Технические характеристики электронных счетчиков электроэнергии

Марка счетчика	Измеряемые параметры	Функциональные возможности	Класс точности	Область применения
ЦЭ6805	Активная энергия	Измерение электроэнергии	0,5	Сети энергосистем напряжением 110…750 кВ; пром.предприятия с нагрузкой более 500 кВт
ЦЭ6808			0,2
ЦЭ6811	Реактивная энергия		1,0
ЦЭ6822	Активная энергия	Многотарифный учет по зонам суток с регистрацией графика нагрузки	0,2	Электроэнергетические системы, районные сети, пром.предприятия
ЦЭ6823	Реактивная энергия		0,2
ЦЭ6807	Активная энергия однофазного тока	Однотарифный	2,0	Коммунально-бытовая сфера, мелкое производство
ЦЭ6827		Двухтарифный учет
ЦЭ6828	Активная энергия трехфазного тока
ЦЭ6850	Активная и реактивная энергия и мощность; контроль параметров качества электроэнергии	Многотарифный учет по зонам суток с регистрацией графика нагрузки	0,5	Электроэнергетические системы

ЛАБОРАОРНАЯ РАБОТА №4

Исследование режимов нейтрали источников электрической энергии

Цель работы: изучение вопроса о режимах нейтрали в системах электроснабжения напряжением до и выше 1000 В;

— ознакомление с влиянием способа заземления нейтрали на надежность работы систем электроснабжения, бесперебойность электроснабжения потребителей, выбор уровня изоляции системы;

изучение мероприятий по ограничению перенапряжений в системах.

Краткие теоретические сведения

В связи с ростом мощности источников питания и потребителей электроэнергии все более высокие требования предъявляются к надежности систем электроснабжения, в значительной степени зависящей от режима нейтрали источников и приемников трехфазного тока, обмотки которых соединены в звезду или зигзаг.

Международной электротехнической комиссией (МЭК) рекомендована следующая классификация систем в зависимости от способа заземления нейтрали:

1. Система с изолированной нейтралью.

2. Резонансно—заземленная система.

3. Система с заземленной нейтралью (наглухо, через активное или реактивное сопротивление).

При выборе способа заземления нейтрали учитывают следующие требования:

— надежность работы системы;

— бесперебойность электроснабжения потребителей;

— экономичность системы;

— возможность устранения опасных перенапряжений;

— ограничение электромагнитного влияния на линии связи;

— безопасность системы;

— возможность дальнейшего развития системы без значительной реконструкции.

Степень удовлетворения этим условиям выясняют при анализе однофазных коротких замыканий на землю.

Согласно ПУЭ, установки напряжением выше 1000 В по величине токов однофазного короткого замыкания на землю подразделяются на:

— установки с большим током замыкания на землю (I₃>500 А);

— установки с малыми токами замыкания на землю (I₃<500 А).

Изолированная нейтраль. В симметричной трехфазной системе с изолированной нейтралью в нормальном режиме напряжения фаз относительно земли U_А=U_В=U_С=U_Ф, токи в фазах равны и их геометрическая сумма равна нулю: I_А=I_В=I_С=0, т.е. I₀=0 и напряжение смещения нейтрали U₀=0.

При однофазном замыкании фазы С на землю напряжения фаз относительно земли определяются геометрической суммой напряжений фаз в нормальном режиме U_А ,U_В ,U_С и напряжение смещения нейтрали U₀ =-U_С, т.е.

U’_С=0; U’_А=U_А; U’_В=U_В.

Аналогично емкостные токи фаз I’_СА, I’_СВ, I’_СС. определяются геометрической суммой ёмкостных токов фаз в нормальном режиме и током смещения нейтрали I’_СО=-I’_СС:

I’_СС=0; I’_СА=I_СА; I’_СВ=I_СВ.

Угол между векторами U'_А, U'_В и I’_CА, I’_СВ составляет 60°.

Емкостный ток замыкания на землю I_ЗС равен геометрической сумме емкостных токов неповрежденных фаз в аварийном режиме:

I_ЗС=-(I’_СА+I’_CВ)=jwC3U_С=3I_С,

так как U’_А+U’_В= -3U_С

Емкостный ток однофазного замыкания на землю равен тройному емкостному току фазы нормального режима.

Рис.4.1. Схема сети и векторные диаграммы токов и напряжений в нормальном и аварийном режимах в системе с изолированной нейтралью

Преимуществом систем с изолированной нейтралью является то, что токи однофазного замыкания на землю малы по сравнению с токами нагрузки. Кроме того, в аварийном режиме работа электроприемников не нарушается, т.к. треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь перемещается параллельно самому себе в соответствии с перемещением его центра тяжести в положение, определяемое напряжением смещения нейтрали. Возможность бесперебойного электроснабжения приемников в аварийном режиме является основным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Длительная (более двух часов) работа системы с замкнутой фазой недопустима, т.к. в случае повреждения изоляции относительно земли какой-либо другой фазы возникает двухфазное к.з., вызывающее протекание большого тока к.з., что может привести к значительным повреждениям электроустановок.

Поэтому в системах с изолированной нейтралью необходимо предусматривать устройства контроля изоляции, работающие на сигнал или даже отключение поврежденного участка.

Основными недостатками системы с изолированной нейтралью являются:

— повышенные капитальные затраты, вызванные усиленной изоляцией электроустановок (т.е. рассчитанной на линейное напряжение);

— возможность замыкания через дугу и появления перемежающихся дуг, сопровождающихся перенапряжениями до 3U_ф, что приводит к пробою изоляции и образованию к.з. в местах с ослабленной изоляцией. Следствием этого является неизбирательное действие релейной защиты, что влечет за собой увеличение числа аварийных отключений (в том числе и неповрежденных участков);

— возникновение электромагнитного влияния на линии связи.

Компенсированная нейтраль. В системах с изолированной нейтралью при емкостных токах однофазного замыкания на землю больше 10 А при напряжении 35 кВ, 15 А при 20 кВ, 20 А при 10 кВ и 30 А при 6 кВ применяют компенсацию емкостных токов путем введения в нейтраль источников или приемников электроэнергии компенсирующих устройств. Наибольшее распространение получили дугогасящие катушки ЗРОМ. Регулирование их индуктивного сопротивления осуществляется изменением числа витков или величины зазора сердечника.

Рис.4.1. Схема сети и векторные диаграммы токов и напряжений в аварийном режиме в системе с компенсированной нейтралью

В нормальном режиме ток через катушку равен нулю, поэтому векторные диаграммы аналогичны диаграммам системы с изолированной нейтралью. При однофазном к.з. на землю фазы А токи и напряжения изменяются до следующих значений:

U’_С=0; U’_А=U’_В=√3U_Ф

I’_СС=0; I’_СА=I’_СВ=√3I_С.

Через место к.з. на землю протекает емкостный ток замыкания на землю и ток катушки, а т.к. они различаются на 180° по фазе, то в месте замыкания они компенсируют друг друга. Поэтому при резонансной настройке катушки теоретически результирующий ток в месте к.з. должен быть равным нулю, благодаря чему дуга в месте к.з. не возникает и устраняются связанные с ней опасные последствия. В реальной сети этого практически не наблюдается, т.к., с одной стороны, величина емкостного тока зависит от места замыкания, а, с другой стороны, ток через катушку имеет активно-индуктивный характер, что сказывается на результирующем токе замыкания.

Глухозаземленная нейтраль. Глухое заземление нейтрали применяется в сетях 110 кВ и выше, т.к. в этих сетях фактор стоимости изоляции является решающим при выборе способа заземления нейтрали.

Рис.4.1. Схема сети и векторные диаграммы напряжений в нормальном и аварийном режимах в системе с глухозаземленной нейтралью

При замыкании фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением. Ток в месте к.з. ограничен только сопротивлением источников питания и линий электропередач и поэтому является током к.з. (имеет очень большое значение). Напряжения неповрежденных фаз относительно земли U’_А и U’_В в трехпроводной сети определяются геометрической суммой фазных напряжений в нормальном режиме и небольших дополнительных составляющих, обусловленных сопротивлениями обмоток трансформаторов и проводов линий, в предельном значении не превышают 0,8U_Л. В четырехпроводной сети (до 1000 В) фазные напряжения неповрежденных фаз остаются неизменными.

Уменьшение токов однофазного к.з. в сетях с глухозаземленной нейтралью достигается за счет введения в нейтраль токоограничивающего сопротивления (активного или индуктивного) или за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы (режим эффективной нейтрали). Количество разземленных трансформаторов ограничивается значением коэффициента замыкания:

К=U’_Ф/U_Ф1,4,

где U’_Ф – наибольшее напряжение неповрежденной фазы при однофазном замыкании на землю.

К преимуществам системы с глухозаземленной нейтралью относятся:

— стабилизация потенциала нейтрали и устранение возможности появления устойчивой дуги;

— удешевление электроустановок за счет выполнения изоляции от земли только на фазное напряжение;

— селективная и четкая релейная защита.

К недостаткам можно отнести:

— отключение электроустановок при каждом однофазном замыкании;

— значительная величина тока однофазного к.з., иногда превышающего ток трехфазного к.з.;

— увеличение электромагнитного влияния на линии связи;

— удорожание выполняемого в РУ контура заземления;

— удорожание релейной защиты;

— значительная опасность для людей от шагового напряжения и напряжения прикосновения;

— возможность выхода из синхронизма генераторов системы.

Исходя из рассмотренных показателей различных режимов нейтрали, удовлетворяющих в той или иной степени требованиям, которые предъявляются к заземлению нейтрали, можно сделать следующие практические выводы:

— в системах электроснабжения напряжением 6, 10, 20 и 35 кВ применяется изолированная нейтраль;

— если величины емкостных токов замыкания на землю превышают допустимые значения, применяются нейтрали, заземленные через дугогасящие аппараты;

— в системах напряжением 110 кВ и выше применяется глухое заземление нейтрали;

— для уменьшения тока однофазного к.з. используют заземление нейтрали через активное или индуктивное сопротивление или разземление нейтралей части трансформаторов;

В сетях напряжением до 1000 В применяются следующие способы заземления нейтрали:

— в четырехпроводных сетях (380/220 и 220/127 В) — глухое заземление;

— в трехпроводной сети 380 и 220 В может быть изолированная и глухозаземленная нейтраль;

— при напряжении 500 и 660 В — изолированная нейтраль.

Порядок выполнения работы

Распределенные емкости проводов относительно земли в трехфазной системе представлены на стенде в виде сосредоточенных емкостей С_А, С_В, С_С фаз относительно земли. Их величины с помощью тумблеров SA1…SA9 можно изменить в пределах 0...50 мкФ, чтобы получить систему с заданными параметрами. Ввод трехфазного переменного тока на стенд осуществляется автоматом SF1. Различные режимы нейтрали системы задаются с помощью автоматов: SF2 — заземление через катушку индуктивности L_к; SF3 — заземление нейтрали через резистор R₀; SF4 — аварийный режим (заземление фазы С).

Система с глухозаземленной нейтралью трансформатора имитируется автоматом SF3 при замкнутом выключателе SA10; система с изолированной нейтралью имитируется при отключенных автоматах SF2 и SFЗ.

Измерение напряжений каждой фазы U_А, U_В, U_С осуществляется вольтметрами PV1, PV2 и PV3, напряжения нулевой точки трансформатора относительно земли U₀ — вольтметром PV0.

Измерение токов в проводах (А, В, С, 0) I_А, I_В, I_С, I₀ осуществляется амперметрами РА0...РА3.

1. При исследовании системы с глухозаземленной нейтралью проделать три опыта:

а) нормальный режим работы при симметричном состоянии системы: С_А=С_В=С_С=50 мкФ;

б) нормальный режим при несимметричном состоянии системы: С_А=10 мкФ, С_В=30 мкФ, С_С=50 мкФ;

в) аварийный режим работы при симметричном и несимметричном состоянии системы (см. п.п. а и б)

2. При исследовании системы с нейтралью трансформатора, заземленной через R₀ провести следующие опыты:

а) нормальный режим при симметричном (п.1.а) и несимметричном (п.1.б) состоянии системы;

б) аварийный режим при симметричном состоянии системы С_А=С_В=С_С=20 мкФ.

3. Исследование системы с изолированной нейтралью:

а) нормальный режим при симметричном и несимметричном состоянии системы;

б) аварийный режим при симметричном (п.2.б) и несимметричном (С_А=20 мкФ, С_В=30 мкФ, С_С=40 мкФ) состоянии системы.

4. Система с нейтралью трансформатора, заземленная через катушку индуктивности:

а) нормальный режим при симметричном состоянии системы (п.1.а);

б) аварийный режим при симметричном состоянии системы (п.2.б).

Экспериментальные данные занести в таблицу.

Таблица 4