврежденной фазы С_А отсутствует, так как напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю. Токи I _В, I _С неповрежденных фаз определяются напряжениями фаз Ви С относительно земли:

jπ/3

I _В = jωC U_В = √3ωC U _В е (17.4)

j2π/3

I с = jωC U с = √3ωC U с е (17.5)

При условном положительном направлении токов I _В, I _С, I _З, показанном на рис.17.1,в, I з = -(I _В + I _С) или с учетом (17.1) и соотношения U _В + U _С = -3 U _А

Iз = -(jωC U _В + jωC U c) = j3ωC U _А. (17.6)

Полученный ток I з опережает по фазе напряжение U _А на угол π/2 и не зависит от расположения точки повреждения. Таким образом, при металлическом замыкании на землю фазы А токи через емкости неповрежденных фаз увеличиваются в √3 раз, а ток Iз, проходящий через место повреждения в землю, равен утроенному значению емкостного тока фазы А при нормальной работе.

Токи Iз, I_В и I_С проходят в соответствующих фазах поврежденной линии на участке между источником питания и местом присоединения конденсаторов эквивалентной схемы (рис.17.1, в).