Pomiar prądów i napięć w sieci średniego napięcia przy zwarciach

Transkrypt

Ćwiczenie S 4
POMIAR PRĄDÓW I NAPIĘĆ W SIECI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA PRZY ZWARCIACH 1-FAZOWYCH Z ZIEMIĄ
Ćwiczenie S 4
POMIAR PRĄDÓW I NAPIĘĆ W SIECI ŚREDNIEGO
NAPIĘCIA PRZY ZWARCIACH 1-FAZOWYCH Z ZIEMIĄ
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest pomiar napięć i prądów przy zwarciach Jednofazowych z ziemią, w
sieci średniego napięcia o punkcie zerowym izolowanym oraz uziemionym przez cewkę
kompensacyjne lub rezystancję.
2. Program ćwiczenia
2.1. Opis stanowiska pomiarowego
2.1.1. Uwagi ogólne
Pomiar prądów i napięć w sieci średniego napięcia przy zwarciach 1-fazowych z ziemią
Rys. 1. Widok płyty czołowej stanowiska pomiarowego
-1-
Ćwiczenie S 4
jest dokonywany na stanowisku laboratoryjnym, która składa się z modelu układu sieciowego
odwzorowującego w skali fragment rzeczywistej sieci średniego napięcia oraz zespołu
urządzeń niezbędnych do przeprowadzenia pomiarów. Widok płyty czołowej stanowiska,
przedstawiony jest na rys.1.
Na płycie czołowej znajduje się schemat układu sieciowego, sterowniki i przełączniki za
pomoce, których można dokonać odpowiednie pomiary, oraz zaciski, do których przyłącza się
przyrządy pomiarowa i odbiorniki stanowiące obciążenie linii.
2.1.2. Opis fragmentu sieci rzeczywistej.
Elektroenergetyczne sieci średnich napięć pracuję jako sieci promieniowe,
zasilane z transformatora WN/SN i połączeniu uzwojeń Yd11, a więc z
transformatorów nie posiadających po stronie średniego napięcia dostępnego punktu
gwiazdowego. Punkt gwiazdowy jest natomiast dostępny w transformatorach potrzeb
własnych, które instalowane są w stacjach elektroenergetycznych w celu zasilania
obwodów nn. w tych stacjach. Transformatory te pracują w układzie połączeń Yz.
W niniejszym ćwiczeniu zamodelowano fragment elektroenergetycznej sieci
średniego napięcia, który składa się z transformatora zasilającego 110/15kV, układ
połączeń Yd10, transformatora potrzeb własnych 15/0,4 kV oraz 3 promieniowych
linii kablowych (rys. 1.) o napięciu znamionowym 15 kV i następujących parametrach:
•
Linia L1 - 3x95 HAKFtA, l1 = 17 km
•
•
Punkt gwiazdowy sieci (tzn. punkt gwiazdowy transformatora potrzeb własnych)
może być uziemiony przez cewkę kompensacyjną o regulowanej indukcyjności, bądź
przez rezystor o maksymalnej wartości równej 547 Ω. Sieć może również pracować z
izolowanym punktem gwiazdowym. Zwarcie doziemne fazy R na końcu linii L1 lub linii
L2 można dokonać bezoporowo lub za pomocą rezystancji przejścia o maksymalnej
wartości 180 Ω.
-2-
Ćwiczenie S 4
2.1.3. Opis modelu sieci średniego napięcia.
Model sieci średniego napięcia opisanej w p. 2.1.2. jest modelem 3-fazowym
Poszczególne elementy sieci zostały zamodelowane w sposób następujący:
A. Transformator
Transformator potrzeb własnych oraz transformator zasilający nie odwzoruje w skali
transformatorów
rzeczywistych.
Transformatory
te
wykonane
są w sposób
następujący:
•
transformator potrzeb własnych - na rdzeniu nawinięto tylko uzwojenie
pierwotne połączone w gwiazdę z wyprowadzonym punktem zerowym.
Uzwojenie wtórnego nie nawinięto, ponieważ nie posiada ono istotnego
znaczenia
przy
przeprowadzanych
pomiarach.
Napięcie
znamionowe
transformatora wynosi 50 V.
•
transformator zasilający - wykonano go w układzie połączeń Yd11, napięcie
znamionowe 380/50 V
B. Linie L1, L2, L3
Linie L1, L2, L3 odwzorowane są w modelu za pomocą elementów R, L, C wg
następujących skali:
•
skala rezystancji i reaktancji CR,X = 0,033
•
skala pojemności Cc = 30,3
Parametry poszczególnych elementów linii w modelu zostały obliczone wg wzoru:
Xm = Cx X
(1)
gdzie:
Cx - skala wielkości X
X - wartość odpowiedniej wielkości w układzie rzeczywistym
Linie L1 i L3 oraz faza R linii L1 zostały zamodelowane w postaci jednego czwórnika
typu Γ o elementach R, L, C, a fazy S i T linii L1 składają się w modelu z 3
czwórników typu Γ połączonych szeregowo. Schemat modelu linii L2 i L3 jest
przedstawiony na rys. 2. a schemat modelu linii L1 na rys. 3. Na rysunkach tych
umieszczono również miejsce pomiaru prądu płynącego w poszczególnych liniach
oznaczona symbolem amperomierza.
-3-
Ćwiczenie S 4
A
R
ZmR
A
S
ZmS
A
T
ZmT
C0R
C0S
C0T
Rys. 2. Schemat modeli linii L2 i L3
ZmR
A
/3 ZmS
1
/3 C0T
A
/3 Z mT
R
A
S
A
T
C0R
A
/3 C0S
/3 Z mT
1
1
/3 ZmS
1
/3 C0T
A
/3 C0T
/3 Z mT
1
1
1
/3 C0S
A
A
1
1
1
/3 C0S
A
/3 ZmS
1
1
Rys. 3. Schemat modelu linii L1
C. Pozostałe elementy sieci średniego napięcia
Rezystancję uziemiającą Rz oraz rezystancję przejścia Rp wykonano w modelu wg
takiej samej skali jak oporność linii. Mają one następujące parametry:
•
rezystancja uziemiającą Rz - wykonana w postaci opornika którego wartość
można zmienić od 0÷6,4 Ω co 1,6 Ω za pomoce odpowiedniego przełączenia
zacieków, oznaczonych symbolem Rz na płycie czołowej,
•
rezystancja przejścia Rp - wartość jej mężna zmieniać od 0÷18 Ω co 2 Ω, za
pomocą pokrętła oznaczonego symbolem Rp.
Dławik za pomocą, którego można kompensować prąd zwarciowy został wykonany
w sposób umożliwiający zmianę jego indukcyjności poprzez zmianę szerokości jego
szczeliny powietrznej. Umożliwia to uzyskanie różnych wartości współczynnika
kompensacji sieci Kk, gdzie:
-4-
Ćwiczenie S 4
KK =
IL
IC
(2)
Przy czym: IL - prąd płynący przez cewkę kompensacyjną
IC - prąd zwarciowy sieci
Uwaga:
Ponieważ transformatory występujące w modelu nie odwzorowują w skali
transformatorów rzeczywistych, wobec tego prądy i napięcia pomierzone na modelu
można przeliczać na odpowiednie prądy i napięcia w sieci rzeczywistej w skali
prądowej Ci = 0,1 i skali napięciowej Cu = 0,0033 (za pomocą wzoru (1)) tylko w
układzie z izolowanym punktem zerowym. Wszystkie skale związane są ze sobą
następującymi wzorami:
CR,X =
Cu
Ci
; przyjęto C f = 1
; Cc =
CuC f
CiC f
(3)
2.2. Wykonanie pomiarów
2.2.1. Pomiar prądów i napięć w układzie w stanie normalnym pracy
a) Pomiar przy nieobciążonej linii L1.
Załączyć sterownik St5, St3, St2, St1. Dokonać pomiaru:
1 . napięcia na szynach stacji zasilającej za pomocą woltomierza przyłączonego do
zacisków "U" oraz przełącznika Pv oraz pomiaru napięcia na końcach linii L1
2. prądu płynącego w Linii L1 na jej początku, w 1/3 i 2/3 jej długości oraz na końcu linii w
fazach R, S i T za pomocą amperomierza przyłączonego do zacisków "IL1" oraz
przełącznika PJ1 i P4
3. prądu płynącego w liniach L2 i L3 za pomoce amperomierzy przyłączonych do
zacisków "IL2" i "IL3" oraz przełączników PJ2 i PJ3.
b) Pomiar przy obciążonej linii L1.
Do zacisków R, S i T linii L1 dołączyć 3-fazowy odbiornik rezystancyjny o prądzie 1,7A
Wykonać pomiary tak jak w punkcie poprzednim, pomijając pomiar prądów w fazach S i T
linii L1.
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
-5-
Ćwiczenie S 4
Tabela 1. Pomiar padów i napięć w stanie normalnej pracy
Un
[V]
początek
linii
IL1
[A]
koniec linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
początek
linii
1
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IR
IS
IT
2.2.2. Pomiar prądów i napięć w układzie z izolowanym punktem zerowym przy
zwarciu doziemnym fazy R linii L1
a) Pomiar przy nieobciążonej linii L1 i rezystancji przejścia Rp=0
Ustawić przełącznik P⊥ w pozycji pionowej. Załączyć sterowniki St6, St3, St2, St1
i St5.
Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2.1.b, mierząc dodatkowo prąd w punktach
zwarcia amperomierzem przyłączonym do zacisków "IZ".
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2 wg wzoru tabeli 1, dodając kolumnę JZ[A].
b) Pomiar przy obciążonej linii L1 i rezystancji przejścia Rp=0
Do zacisków R, S, T linii L1 dołączyć odbiornik 3-fazowy rezystancyjny o In = 1,7A
Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2.2.a. Wyniki umieścić w tabeli 2.
c) Zbadanie wpływu rezystancji przejścia na wartości prądów i napięć przy
nieobciążonej linii L1
Wykonać pomiary jak w punkcie 2.2.2.a. zmieniając rezystancję przejścia od (0-18) Ω
co 4 Ω. Wynik pomiarów umieścić w tabeli 3 wg wzoru tabeli 1 dla różnych wartości
Rp.
d) Zbadanie wpływu rozległości sieci na wartość prądów i napięć, przy
nieobciążonej linii L1 i Rp=0
Dokonać pomiaru jak w p.2.2.2.a. w następujących przypadkach
•
załączona tylko linia L1
•
załączone tylko linie L1 i L2
•
załączona linia L1, L2, L3
Wyniki umieścić w tabeli 4 wg wzoru tabeli 1.
-6-
Ćwiczenie S 4
2.2.3. Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez
cewkę kompensacyjną i linii L1 nieobciążonej.
a) Pomiar przy kompensacji dokładnej i Rp=0
Załączyć sterowniki St6, St2, St1, St5. Wskaźnik przełącznika P⊥ ustawić w
lewym położeniu. Skompensować dokładnie prąd zwarciowy, poprzez zmianę
indukcyjności LLZ i dokonać pomiaru jak w punkcie 2.2.2.a. mierząc dodatkowo
prąd płynący przez cewkę kompensacyjną poprzez przełączenie amperomierza do
zacieków oznaczonych IL oraz rozpływ prądów w fazach S i T linii L1. Wyniki
umieścić w tabeli 5 wg wzoru tabeli 2, dodając kolumnę IL[A].
b) Pomiar przy 80% niedokompensowaniu sieci i Rp=0
Za pomocą dławika XL2 spowodować 80% niedokompensowania sieci i dokonać
pomiaru jak w punkcie 2.2.3.a. Wyniki umieścić w tabeli 5.
c) Pomiar przy 120% przekompensowaniu sieci i Rp=0
Za pomocą dławika XL2 spowodować 120% przekompensowanie sieci i
dokonać pomiaru jak w punkcie 2.2.3.a. Wyniki umieścić w tabeli 5.
d) Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez
rezystancję i linii L1 nieobciążonej
Załączyć sterownik St6, St1, St5 ustawić Rp=0. Wskaźnik przełącznika P⊥
ustawić w prawym położeniu. Zmienić oporność uziemienia Rz od 0 do 6,4 Ω co
1,6 Ω, poprzez zwieranie odpowiednich zacisków Rz i dokonać pomiarów prądów
1 napięć w układzie jak w punkcie 2.2.2.a, wyniki pomiarów umieszczając w tabeli
6 wg wzoru tabeli 5. Następnie załączyć dodatkowo sterowniki St2 i St3 i dokonać
pomiaru prądów i napięć przy Rz=0 Ω i Rz=6,4 Ω
2. 3. Opracowanie wyników pomiarów
Wyniki pomiarów należy opracować w sposób następujący:
•
umieścić w jednym wykresie wskazowym wyniki pomiarów wskazowych w
punktach 2.2.1.a i 2.2.2.a oraz na drugim wykresie wskazowym wyniki
-7-
Ćwiczenie S 4
pomiarów w punktach 2.2.1.b i 2.2.2.b. Wykres wykonać dla prądów i napięć w
miejscu zawarcia.
•
na podstawie wyników pomiarów w punkcie 2.2.2.c. wykonać charakterystykę
prądu w miejscu zwarcia w funkcji rezystancji przejścia IZ = f(Rp) oraz napięć
fazowych na początku linii w funkcji Rp. Wykonać wykres wskazowy prądów i
napięć w miejscu zwarcia dla Rp = 8 Ω
•
wyciągnąć wnioski z pomiarów w p. 2.2.2.d.
•
wyciągnąć wnioski z pomiarów w p. 2.2.3, wykonać wykres wskazowy w
miejscu zwarcia dla pomiarów w punkcie 2.2.3.a.
•
na podstawie wyników pomiarów w punkcie 2.2.4. wykreślić charakterystykę
Iz = f(Rz) i napięć fazowych na końcu linii w funkcji Rz.
•
Przeanalizować zależność prądów w fazach S i T linii L1 na podstawie
wyników pomiarów w punktach 2.2.1. a i 2.2.2.c.
•
przeanalizować napięcia w układzie w zależności od sposobu uziemiania
punktu zerowego sieci oraz prądy w liniach niedoziemionych na podstawie
wszystkich wyników pomiaru.
-8-
Ćwiczenie S 4
3. Podstawy teoretyczne
3.1. Ogólne wiadomości o zwarciach [1]
Zwarcie
jest
to
elektroenergetycznych
zakłócenie
o
różnych
polegające
na
potencjałach,
połączeniu
wynikłe
z
punktów
utraty
sieci
własności
izolacyjnych jej elementów.
Zwarcie może być poprzez:
a) łuk elektryczny lub inny przedmiot o pewnej, małej rezystancji i nazywamy je
pośrednim lub niemetalicznym,
b) impedancję równą zeru i nazywamy bezpośrednim lub metalicznym.
Przyjmuje się, że pod pojęciem zwarcie rozumiemy zwarcie bezpośrednie,
metaliczne jeśli nie jest to inaczej zaznaczone.
♦ Klasyfikacja zwarć
Ze względu na liczbę faz i ziemi, które są zwarte rozróżnia się:
a) zwarcie trójfazowe,
b) zwarcie trójfazowe doziemne,
c) zwarcie dwufazowe,
d) zwarcie dwufazowe doziemne,
e) zwarcie jednofazowe.
Zgodnie z definicją, wielkości wielofazowe prądu lub napięcia są symetryczne jeżeli
mają jednakowe amplitudy (wartości skuteczne) oraz jednakowe przesunięcia fazowe
względem siebie. Z drugiej części definicji wynika, że w układzie trójfazowym wektory
mające jednakowe wartości skuteczne oraz przesunięcia fazowe równe 120 lub 0
tworzą układy symetryczne. W związku z powyższą definicją można powiedzieć, że
zwarcie trójfazowe i zwarcie trójfazowe doziemne może być zwarciem symetrycznym
ze względu na fakt, że przy tych zwarciach układy wektorowe prądów i napięć mogą
być symetryczne. Podczas zwarcia trójfazowego lub trójfazowego doziemnego
układy wektorowe prądów i napięć będą symetryczne jeżeli układ przesyłowy jest
symetryczny w stanie przed zwarciem. Pozostałe rodzaje zwarć to zawsze zwarcia
niesymetryczne.
W zależności od położenia miejsca zwarcia w stosunku do źródeł energii
(generatorów synchronicznych)możemy wyróżnić dwa przypadki:
-9-
Ćwiczenie S 4
a) zwarcie na zaciskach generatora lub w jego pobliżu, wywołujące znaczące
stany przejściowe w generatorze, zwane zwarciami pobliskimi,
b) zwarcie odległe od zacisków generatora, wywołujące poważne stany
przejściowe w sieci elektroenergetycznej w pobliżu miejsca zwarcia lecz nie
powodujące znaczących stanów przejściowych w generatorach.
Ze względu na liczbę i położenie miejsc zwarcia rozróżnia się:
a) zwarcie jednomiejscowe - występujące w jednym miejscu sieci.
b) zwarcie wielomiejscowe - występujące w różnych miejscach sieci,
c) zwarcie
wewnętrzne
-
występujące
w
uzwojeniach
maszyn
lub
transformatorów,
d) zwarcie zewnętrzne - występujące w innych miejscach sieci niż zwarcie
wewnętrzne.
Ze względu na chwilę występowania zwarć rozróżnia się:
a) zwarcie jednoczesne tj. gdy połączenia między poszczególnymi fazami i
ziemią nastąpiło jednocześnie,
b) zwarcie niejednoczesne.
♦ Częstość występowania zwarć
Opierając się na statystykach wielu państw względne częstości występowania
różnych rodzajów zwarć są następujące:
a) zwarcie jednofazowe - średnio 65% (od 30% do 97%),
b) podwójne zwarcie z ziemią i zwarcie dwufazowe z ziemią - średnio 20% (od
0% do 55%).
c) zwarcie dwufazowe - średnio 10%o (od 0% do 55%),
d) zwarcie trójfazowe - średnio 5% (od 0% do 35%).
Częstość występowania zwarć jednofazowych zależy od:
a) napięcia znamionowego sieci,
b) udziału długości linii napowietrznych w całkowitej długości linii.
W sieciach napowietrznych występuje większa liczba zwarć jednofazowych w
stosunku do sieci kablowych. Wynika to przede wszystkim z szybkiego przeradzania
- 10 -
Ćwiczenie S 4
się zwarć jednofazowych w zwarcia głównie trójfazowe w sieciach kablowych. Przy
wyższych napięciach znamionowych zmniejsza się liczba zwarć spowodowanych
takimi przyczynami jak: omyłki łączeniowe uszkodzenia mechaniczne, przeciążenia
czy niewłaściwa eksploatacja. Przyczyny te w większości powodują zwarcia
trójfazowe. Reasumując można stwierdzić, że czym wyższe napięcie znamionowe
sieci i czym większy udział linii napowietrznych tym większy udział zwarć
jednofazowych sięgający w sieciach 400 kV do 97% wszystkich zwarć.
Oprócz względnych częstości występowania różnych rodzajów zwarć ważna jest
ilość zwarć na 100km linii w ciągu roku. Dane takie zamieszczone w poniższej tabeli.
Ilości zwarć na 100 km linii i na rok
Rodzaj linii
Linie napowietrzne
Linie kablowe
Sieć SN
6.0
22.0
Sieć WN
0.8
-
Sieć nN
20.0
30.0
♦ Przyczyny występowania zwarć
Zwarcia mogą być spowodowane przyczynami elektrycznymi i nieelektrycznymi Do
tych przyczyn pojawiania się zwarć zaliczamy:
a)
przepięcia atmosferyczne.
b)
przepięcia łączeniowe.
c)
omyłki łączeniowe,
d) długotrwałe przeciążenia ruchowe: maszyn, kabli, przewodów,
e) starzenie się izolacji,
f)
uszkodzenia mechaniczne,
g)
zawilgocenie izolacji,
h)
zanieczyszczenie izolacji,
i)
zbliżenie się przewodów linii napowietrznych podczas wiatru, sadzi lub
samoczynnych kołysań przewodów,
j)
wady fabryczne urządzeń
elektroenergetycznych,
k)
niewłaściwa eksploatacja lub naprawa,
l)
zwierzęta
m) zarzutki na przewody linii napowietrznych i stłuczenia izolatorów,
n)
inne przyczyny
- 11 -
Ćwiczenie S 4
♦ Skutki zwarć
Podczas zwarcia płyną zazwyczaj prądy wielokrotnie przekraczające prądy
znamionowe urządzeń Prądy te wywołują wielkie siły działające na przewodniki
przewodzące prąd zwarciowy, mogące spowodować mechaniczne zniszczenie
urządzeń elektroenergetycznych. Działające na przewodniki siły mechaniczne są w
przybliżeniu
wprost
proporcjonalne
do
kwadratu
wartości
chwilowej
prądu
zwarciowego. Takie działanie nazywa się dynamicznym lub elektrodynamicznym
działaniem prądu zwarciowego.
Podczas przepływu tych prądów w przewodnikach wydzielają się duże ilości ciepła
powodujące,
że
przewodniki
osiągają
temperatury
znacznie
wyższe
niż
dopuszczalne u stanie normalnym. Należy tutaj pamiętać, że ilość wydzielonego
ciepła jest wprost proporcjonalna do całki z kwadratu wartości chwilowej prądu
zwarciowego i czasu trwania zwarcia. To wydzielanie się ciepła podczas zwarcia
może również prowadzić do zniszczenia urządzeń. Tego rodzaju działanie prądu
zwarciowego nazywa się cieplnym (termicznym) działanie prądu zwarciowego.
Skutek cieplny prądu zwarciowego musimy ograniczać poprzez skracanie czasu
trwania zwarcia. Do wykrycia pojawienia się zwarcia, identyfikacji obiektu, w którym
występuje zwarcie oraz wyłączenia tego obiektu służy elektroenergetyczna
automatyka zabezpieczeniowa.
Dalszym skutkiem zwarcia może być zniszczenie (eksplozja) wyłącznika przy
wyłączaniu lub załączaniu w czasie zwarcia, a więc prądy zwarciowe decydują o
koniecznej zdolności łączeniowej stosowanych łączników.
W przypadku uszkodzenia izolacji urządzenia, część tego urządzenia nie będąca
pod napięciem może znaleźć się pod napięciem względem ziemi - nazywa się je
napięciem dotykowym. Dla ochrony przed napięciem dotykowym instaluje się
urządzenia ochrony przeciwporażeniowej. W przypadku zwarcia z ziemią upływ
prądu do ziemi może być powodem znacznych różnic potencjałów między punktami
na powierzchni ziemi zwane napięciem krokowym. Ograniczenie oddziaływania
napięcia
krokowego
uzyskuje
się
przez
instalowanie
uziomów
w
miejscu
prawdopodobnego przepływu prądu do ziemi.
Zwarcie doziemne (jednofazowe) w sieci z nieskutecznie uziemionym punktem
neutralnym
powstałe
przez
łuk
może
- 12 -
być
powodem
wysokich
przepięć
Ćwiczenie S 4
ziemnozwarciowych. W sieci ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym zwarcia
niesymetryczne mogą być powodem groźnych przepięć ustalonych.
Często zwarciom towarzyszy łuk elektryczny palący się w miejscu zwarcia. Luk
zwarciowy
w
urządzeniach
elektroenergetycznych
(liniach
i
stacjach
elektroenergetycznych) jest zjawiskiem wysoce niepożądanym. Nie jest możliwa
całkowita eliminacja powstawania łuku podczas zwarć. Paleniu się łuku towarzyszy
bardzo wysoka temperatura dochodząca do kilku a nawet kilkunastu tysięcy stopni
Kelwina a ponadto:
a) topienie się przewodów na których pali się łuk, parowanie i rozbryzgi
stopionego metalu z tych przewodów,
b) zapłon materiałów izolacyjnych szczególnie takich jak olej czy izolacja
papierowo-olejowa,
c) zapłonowi materiałów izolacyjnych może towarzyszyć wydzielanie się
trujących gazów, dotyczy przede wszystkim pomieszczeń kablowych z
kablami w izolacji polwinitowej,
d) paleniu się materiałów izolacyjnych towarzyszy wydzielanie się dużych ilości
czarnego, nieprzejrzystego, być może toksycznego dymu,
e) paleniu się oleju towarzyszy jego rozbryzgiwanie oraz wydzielanie się wodoru
w wyniku rozkładu oleju,
f)
promieniowanie cieplne łuku,
g) promieniowanie ultrafioletowe łuku,
h) przemieszczanie się łuku wzdłuż szyn zbiorczych i do góry,
h) efekty dźwiękowe,
i)
powietrze nagrzane przez łuk, które powoduje nagły wzrost ciśnienia w
przestrzeni gdzie pali się łuk co sprawia, że następuje wydmuch tego
powietrza,
j)
palący się łuk zużywa tlen, wobec czego człowiekowi znajdującemu się w
małych, nie mających wentylacji pomieszczeniach grozi uduszenie.
Jak widać z powyższego zestawienia, palący się łuk elektryczny stanowi duże
zagrożenie:
a) dla osób obsługujących urządzenia elektroenergetyczne,
b) pożarowe,
c) dla urządzeń elektroenergetycznych powodując ich niszczenie.
- 13 -
Ćwiczenie S 4
Skutki jakie ostatecznie powoduje palący się łuk elektryczny zależą od wielu
czynników a przede wszystkim od urządzenia elektroenergetycznego, w którym łuk
się pali i wartości prądu zwarciowego.
3.2. Przebieg prądu zwarciowego [2]
W przebiegu prądu zwarciowego rozróżnić można dwa stany: nieustalony
— trwający kilka sekund i ustalony trwający po tym. okresie. Wyłączenie
prądu zwarciowego następuje najczęściej po czasie nie dłuższym niż 2s,
najbardziej więc interesujący jest. stan nieustalony prądu zwarciowego.
Rys. 3.1. Przebieg prądu zwarciowego w funkcji czasu
W prądzie zwarciowym w stanie nieustalonym rozróżnić można dwie składowe:
składową okresową iok oraz składową nieokresową inok. Na rysunku 13.2 pokazano
przebieg prądu zwarciowego w funkcji czasu. Widać na nim rozdzielenie całkowitego
prądu zwarciowego i na dwie składowe.
Składowa okresowa i0k prądu zwarciowego jest z kolei sumą trzech prądów (rys.
3.2.)
- 14 -
Ćwiczenie S 4
— składowej ustalonej i∞
— składowej przejściowej głównej i’
— składowej przejściowej wstępnej i".
Rys. 3.2. Prądy składowe składowej okresowej iok.
Istnienie składowych przejściowych wynika ze sprzężenia magnetycznego uzwojeń
generatora. Nagła zmiana prądu wywołuje w uzwojeniu wzbudzającym i tłumiącym
przepływ dodatkowych prądów, które indukują w tworniku zanikające składowe.
Składowa przejściowa główna i’ wytwarzana przez oddziaływanie uzwojenia
wzbudzającego zanika w ciągu kilku sekund. Składowa przejściowa wstępna i" jest
wynikiem oddziaływania uzwojeń tłumiących i płynie przez czas zaledwie kilkunastu
setnych sekundy.
Na rysunku 3.2 zaznaczono pewne charakterystyczne wartości omawianych
prądów:
JM = KH — amplituda składowej okresowej i0u prądu zwarciowego po czasie
t = OJ
DE — maksymalna wartość amplitudy
- 15 -
Ćwiczenie S 4
KL =
KH
— wartość skuteczna składowej okresowej po czasie t = OJ
2
BC — wartość skuteczna składowej okresowej w chwili zwarcia
OB, FG, JK — wartości składowej nieokresowej po czasie t = 0, t = OF, t = OJ.
Wartość BC nazywa się prądem początkowym zwarcia Ip, natomiast odcinek DE,
będący maksymalną wartością amplitudy, nazywa się prądem udarowym iu.
Wartość skuteczną prądu okresowego iOK oznacza się przez Iok natomiast wartość
skuteczną całkowitego prądu zwarciowego oznacza się symbolem Ins i oblicza się z
wzoru:
2
I ns = I ok2 + inok
3.3. Zwarcia w sieciach z punktem zerowym izolowanym
Doziemienie fazy w sieci z punktem zerowym (neutralnym) izolowanym różni się w
sposób istotny od podobnego doziemienia w sieciach z punktem zerowym
(neutralnym) skutecznie uziemionym. W sieciach z punktem zerowym uziemionym
prąd zwarciowy płynie w obwodzie połączonym galwanicznie, stąd też duże wartości
tego prądu. W sieciach z punktem zerowym izolowanym obwód zwarciowy nie jest
bezpośrednio połączony i prąd zwarciowy płynie tylko przez pojemności doziemne
faz względem ziemi. Nie uwzględnia się pojemności fazy doziemionej, gdyż w fazie
tej napięcie względem ziemi jest równe zero.
Na rysunku 3.3. przedstawiono porównanie wykresu wektorowego napięć i prądów
przed i po zaistnieniu doziemienia fazy L 1 . Przed zwarciem wszystkie napięcia
fazowe i prądy są równe i przesunięte względem siebie o kąt 120°. Po doziemieniu
fazy L 1 napięcie fazy uszkodzonej względem ziemi jest równe zero, a tym samym
napięcia względem ziemi faz zdrowych wzrosły o
3
Po zwarciu, ze względu na to, że U L l f = 0, prąd pojemnościowy będzie płynął
tylko fazami zdrowymi, lecz jego wartość będzie
3 razy większa, bo o tyle samo
wzrosły napięcia fazowe UL2f, UL3f. Z wykresów wektorowych na rys. 3.3 wynika
dodatkowo, że prądy I L 2 c i I L 3 c są po zwarciu przesunięte względem siebie o kąt 60°.
Powyższe stwierdzenia można zapisać:
I L 2 c = I L 3c = 3 I c ;
I zc = I L 2c + I L 3c ;
- 16 -
I zc = 3 ⋅ 3I c = 3I C
Ćwiczenie S 4
Chociaż zwarcia doziemne w sieciach z punktem zerowym izolowanym nie
powodują — jak z tego widać — dużych prądów zwarciowych, to jednak ich skutki są
również groźne.
Stan normalnej pracy
Zwarcie doziemne fazy L1
IL3
L3
L2
L1
L3
L2
L1
IL2
Izc
IL2c
Izc
UL1f
IL2f
U0
IL3c
IL1f
UL3f
IL3f
UL2f
UL2f
UL3f
Rys. 3.3. Schemat zastępczy układu elektroenergetycznego z izolowanym punktem
gwiazdowym i wykres wektorowy
Skutkami zwarć doziemnych są przepięcia mogące uszkodzić izolację urządzeń
oraz groźne następstwa wytwarzającego się często łuku. Działanie łuku zwarciowego
jest szczególnie niebezpieczne dla kabli, gdyż najczęściej dochodzi w efekcie do
zwarcia międzyprzewodowego. Zwarcia o łuku przerywanym, powodujące najwyższe
przepięcia, powstają w układach o dużych prądach pojemnościowych. Z tego
względu przepisy ograniczają wartości prądów przy zwarciu doziemnym (prądów
ziemnozwarciowych): w sieciach kablowych i kablowo-napowietrznych do wartości
50 A
Aby
dostosować
się
do
wymaganych
dopuszczalnych
wartości
prądów
ziemnozwarciowych, stosuje się w sieciach średniego napięcia kompensację prądu
pojemnościowego.
- 17 -
Ćwiczenie S 4
3.4. Kompensacja prądów ziemnozwarciowych [2]
Najczęściej stosowanym sposobem kompensacji prądu zwarcia doziemnego jest
włączenie reaktancji o regulowanej indukcyjności pomiędzy punkt gwiazdowy układu
a ziemię. Cewki służące do tego celu nazywa się dławikami gaszącymi (cewkami
Petersena). Poza dławikami stosuje się, w układach w których punkt gwiazdowy
transformatora jest niedostępny, specjalne transformatory gaszące (transformator
Baucha lub Reihoffera). Transformatory te dołącza się do trzech przewodów linii, a
skutek zastosowania ich jest taki sam, jak cewki Petersena, gdyż kompensują one
prąd w miejscu zwarcia doziemnego.
Prąd płynący przez indukcyjność kompensuje w miejscach zwarcia prąd
pojemnościowy. Całkowite skompensowanie nastąpi wówczas, gdy prądy te będą
sobie równe co do wartości, czyli gdy:
U0 Uf
=
ωL ωL
I L = I zc =
= 3U f ωC
Stąd warunek kompensacji zupełnej przybiera postać:
ωL =
Rozpływ
prądów
oraz
wykres
1
3ω C
wektorowy
przy
zastosowaniu
kompensacji
przedstawiono na rys. 3.4
a)
b)
IL3
IL2
Izc
IL
L3
L2
L1
IL2c
IL = -Izc
Izc
U0
IL3c
UL3f
UL2f
Rys. 3.4. Ilustracja kompensacji prądu ziemnozwarciowego:
a) schemat zastępczy układu elektroenergetycznego, b) wykres wskazowy
3.5. Metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych [3]
Stosowane w sieciach metody ograniczania skutków działania prądów zwarciowych
można podzielić na trzy grupy:
- 18 -
Ćwiczenie S 4
1. Odpowiednie kształtowanie konfiguracji sieci
Podział sieci na wycinki zasilane z różnych źródeł jest podstawową metodą
ograniczającą poziom mocy zwarciowych. Stosuje się rozcinanie połączeń
równoległych i sekcjonowanie szyn. Przyjmuje się na ogół zasadę pracy każdego
źródła prądu zwarciowego (generatora, transformatora, linii zasilającej) na oddzielną
sekcję szyn. Stosuje się także rozcinanie sieci dwu- i wielostronnie zasilanych, np.
przez odłączenie jednej lub kilku linii zasilających.
2. Wprowadzenie dodatkowych impedancji w obwód prądu zwarciowego
Istotny wpływ na wielkość prądów zwarciowych mają impedancje transformatorów.
Podwyższając napięcie zwarcia, a tym samym reaktancję, można ograniczyć prądy
zwarciowe po wtórnej stronie transformatora. W Polsce stosuje się transformatory
110 kV/SN o napięciu zwarcia podniesionym do 18%, dwu- lub trójuzwojeniowe.
Prądy zwarciowe można ograniczyć stosując dławiki zwarciowe. Ze względu na
miejsce instalowania rozróżnia się: dławiki liniowe — instalowane w polach liniowych
oraz dławiki szynowe — instalowane między sekcjami szyn zbiorczych. Ciekawym
rozwiązaniem jest dławik z podmagnesowanym rdzeniem ferromagnetycznym. W
normalnych warunkach jego reaktancja jest niewielka. Po przekroczeniu pewnej
granicznej wartości prądu magnesującego reaktancja gwałtownie wzrasta. Obecnie
jednak nie zaleca się stosowania dławików. Ich rolę przejmują transformatory z
podwyższonym napięciem zwarcia.
Jednym z nowych rozwiązań służących do ograniczania prądów zwarciowych jest
sprzęgło rezonansowe. Łączy ono dwa punkty sieci o jednakowym napięciu i
umożliwia bezzwłoczne ograniczenie prądu zwarciowego w chwili zwarcia. Dzięki
rezonansowi zachodzącemu w normalnych warunkach pracy jego impedancja jest
bliska zeru. Natomiast przy przepływie prądu zwarciowego rezonans zostaje
rozstrojony,
a
duża całkowita impedancja sprzęgła powoduje ograniczanie
przenoszonego prądu zwarciowego.
3. Stosowanie bardzo szybkich urządzeń do odłączania obwodów zwartych
Należą tu szybkie bezpieczniki i ograniczniki mocy zwarciowej. Przerywają prąd
zwarciowy w czasie krótszym niż
1
/4 okresu, nie dopuszczając do przepływu
maksymalnego prądu zwarciowego.
- 19 -
Ćwiczenie S 4
W Polsce w sieciach średnich i niskich napięć do przerywania niedużych prądów
zwarciowych stosuje się bezpieczniki. Do przerywania dużych prądów zwarciowych
(do 40 kA) w sieciach średnich napięć stosuje się ograniczniki, w których najczęściej
przerwanie głównego toru prądowego następuje dzięki wybuchowi ładunku
pobudzonego przez układ elektroniczny mierzący szybkość narastania prądu.
4. Literatura
[1] Kanicki A. Wyznaczanie wielkości zwarciowych w systemie elektroenergetycznym,
Łódź 2000
[2] Kotlarski W. Sieci elektroenergetyczne, Warszawa 1989
[3] Poradnik Inżyniera Elektryka, tom 3.
- 20 -
Ćwiczenie S 4
Załącznik I
Wyniki pomiarów z ćw. S4
Pomiar prądów i napięć w stanie normalnej pracy
Un
[V]
IL1
[A]
początek
linii
koniec linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
początek
linii
1
koniec
linii
2
/3 linii
/3 linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IR
IS
IT
Pomiar prądów i napięć przy jednofazowym zwarciu doziemnym w linii L1
Badanie wpływu rezystancji przejścia na wartości prądów i napięć
Rp = 0,
Iz =
Un
[V]
począt
-ek linii
IL1
[A]
koniec
L1
L2
początek
linii
L3
UR
US
UT
URS
UST
UTR
1
/3 linii
/3 linii
koniec
linii
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IR
IS
IT
Rp = 4 Ω,
Iz =
Un
[V]
począt
-ek linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
2
IL2
[A]
IL1
[A]
koniec
L1
L2
początek
linii
L3
IR
IS
IT
- 21 -
1
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
Ćwiczenie S 4
Rp = 8 Ω,
Iz =
Un
[V]
począt
-ek linii
IL1
[A]
koniec
L1
L2
początek
linii
L3
UR
US
UT
URS
UST
UTR
1
/3 linii
/3 linii
koniec
linii
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IR
IS
IT
Rp = 12 Ω,
Iz =
Un
[V]
począt
-ek linii
IL1
[A]
koniec
L1
L2
początek
linii
L3
UR
US
UT
URS
UST
UTR
1
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
IR
IS
IT
Rp = 16 Ω,
Iz =
Un
[V]
począt
-ek linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
2
IL2
[A]
IL1
[A]
koniec
L1
L2
początek
linii
L3
IR
IS
IT
- 22 -
1
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
Ćwiczenie S 4
Badanie wpływu rozległości sieci na wartości napięć i prądów
Rp = 0 Ω,
Un
[V]
Załączona tylko linia L1; Iz =
początek
linii
koniec linii
IL1
[A]
początek
linii
1
UR
IR
US
UT
IS
URS
UST
IT
UTR
Załączone tylko linie L1 i L2; Iz =
UR
IR
US
UT
IS
URS
UST
IT
UTR
Załączone linie L1, L2 i L3; Iz =
UR
IR
US
UT
IS
URS
UST
IT
UTR
- 23 -
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
IL2
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
Ćwiczenie S 4
Pomiar prądów i napięć w układzie z punktem zerowym uziemionym przez cewkę
kompensacyjną
Rp = 0 Ω
Un
[V]
Kompensacja 100%; Iz =
początek
linii
IL1
[A]
IL3
[A]
początek
linii
początek
linii
IL =
koniec linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
IL2
[A]
początek
linii
1
IR
IS
IT
IL =
IR
IS
IT
IL =
IR
IS
IT
- 24 -
/3 linii
2
/3 linii
koniec
linii
Ćwiczenie S 4
Pomiar prądów i napięć przy jednofazowym zwarciu doziemnym w linii L1
Badanie wpływu rezystancji uziemienia na wartości prądów i napięć
Un [V]
początek
linii
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
UR
US
UT
URS
UST
UTR
koniec linii
IL1
Rz
Iz
IL
początek linii
Ω
A
A
IR
0
IS
IT
IR
1,6
IS
IT
IR
3,2
IS
IT
IR
4,8
IS
IT
IR
6,4
IS
IT
- 25 -

Pomiar prądów i napięć w sieci średniego napięcia przy zwarciach

Transkrypt

Podobne dokumenty

Dla obwodu jak na poniższym schemacie obliczyć rozpływ prądów

Zasilacz impulsowy dogniazdkowy GPE018A o mocy

Zagadnienia teoretyczne

Ćwiczenie 2 - WIM UTP - Uniwersytet Technologiczno

Igrzyska Olimpijskie i Instytut Oceanologii PAN w Sopocie