Руководство по защитам Компания Schneider Electric приступила к выпуску Технической коллекции Schneider Electric
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Преимущества метода b Данная схема идеально подходит для подавления перенапряжений. b Данная схема позволяет использовать оборудование с уровнем изоляции, рассчитанным на фазное напряжение. b Нет необходимости применять специальную защиту: используются обычные функции защиты от тока перегрузки в фазах для устранения глухих замыканий фазы на землю. Недостатки метода b Использование данной схемы влечет за собой все недостатки и опасности, связанные с большим током замыкания на землю: возникают максимальные повреждения и помехи. b Не обеспечивается бесперебойная работа поврежденного отходящего фидера. b В силу возникновения высокого напряжения прикосновения создается большая опасность для персонала во время действия повреждения. Защита Обнаружение замыкания через полное сопротивление производится с помощью функции максимальной токовой защиты от замыканий на землю с выдержкой времени (ANSI 51N), с регулировкой по номинальному току. Применение b Данный способ заземления нейтрали не применяется в европейских воздушных или подземных сетях среднего напряжения, но, напротив, широко используется в северо?американских распределительных сетях. Для этих сетей (имеются ввиду воздушные линии) данный выбор определяется еще и следующими особенностями: v наличие нулевого провода распределительной системы; v распределительная система для трех или двух фаз и нейтрали либо для фазы и нейтрали; v использование нулевого провода как провода защиты с заземлением на каждой опоре. b Данный способ применяется при малой мощности короткого замыкания источника. DE 552 1 3 Рис. 1. Замыкание на землю в сети с глухозаземленной нейтралью Ic Ik1 IN 12 Schneider Electric Выпуск № 1 Токи короткого замыкания Механизм короткого замыкания 0 Короткое замыкание является одним из серьезных повреждений, которые могут возникнуть в электрических сетях. В данном разделе описывается механизм короткого замыкания и его воздействие на электрическую сеть, а также влияние на работу оборудования. Дается также методика расчета токов и напряжений короткого замыкания и приводятся основные формулы расчета. Определения b Короткое замыкание – это аварийное соединение проводников с нулевым полным сопротивлением ("глухое" короткое замыкание) или не нулевым полным сопротивлением (полное короткое замыкание). b Короткое замыкание может быть внутренним, если оно происходит в защищаемом оборудовании, или внешним, если оно случается в сети. b Продолжительность короткого замыкания различна: короткое замыкание может быть самозатухающим, когда время повреждения слишком мало и защита не включается; есть преходящее короткое замыкание, которое устраняется после отключения защитой и последующей установкой защиты в рабочий режим; бывает неотключенное короткое замыкание, которое не устраняется после отключения защитой. b Возникновение короткого замыкания может быть обусловлено причинами механического характера (удар лопатой, контакт с веткой дерева, прикосновение какого?либо животного), электрического (нарушение изоляции, перенапряжение) или человеческим фактором (ошибки обслуживающего персонала). Последствия воздействия токов короткого замыкания Последствия воздействия короткого замыкания, зачастую, могут быть серьезными и даже трагическими: b короткое замыкание создает помехи в сети вокруг места повреждения вследствие резкого провала напряжения, который оно вызывает; b в связи с коротким замыканием возникает необходимость, с помощью соответствующих функций защиты, вывести из рабочего режима, зачастую, значительные участки сети; b все оборудование и соединения (кабели, линии связи), подвергшиеся короткому замыканию, испытывают значительную механическую нагрузку (электродинамическое усилие), способную вызвать разрыв цепи, а также тепловое напряжение, которое может привести к плавлению проводов и разрушению изоляционных материалов; b в месте повреждения, чаще всего, возникает электрическая дуга большой мощности, оказывающая весьма серьезное разрушающее действие и способная очень быстро распространяться. Несмотря на все более сокращающуюся вероятность возникновения короткого замыкания в современных, должным образом спроектированных и правильно эксплуатируемых установках, принимаются все меры для скорейшего обнаружения и устранения короткого замыкания, чтобы избежать серьезных последствий его возникновения. Значения тока короткого замыкания для различных точек сети являются данными, необходимыми для расчета характеристик кабелей, сборных шин, коммутационной аппаратуры и устройств защиты, а также для их настройки. Описание видов короткого замыкания Существуют различные типы короткого замыкания электрической сети: b трехфазное короткое замыкание: соответствует объединению трех фаз; обычно данный вид короткого замыкания вызывает токи наибольшей силы (см. рис. 2); b однофазное короткое замыкание на землю: соответствует замыканию фазы на землю; данный вид короткого замыкания является наиболее часто встречающимся (см. рис. 3); b изолированное двухфазное короткое замыкание: соответствует междуфазному замыканию в цепи линейного напряжения; результирующий ток более слабый, чем при трехфазном замыкании, за исключением случая, когда повреждение происходит в непосредственной близости от генератора (см. рис. 4); b двухфазное короткое замыкание на землю: соответствует замыканию двух фаз на землю (см. рис. 5). Ток короткого замыкания в какой?либо точке сети выражается действующим значением Ik (в кА) его переменной составляющей (см. рис. 6). Максимальным мгновенным значением тока короткого замыкания является пиковое значение Ip первого полупериода. Это пиковое значение может быть значительно больше 2 • Ik в силу затухания постоянной составляющей IDC, которая может накладываться на переменную составляющую. Постоянная составляющая обусловлена мгновенным значением напряжения в начальный момент короткого замыкания и характеристиками сети. Короткое замыкание определяется по мощности короткого замыкания по формуле: Scc = 3• Un • Ik (в МВА). Это теоретическое значение не имеет какого?либо реального физического подтверждения и является условной величиной, соответствующей полной мощности. DE 55355 DE 5535 6 Рис. 1. Характеристики тока короткого замыкания. Эквивалентная схема DE 552 29 Рис. 6. Типовая кривая тока короткого замыкания A B Icc Zcc R X E I Ia = I • sin( ω t + α) Момент возникновения короткого замыкания Icc = Ia + Ic Ic = – I • sin α • e t α R – • t L Ip 2 2 Ik Постоянная составляющая Время(t) Ток (I) DE 552 1 5 Рис. 2. Трехфазное короткое замыкание (5% случаев) Рис. 4. Изолированное двухфазное короткое замыкание DE 5 52 1 6 Рис. 3. Однофазное короткое замыкание (80% случаев) Рис. 5. Двухфазное короткое замыкание на землю Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3 Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3 Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3 Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3 Выпуск № 1 Schneider Electric 13 Токи короткого замыкания Механизм короткого замыкания 0 Симметричные составляющие При нормальной работе в сбалансированном симметричном режиме проектирование трехфазных сетей сводится к расчету однофазной эквивалентной системы, характеризующейся наличием фазного напряжения, фазного тока и полного сопротивления цепи (называемого полным сопротивлением фазы). Как только возникает значительная несимметрия в конфигурации или работе сети, упрощение системы более не представляется возможным: то есть нельзя просто установить электрическое соотношение в проводниках с помощью полного сопротивления фазы. Используется метод симметричных составляющих, который заключается в создании фактической системы путем наложения трех независимых однофазных цепей, называемых: b прямая последовательность (d); b обратная последовательность (i); b нулевая последовательность (0). Для каждой системы d, i, 0 напряжения Vd, Vi, V0 и токи Id, Ii, I0, связаны, соответственно, через полные сопротивления Zd, Zi, Z0 этой же системы. Симметричное полное сопротивление зависит от фактического полного сопротивления, то есть от взаимной индуктивности. Понятие о симметричных составляющих распространяется также и на величину мощности. Метод разложения на симметричные составляющие является не только искусственным приемом расчета, но и используется для оценки реальных физических величин: с помощью этого метода возможно непосредственно провести измерения симметричных составляющих несимметричной системы – напряжения, тока, полного сопротивления. Значения полного сопротивления прямой, обратной, нулевой последовательности какого?либо звена сети представлены значениями полного сопротивления этого звена, работающего в сети напряжения, соответственно, трехфазной системы прямой последовательности, трехфазной системы обратной последовательности, системы "фаза?земля" по трем параллельным фазам. Генераторы производят прямую составляющую мощности; повреждения могут вызвать появление составляющих обратной и нулевой последовательности. В двигателях наличие составляющей прямой последовательности создает вращающееся поле полезной работы, в то время как составляющая обратной последовательности порождает тормозящее вращающееся поле. В трансформаторах при замыкании на землю возникает составляющая нулевой последовательности, создающая поле нулевой последовательности внутри бака трансформатора. V1 Vd Vi V0 + + = V2 a 2 Vd • a Vi • V0 + + = V3 a Vd • a 2 Vi • V0 + + = a e j 2 π 3 ------- • = где Vd 1 3 --- V1 a V2 a 2 + • V3 • + ( ) = Vi 1 3 --- V1 a 2 V2 a + • V3 • + ( ) = V0 1 3 --- V1 V2 V3 + + ( ) = a e j 2 π 3 ------- • = где DE 55 21 4 Разложение трехфазной системы на симметричные составляющие V3d V1d V10 V20 ωt ωt V30 V1 i V3 i V2 i V1 V2 V3 V2d Прямая последовательность Обратная последовательность Нулевая последовательность ωt ωt 14 Schneider Electric Выпуск № 1 Токи короткого замыкания Типы короткого замыкания 0 Трехфазное короткое замыкание между проводами фазы (рис. 1) Значение тока трехфазного короткого замыкания в точке F сети рассчитывается по формуле: , где U обозначает линейное напряжение в точке F до появления замыкания, а Zcc ? полное эквивалентное сопротивление сети со стороны места повреждения. Теоретически, данный расчет прост; определенную практическую сложность представляет вычисление Zcc – полного сопротивления, эквивалентного всем последовательным и параллельным полным сопротивлениям элементов цепи, расположенных со стороны замыкания. Эти полные сопротивления сами по себе составляют квадратичную сумму реактивных сопротивлений и активных сопротивлений: Значительно упростить расчет возможно, в частности, если знать мощность короткого замыкания Scc в месте подсоединения сети распределительного пункта; из этого значения вычитается полное эквивалентное сопротивление Za со стороны места этого подсоединения: Кроме того, источник напряжения может быть не единственным ? возможно наличие нескольких, соединенных параллельно источников, например, синхронных и асинхронных двигателей, которые в случае короткого замыкания работают как генераторы. Ток трехфазного короткого замыкания, как правило, является самым большим током, создаваемым в сети. Однофазное короткое замыкание между проводом фазы и землей (рис. 2) Значение этого тока зависит от полного сопротивления ZN между нейтралью и землей; это полное сопротивление может быть почти нулевым в случае глухозаземленной нейтрали (подсоединенной последовательно с сопротивлением заземления) или, напротив, значение этого полного сопротивления может быть квазибесконечным в случае с изолированной нейтралью (подсоединенной параллельно с емкостью "фаза?земля"). Значение тока замыкания фазы на землю рассчитывается по формуле: Данный расчет используется для цепей с нейтралью, заземленной через полное сопротивление ZN, для определения уставок защиты от замыканий на землю, которая должна срабатывать на отключение тока замыкания на землю. Если значениями Zd, Zi и Z0 относительно значения ZN можно пренебречь, то: Это, например, случай ограничения значения Ik1 до 20 ампер в сети среднего напряжения с питанием от трансформатора большой мощности (10 МВА). DE 552 1 7 Рис. 1. Трехфазное короткое замыкание F Ik3 ZN Zcc Zcc Zcc U DE 55 21 9 Моделирование трехфазного короткого замыкания в соответствии с симметричными составляющими Ik3 U 3 Zc c • ------------------------ = Zcc R 2 X 2 + = Za U 2 Scc ----------- = Icc U 3 Za • -------------------- = Id E Zd ------- = Ii I0 0 = = Vd Vi V0 0 = = = Id Vd Ii Vi I0 V0 Zd Zi Z0 E DE 552 1 8 Рис. 2. Короткое замыкание фазы на землю ZN Ik1 Zcc Zcc Zcc U D E 55220 Моделирование однофазного короткого замыкания в соответствии с симметричными составляющими Ik1 3 U • Zd Zi Z0 3ZN + + + ( ) --------------------------------------------------------- = Ik1 U 3 ZN • --------------------- = Id Ii I0 E Zd Zi Z0 3Z + + + ----------------------------------------------- = = = Vd E Zi Z0 3Z + + ( ) Zd Zi Z0 3Z + + + ----------------------------------------------- = Vi Zi E • – Zd Zi Z0 3 Z + + + ----------------------------------------------- = V0 Z0 E • – Zd Zi Z0 3Z + + + ----------------------------------------------- = Id Vd Ii Vi I0 V0 Zd Zi Z0 3Z E Выпуск № 1 Schneider Electric 15 Токи короткого замыкания Типы короткого замыкания 0 Двухфазное короткое замыкание между проводами фазы (рис. 1) Значение тока двухфазного короткого замыкания в какой?либо точке сети рассчитывается по формуле: В случае питания сети от трансформатора (повреждение, удаленное от источников питания) значение тока двухфазного короткого замыкания в какой?либо точке сети рассчитывается по формуле: При этом ток двухфазного короткого замыкания является более слабым, чем ток трехфазного замыкания в соотношении 3/2 и составляет примерно 87%. При коротком замыкании, возникающим в цепи близко к генератору (Zi y Zd), значение тока может быть больше тока трехфазного замыкания. Двухфазное короткое замыкание проводов фазы на землю (рис. 2) В случае глухого короткого замыкания, удаленного от источников питания, значение тока двухфазного короткого замыкания на землю рассчитывается по формуле: DE 552 2 1 Рис. 1. Двухфазное короткое замыкание ZN Ik2 Zcc Zcc Zcc U DE 5522 4 Моделирование двухфазного короткого замыкания в соответствии с симметричными составляющими Ik2 U Zd Zi + ------------------- = Ik2 U 2 Zcc • -------------------- = Id E Zd Zi Z + + ------------------------------ = Ii E – Zd Zi Z + + ------------------------------ = I0 0 = Vd E Zi Z + ( ) Zd Zi Z + + ------------------------------ = Vi E Z 2 • Zd Zi Z + + ------------------------------ = V0 0 = Id Vd Ii Vi I0 V0 Zd Zi Z0 E Z DE 552 22 Рис. 2. Двухфазное короткое замыкание на землю ZN IkE2E Ik2E Zcc Zcc Zcc U D E5 5225 Моделирование двухфазного короткого замыкания на землю в соответствии с симметричными составляющими IkE2E 3 U • Zd 2Z0 + ( ) ------------------------------ = Id E Zi Z0 3Z + + ( ) Zd Zi • 3Z Z0 + ( ) Zd Zi + ( ) • + ---------------------------------------------------------------------------------- = Ii E – Z0 3Z + ( ) Zd Zi • 3Z Z0 + ( ) Zd Zi + ( ) • + ---------------------------------------------------------------------------------- = I0 E – Zi • Zd Zi • |