LABORATORIUM ZWUE Ćwiczenie 2. Modelowanie zwarć

LABORATORIUM ZWUE
Ćwiczenie 2. Modelowanie zwarć doziemnych w sieciach SN: izolowanej, uziemionej przez rezystor oraz
kompensowanej
1. Wstęp
Zwarcia jednofazowe w sieciach z izolowanym punktem neutralnym mogą być trwałe:
 metaliczne np. opadnięcie przewodu linii napowietrznej na poprzecznik słupa,
 za pośrednictwem łuku palącego się stabilnie w miejscu zwarcia,
 za pośrednictwem tzw. uporczywego łuku palącego się nie stabilnie w miejscu zwarcia np. wskutek przebicia
izolatora,
 za pośrednictwem rezystancji przejścia np. przy opadnięciu przewodu linii na ziemię,
lub przemijające:
 powstające zazwyczaj za pośrednictwem łuku, który po jednym półokresie lub dłuższym czasie same gasną.
Generalnie sieci z izolowanym punktem neutralnym charakteryzują się mniejszym zagrożeniem porażeniowym w
stosunku do sieci uziemianych. Chociaż w sieci z izolowanym punktem neutralnym obwód składowej symetrycznej
zerowej z założenia jest rozwarty, to zamknięcie obwodu prądu zwarcia doziemnego (składowej zerowej)
umożliwiają przewodności poprzeczne istniejące w sieci (pojemności i upływności). Przewodności poprzeczne
spełniają zatem rolę uziemienia punktu neutralnego sieci jednakże ich impedancje są wielokrotnie większe od
impedancji, jaka występowałaby w przypadku gdyby dana sieć miała skutecznie uziemiony punkt zerowy. Przy
zwarciach w sieci z izolowanym punktem neutralnym prąd zwarcia jednofazowego ma charakter pojemnościowy.
Koszt wykonania sieci SN z izolowanym punktem neutralnym jest zdecydowanie mniejszy w porównaniu z
kosztami wykonania sieci z punktem neutralnym uziemionym. W sieciach SN z izolowanym punktem neutralnym
wartość prądu zwarciowego w sieciach kablowych nie może przekraczać 50A a w sieciach napowietrznych i
napowietrzno-kablowych 15A. Do wad sieci z izolowanym punktem neutralnym należy zaliczyć:
 wysoki poziom przepięć prowadzących do zwarć podwójnych i wielokrotnych,
 utrudnienie lokalizacji doziemionej (zwartej z ziemią) linii napowietrznej przy małych wartościach prądu
ziemnozwarciowego,
 zagrożenie porażeniowe przy dłuższym utrzymywaniu się doziemienia w sieci napowietrznej.
Przy zwarciu z ziemią, napięcia faz nie dotkniętych zwarciem w stosunku do ziemi wzrastają maksymalnie √3
razy. Takie przepięcie ustalone zazwyczaj nie jest zbyt groźne dla izolacji sieci SN. Sieci o izolowanym punkcie
neutralnym mają rację bytu jako mało rozległe sieci przemysłowe, również jako sieci potrzeb własnych w
elektrowniach. Jako sieci miejskie pozostały jeszcze w paru miastach.
Od lat 60-tych ubiegłego wieku zaczęto w wielu krajach wprowadzać i upowszechniać uziemienie punktu
neutralnego przez rezystor. W sieciach SN z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor trwałe uziemienie
punktu neutralnego powoduje ograniczenie czasu trwania przepięć ziemnozwarciowych i zmniejszenie ich poziomu.
Wartość tego rezystora powinna oprócz tego wymuszać prąd doziemny zapewniający prawidłowe działanie
zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Graniczna wartość prądu doziemnego w takich układach wynosi od 300A do
500A. Sieci o punkcie neutralnym uziemionym przez rezystor uważa się za rozwiązanie właściwe w przypadku sieci
kablowych (w których raczej nie dochodzi do zwarć przemijających) oraz sieci mieszanych o przeważającym udziale
linii kablowych.
Sieci SN skompensowane, o punkcie neutralnym uziemionym przez dławik gaszący, mają tę wyższość nad
innymi, że − przy prawidłowej kompensacji − dają dużą szansę samoczynnego zgaszenia łuku przy przeskoku
powierzchniowym (przy zwarciu po powierzchni samoregenerującej się izolacji napowietrznej), co jest nieocenione
dla ciągłości zasilania. Jeżeli jednak zwarcie utrzymuje się, bo jest zwarciem trwałym, zwłaszcza zwarciem
wielkooporowym, to lokalizacja i eliminacja takich zwarć doziemnych bywa trudna, zawodna i długotrwała, mimo
stosowania środków zaradczych, jak AWSC (Automatyczne Wymuszanie Składowej Czynnej prądu zwarcia
doziemnego).
Model symulacyjny
Parametry źródła: napięcie skuteczne międzyfazowe 15 kV, czestotliwość 50 Hz, moc zwarciowa 20 MVA przy
napięciu znamionowym 15 kV, stosunek X/R = 7. Model linii trójfazowej o parametrach skupionych R = 0.25
oraz L = 1mH, C=100nF. Początkowo w punkcie zwarcia Ron = 0.001, Rg = 0.001. Obciążenie RL: P=200kW,
Q=100kVar indukcyjne.
Wykorzystać bloczki:
 SimPowerSystems/Measurements/Three-Phase V-I Measurement - jako Bus 1 oraz Bus 2
 Simulink/Signal Routing/From - jako From1, From2, From3, From4
Rys. 1. Ustawienie parametrów bloczków Bus 1 oraz Bus 2 (pomiar napięć „phase-to-ground”) oraz bloczków From.
Rys. 2. Model symulacyjny
Zadanie ćwiczenia
1. Podać amplitudę prądu doziemienia Id w sieci z punktem neutralnym izolowanym (Rd=108). Wyznaczyć
charakterystykę prądu doziemienia Id w zależności od rezystancji rezystora uziemiającego Rd = 300, 250, 200,
150, 100, 50, 30, 20, 10 .
2. Ustawić w bloczkach Bus1 oraz Bus2 pomiar napięć Voltage measuremnet: „phase-to-ground” jak na Rys. 1.
Wyznaczyć amplitudy napięć w fazach B oraz C na szynach Bus 1 oraz Bus 2 w zależności od wartości
rezystancji uziemienia punktu gwiazdowego źródła Rd= 108 (punkt neutralny izolowany), Rd= 1000, Rd=
100. Jak rozłoży się napięcie na szynach Bus 1 oraz Bus2 jeżeli w ostatnim przypadku rezystancja doziemna
w punkcie zwarcia wyniesie Rg= 100.
3. Zbadać jak wpływa na kształt prądu zwarciowego zmiana pojemności linii C=1pF, C=10nF, C=100nF, C=1uF
dla dwóch przypadków Rd= 108 (punkt neutralny izolowany) oraz Rd= 100. Wnioski opisać. Przedstawić
odpowiednie przebiegi prądu zwarciowego.
4. Co się stanie jeżeli pomiar napięcia w bloczkach Bus 1 oraz Bus 2 ustawimy na „phase-to-phase”. Czy można
wówczas rozpoznać zwarcie doziemne.
Parametry symulacji
Rys. 3. Ustawienie parametrów symulacji. Czas wystąpienia zwarcia od 0.2 sek do 0.6 sek.
Do odczytania dokładnych wartości amplitudy napięć i prądów wykorzystać bloczek „To workspace”. Jeżeli w bloczku
„To workspace” nadamy nazwę sygnału wejściowego
np. Variable name: izwarcia
oraz ustawimy zakładkę
Save format: timeseries lub Save format: array w wersji starszej Matlaba
to możemy wykreślić przebieg prądu w oknie glównym Matlaba “Command window” komendą:
>>plot(izwarcia)
Dzięki wykorzystaniu bloczka „To workspace” można w oknie głównym Matlaba określić również maksymalną
wartość sygnału np. maksymalne wartości napięć w fazach B i C na szynach Bus1 oraz Bus2 w czasie zwarcia
komendą:
>>max(Vbus1)
>>max(Vbus2)
BIBLIOGRAFIA
[1] Musiał E.: Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach średniego napięcia − aktualny stan normalizacji,
http://www.edwardmusial.info/pliki/ochrona_pporazeniowa_sn.pdf