Лекция 6. Поведение сетей в нормальном режиме и при перегрузке
Содержание лекции:
- виды режимов работы электрических сетей и электрооборудования.
Цель лекции:
- ознакомление с основными правилами предотвращения развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части.
В трехфазных электрических сетях возможны повреждения электрооборудования и утяжеленные режимы работы. Повреждения, связанные с нарушением изоляции, разрывом проводов линий электропередачи, ошибками персонала при переключениях, приводят к КЗ фаз между собой или на землю. Возможны и более сложные повреждения. Кроме того, в случае развития повреждения не исключены переходы одного вида повреждения в другой с охватом большего числа фаз.
Утяжеленные режимы работы электрических сетей возникают, как правило, в результате аварий или после аварийных отключений оборудования, при последующих перегрузках и отклонениях напряжения от номинальных значений. И хотя эти режимы в течение некоторого времени считаются допустимыми, все же они создают предпосылки для различного рода повреждений и расстройств в работе электрических сетей. Например, в сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящий реактор, замыкание одной фазы на землю сразу не приводит к КЗ (в месте замыкания фазы на землю проходит лишь относительно небольшой емкостный ток) и не отражается на работе потребителей электроэнергии, поскольку при этом искажаются лишь фазные напряжения и не изменяются значения междуфазных напряжений. Однако для такого утяжеленного режима характерно повышение напряжения неповрежденных фаз относительно земли до линейного ко всей электрически связанной сети, что создает угрозу повреждения изоляции и междуфазного КЗ через землю. Поэтому время работы сетей с заземленной фазой ограничивается (в ряде случаев до 2 ч). За это время участок сети с заземленной фазой должен быть обнаружен и выведен в ремонт.
К ненормальным режимам работы сети относятся: сверхтоки внешних кз, сверхтоки перегрузок, качания или нарушение синхронизма параллельно работающих машин, а для маслонаполненных трансформаторов также понижение уровня масла.
Перегрузки. Перегрузки, т. е. режим работы электрооборудования, когда ток в сети выше номинального или предельно допустимого, могут возникать на разных участках системы электроснабжения.
Локальная перегрузка – это перегрузка участка сети до ближайшего автомата или предохранителя. Как правило, ее возникновение приводит к срабатыванию защитного устройства и локального отключения напряжения.
Местная перегрузка возникает, если перегружена вся линия от потребителя до понижающего трансформатора. При такой перегрузке происходит общее снижение напряжения в сети. При сильных перегрузках срабатывают системы защиты на подстанциях, что приводит к краткосрочному обесточиванию всех потребителей, питающихся от данной подстанции.
Общая перегрузка возникает, если перегружена вся энергосистема или значительная ее часть. В этом случае помимо общего снижения напряжения возможно снижение частоты питающего напряжения. При глубоких посадках возможны срабатывания защит на электростанциях и отключения напряжения в системе в целом.
Совершенно особенным случаем перегрузки является временная перегрузка, связанная со стартовыми токами, возникающими при запуске почти любого оборудования. Стартовый ток может превышать номинальный ток потребления электрического прибора в единицы, десятки и (к счастью очень редко) в сотни раз. В зависимости от величины стартового тока, временная перегрузка может распространиться на больший или меньший участок сети. Чаще всего включение оборудования вызывает местные перегрузки, но известны случаи, когда включение одного очень мощного агрегата вызывает перегрузку энергосистемы целой страны
В трехфазной сети, нагруженной в основном компьютерами, может возникать еще один вид перегрузки: перегрузка нейтрального провода из-за искаженной формы кривой тока нагрузки. Его особенная опасность обусловлена в основном тем, что не может быть обнаружена обычными щитовыми приборами и почти всегда остается незамеченной, а также отсутствием предохранителей на нейтральном проводе.
Нейтральный провод в трехфазной системе переменного тока выполняет очень важную функцию. Он служит для выравнивания фазных напряжений во всех трех фазах при разных нагрузках фаз (или, как говорят электрики, перекосе фаз). В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального. Особенно опасным является короткое замыкание после обрыва нейтрального провода. При этом напряжение на оставшихся незакороченными фазами возрастает в корень из трех раз (с нормальных 220 В до 380 В). Для исключения обрыва на нейтральном проводе не устанавливают предохранителей и выключателей. Этот вид сбоя электропитания является одним из самых опасных, но при правильном проектировании и эксплуатации электрической сети или системы бесперебойного питания встречается очень редко.
В Европе обычно применяется пятипроводная электрическая сеть. В такой электрической сети имеется отдельный (пятый) провод заземления и нейтральный провод выполняет только одну функцию. Кстати сказать, все западные трехфазные ИБП предназначены для использования именно с такой электрической сетью.
Одной из причин, вызывающих перегрузки, является неправильное распределение нагрузки по фазам: одна или две фазы в сети оказываются недогруженными, в то время, как другие фазы нагружены полностью. Это приводит к перекосу фаз – неравенству фазных напряжений в разных фазах сети. Вследствие этого происходит перегрузка нейтрального провода высоким компенсационным током. Еще одной причиной, вызывающей высокие токи нейтрали является сильная перегрузка сети «компьютерными» нагрузками, которые являются источниками гармоник, кратных 3-м. При этом, даже если нагрузки по фазам будут распределены равномерно и фазные токи далеки от номинала, несинусодальные составляющие этих токов, складываясь в нейтрали, могут вызвать в ней ток, амплитуда которого будет больше амплитуды токов в фазах.
Перегрузка является менее опасной и в ряде случаев допускается отказ от применения защиты проводников от перегрузки.
Согласно ПУЭ защита от перегрузки обязательна:
- для сетей внутри помещений, выполненных открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией;
- осветительных сетей в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных ЭП, а также в пожароопасных зонах;
- силовых сетей на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях - только в случаях, когда по условиям технологического процесса или по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников;
- проводников силовых, осветительных и вторичных цепей в сетях напряжением до 1 кВ во взрывоопасных зонах классов В-1, В-1а, В-П и В-Па.
Автоматами защиты электродвигателей, проводников и шинопроводов от воздействия больших токов в сетях напряжением до 1 кВ обычно служат плавкие предохранители (с набором плавких вставок) и автоматические выключатели с электромагнитными, полупроводниковыми или комбинированными расцепителями - устройствами, обеспечивающими отключение автомата при ненормальных по току режимах в сети.
Токоограничение. Ожидаемый ток короткого замыкания – ток КЗ, который протекал бы в цепи при отсутствии токоограничения. Токоограничение предполагает отключение токов КЗ менее чем за полупериод промышленной частоты. Поэтому необходимо учитывать только ударное значение тока короткого замыкания (см.рисунок 1). Оно зависит от (cos φ) электроустановки.
Уменьшение ожидаемого значения Iудар до I характеризует токоограничение автоматического L выключателя. Токоограничение заключается в создании противо-ЭДС, которая препятствует увеличению тока короткого замыкания. Эффективность токоограничения определяется тремя критериями: временем t, через которое начинает нарастать напряжение дуги; скоростью нарастания противо ЭДС; величиной противо-ЭДС.
Противо-ЭДС – это напряжение дуги UД, вызванное сопротивлением дуги, которая образуется между контактами с момента их размыкания. Быстрота развития дуги связана со скоростью размыкания контактов.
Как видно из приведенного рисунка 1, с момента начала размыкания контактов t противо ЭДС UА нарастает до момента t1 и достигает значения напряжения сети Em.
Рисунок 1 -Графики токоограничения
Ограниченный ток КЗ достигает своего максимального значения, затем уменьшается и становится равным нулю через время t2. Уменьшение тока КЗ вызвано противо-ЭДС, величина которой превышает напряжение сети Em.
Преимущества: снижение электромагнитных, тепловых, механических воздействий на электроустановку; токоограничение является основой принципа каскадного соединения.
Таким образом, токоограничение способствует повышению долговечности электроустановок.
Каскадное соединение «усиливает» отключающую способность выключателей, расположенных ниже токоограничивающего выключателя. Последний ограничивает большие значения тока КЗ, тем самым «помогая» нижерасположенному выключателю. Каскадное соединение позволяет использовать выключатель с отключающей способностью ниже, чем расчетный ожидаемый ток КЗ в точке его установки.
Селективность защит – это ключевое требование для обеспечения надежного и бесперебойного электроснабжения. Селективность может быть:
частичной; полной в зависимости от характеристик сочетаемых защитных устройств. Существуют следующие виды селективности: токовая; временная; логическая. Селективность можно оптимизировать путем использования нижерасположенных токоограничивающих выключателей.
Селективность должна быть обеспечена в любой системе заземления нейтрали в независимости от типа повреждения (перегрузка, короткое замыкание, повреждение изоляции).
Решить проблемы надежной эксплуатации электрических сетей зданий и сооружений можно, обеспечив качественную электропроводку и осуществлять мероприятия по контролю за электроснабжением на объекте.