Лабораторная работа №12*(не вошла в методичку)

Исследование тока замыкания на землю при различных режимах заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ

(2 часа)

Цель работы

Изучение режимов заземления нейтрали в сетях среднего класса напряжения 6…35 кВ с точки зрения величин токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), возникающих в нормальных и аварийных режимах.

Оборудование и приборы

1) лабораторный стенд;

2) трансформатор 380/36 В;

3) нагревательные элементы (ТЭН P=0,3 кВт, U=110В) – 3 шт.;

4) кнопочный пульт «Пуск-стоп» – 1 шт;

5) автоматический выключатель ВА47-29 16А – 1 шт;

6) магнитный пускатель с тепловым реле;

7) переменное сопротивление R=0-100 кОм;

8) катушки индуктивности.

Объект исследования

Пояснения к работе

Способ заземления нейтрали практически не сказывается на нормальном режиме работы сети, но при поврежденной фазной изоляции оказывает решающее влияние на ряд параметров аварийного режима: ток однофазного замыкания на землю ( ); возможность развития аварии и величину возникающих перенапряжений; условия безопасности обслуживания электроустановок; возможность создания селективной защиты от замыканий на землю и т.д.

Выбор того или иного режима заземления нейтрали электрической сети является сложной технико-экономической задачей. Глухое заземление нейтрали трансформаторов, приводящее, с одной стороны, к увеличению токов коротких замыканий, с другой – к уменьшению уровня перенапряжений, воздействующих на изоляцию, и, следовательно, к уменьшению габаритов изоляции, применяется в России в сетях высших классов напряжения .

В сетях средних классов напряжения 6…35 кВ более экономичными являются режимы неэффективного заземления нейтрали, к которым можно отнести:

– режим изолированной нейтрали трансформаторов или генераторов при небольших токах замыканий на землю ;

– заземление нейтрали сети через большое индуктивное сопротивление, величина которого примерно равна суммарному емкостному сопротивлению сети на частоте 50 Гц (сеть с компенсацией емкостных токов замыканий на землю);

– заземление нейтрали через высокоомное активное сопротивление (резистивное заземление нейтрали).

Схемы электрических сетей 6…35 кВ с неэффективным заземлением нейтрали чрезвычайно разнообразны. В сетях до 10 кВ энергия к потребителям передается, как правило, по радиальным и магистральным схемам (схемы с односторонним питанием рис.1, а). В районных сетях 35 кВ применяются как схемы с односторонним питанием (потребители 2 и 3 категории), так и кольцевые схемы, связывающие две и более питающих подстанций. Сети генераторного напряжения блоков электрических станций (рис.1, б) являются типичными схемами с двухсторонним питанием.

Накопленный многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтралью показывает, что при токах замыкания, не превышающих допустимую величину (10…30 А для сетей 35…6 кВ соответственно), однофазные замыкания на землю не развиваются в междуфазные короткие замыкания (КЗ), что позволяет оставить поврежденный участок в работе на время, достаточное для его обнаружения и ликвидации, без перерыва электроснабжения.

Однако, с ростом тока замыкания на землю (в сетях, содержащих воздушные и кабельные линии значительной протяженности) дуга не погасает и приобретает разрушительные свойства. Для уменьшения тока ОЗЗ нейтрали некоторых трансформаторов или генераторов заземляют через ДГК. В качестве ДГК применяют специальные заземляющие реакторы типов 3РОМ, РЗДСОМ, РЗДПОМ, конструкции которых постоянно совершенствуются.

От общих схем, приведенных на рис. 1, а и 1, б, путем преобразования источников можно перейти к расчетной схеме (рис. 1, в) с эквивалентным генератором, нейтраль которого может быть заземлена через сопротивление Z_N. При расчете нормальных режимов и режима замыкания на землю можно не учитывать индуктивные сопротивления генератора, что в свою очередь, позволяет не учитывать междуфазные емкости.

а

б

в

Рис.1. Принципиальные (а и б) и расчетная упрощенная (в) схема замещения сети с неэффективным заземлением нейтрали

Нормальный режим работы сети

Напряжение на изолированной нейтрали в нормальном эксплуатационном режиме работы сети (в схеме рис.1, в разъединитель Р в нейтрали разомкнут) определяется как

(1)

где – проводимости фаз на землю.

Из выражения (1) следует, что напряжение на нейтрали будет равно нулю при симметричной схеме и уравновешенной системе ЭДС источника .

Так как в реальной сети емкостные проводимости на землю не равны между собой в основном из-за несимметричного расположения проводов на опорах ВЛ, выражение для напряжения на нейтрали при пренебрежении активными проводимостями фаз на землю и уравновешенной системе ЭДС источника будет иметь вид:

, (2)

где , – коэффициенты несимметрии фазных емкостей.

При естественной несимметрии нетранспонированной сети, как правило, .

Режим однофазного замыкания на землю

При изолированной нейтрали и пренебрежении активным сопротивлением дуги (R_Д=0) ток замыкания на землю на фазе "А" имеет емкостной характер и определится из выражения

. (3)

При заземлении нейтрали через ДГК под действием напряжения в нейтрали протекает ток , а ток в месте замыкания на землю определяется как векторная сумма емкостного тока в сети и индуктивного тока в катушке (рис. 2)

, (4)

где степень компенсации емкостного тока линии индуктивным током катушки.

Рис. 2. Векторная диаграмма токов и напряжений при замыкании на землю фазы "А"

При заземлении нейтрали через резистор или через катушку под действием напряжения в нейтрали протекает ток , а ток в месте замыкания определяется как векторная сумма сдвинутых на 90⁰ емкостного тока в сети и активного тока в резисторе

, (5)

где

Величина тока в случае резистивного заземления нейтрали увеличивается и составляет

(6)

Нормальный режим работы сети с неэффективно заземленной нейтралью

Выражения для напряжения на нейтрали в случае подключения сопротивления в нейтраль (разъединитель в схеме рис.1,в замкнут) запишутся в виде:

, (7)

для сети с компенсированной нейтралью ( + ), , а модуль напряжения (8)

для сети с резистивно заземленной нейтралью ( ),

где – напряжение на разомкнутой нейтрали,

, , .

В сети в ДГК при ( ) возникает явление резонанса напряжения, поэтому для определения напряжения в нейтрали необходимо учитывать активное сопротивление реактора. В этом случае напряжение в нейтрали будет равно

где – добротность реактора.

Для современных реакторов = 50…90, поэтому наличие ДГК настроенной на полную компенсацию емкостных токов ( ), и некоторая несимметрия емкостей по фазам приводят к увеличению напряжения в нейтрали в раз. Повышение напряжения в нейтрали может быть недопустимо как по условию нормального режима работы сети, так и из-за перенапряжений, воздействующих на изоляции, поэтому рекомендуется тщательно симметрировать параметры сети с ДГР для уменьшения и избегать резонансной настройки катушки.

Ход работы

1. Изучить схему стенда.

2. Собрать схему стенда:

– подключить миллиамперметр в нейтраль трансформатора, соединив монтажными проводами клеммы миллиамперметра (K_mA1, k_mA2) с клеммами в нейтрали трансформатора (КN1, КN2);

– соединить лабороторным проводом клемму места аварии на линии с клеммой конденсатора.

Проверить переведен ли тумблер КН1 в положение «Изолированная нейтраль» и тумблер имитирующий ОЗЗ в положение «Откл.».

3. Включить выключатель QF и кнопкой управления «Пуск» запустить схему в работу. Убедиться, что на схему подается напряжение по вольтметру.

4. Включением тумблера КНС1 создать аварийный режим сети. Перевести тумблер KH1 в положение «резистивное заземление» и изменяя сопротивление на 20, 40, 60, 80, 100 кОм снять зависимость I_озз от R_заз и построить график: ток озз как функция от сопротивления.

5. Включением тумблера КНС1 создать аварийный режим сети. При этом фаза А замыкается на землю через емкостной конденсатор С1=0,5 мкФ. Перевести тумблер KH1 в положение «ДГР» и переключая катушки индуктивности на 4, 2, и 1 мГн снять зависимость I_озз от L ДГР и построить график.

6. Повторить пункты «4» и «5» создавая аварийный режим тумблером KHC2 (С2=1 мкФ) , а затем KHC3 (С3=1,5 мкФ).

7. Составить отчет, который должен содержать исследуемую схему, таблицы результатов с данными измерений, зависимости и . Объяснить полученные результаты и сформулировать выводы по работе.

Рис.3. Принципиальная схема установки

Контрольные вопросы

1. Что такое допустимый ток замыкания на землю и от чего он зависит?

2. Какие факторы влияют на величину тока однофазного замыкания на землю?

3. Каковы основные преимущества и недостатки сети с изолированной нейтралью?

4. Как меняется ток однофазного замыкания на землю при подключении в нейтраль ДГК?

5. Как меняется ток однофазного замыкания на землю при подключении в нейтраль резистора?

6. В чем преимущества и недостатки различных способов заземления нейтрали?

7. Как следует настраивать ДГК?

Содержание отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Таблица замеров и вычислений.

4. Графики и .

4. Анализ полученных результатов и выводы по работе.