Выполнение лабораторной работы. Задание на выполнение Лабораторной работы

Задание на выполнение Лабораторной работы

Изучение методов контроля изоляции трёхфазных сетей переменного тока

3. Теория вопроса по теме лабораторной работы, ознакомление с методами и схемами контроля изоля­ции сетей с изолированной нейтралью, конструкциями и режимами работы аппаратов, применяемых для этого.

3.1 Режимы нейтралей сетей напряжением выше 1000 В.

Сети 6, 10, 35 кВ обычно работают с изолированными нейтралями, сети 110 кВ и выше с заземленными. Это объясняется следующим. Если сети 110 кВ и выше вы­полнять с изолированной нейтралью, то изоляция фазных проводов относи­тельно земли должна рассчитываться на линейное напряжение, под которым будут находиться две неповреждённые фазы при замыкании на землю третьей. В системе с заземлённой нейтралью напряжение между проводом и землёй в любом режиме не превышает фазное более чем в 1,3 раза. Поэтому се­ти с заземлённой нейтралью экономичнее из-за меньшей стоимости линейной изоляции. Замыкание на землю в этих сетях является коротким, отключается релейной защитой автоматически и специальных мер контроля изоляции не требуется.

В сетях 6-35 кВ доля изоляции в стоимости сети мала, а при изолированной нейтрали обеспечивается более высокая надежность электроснабжения, поскольку однофазные повреждения не являются короткими, релейной защитой не отключаются, потребители продолжают нормально работать. Кроме того, выполнение сетей 6 - 35 кВ с заземлённой нейтралью привело к неблагоприят­ным условиям эксплуатации линий связи, с которыми ЛЭП 6 - 35 кВ очень час­то пересекаются или проходят на небольшом удалении. Связано это с тем, что при повреждениях на землю в точках К.З. имеются неуравновешенные токи ну­левой последовательности, которые наводят в линиях связи напряжения, опас­ные для изоляции линий, оборудования и обслуживающего персонала связи.

3.2 Простое замыкание на землю в сетях 6-35 кВ.

Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью называется простым замыканием на землю. При простом замыкании на землю цепь тока, идущего в землю, замыкается че­рез ёмкостную проводимость элементов неповреждённых фаз относительно земли. Ёмкостная проводимость линии равномерно распределена по ее длине, поэтому эпюра пространственного распределения тока нулевой последователь­ности вдоль линии выражается наклонной прямой, как показано на рис.3.1,а. Но для анализа распределённую ёмкость относительно земли можно представить сосредоточенной в конце линии, как показано на рис 3.1,6. Частичные емкости между фазами не показаны, так как их влияние на ток простого замыкания практически отсутствует.

В нормальном режиме, ввиду равенства ёмкостей С₀, смещения нейтрали источника нет, т.е. напряжения между проводами линии и землёй равны фаз­ным, а напряжение между нейтралью источника и землёй равно 0. Ток, прохо­дящий через емкости, равен

Векторная диаграмма нормального режима показана на рис.3.2,а.

На рис.3.2,б показана векторная диаграмма при простом замыкании на землю. Из нее видно, что треугольник линейных напряжений не искажён, а лишь смещён параллельно самому себе на величину напряжения нулевой по­следовательности U₀, поэтому потребители продолжают работать нормально. Из диаграммы также видно, что изменяются напряжения фаз относительно земли: у повреждённой U_A =0, у неповреждённых увеличивается до линейного U_в=U_с=U_н.

Рис. 3.1. Простое замыкание на землю в сетях 6-35 кВ:: а - эпюра пространственного распределения тока нулевой последовательности; б - цепь тока

Токи, проходящие через емкостные проводимости неповреждённых фаз, увеличиваются в раз, а их сумма, представляющая ток замыкания на землю (рис.3.2)

т.е. в три раза больше емкостных токов нормального режима.

Рис. 3.2. Векторные диаграммы: а - в нормальном режиме; б - при простом замыкании на землю

Ток замыкания на землю I_эневелик, составляет десятки, редко сотни ам­пер и сеть при наличии замыкания на землю может длительно работать. Однако этот режим таит в себе опасности, основные из которых следующие:

— имеется возможность перехода простого замыкания на землю в двойное, опасное высокими потенциалами на корпусах оборудования;

— в месте повреждения горит дуга. Если замыкание произошло в электриче­ской машине, то дугой может быть повреждена изоляция других фаз и простое замыкание может перейти в междуфазное;

— в месте повреждения обычно возникает перемежающаяся дуга (неустойчи­вая, т.е. периодически гаснущая и зажигающаяся вновь). В результате переход­ного процесса, возникающего при перемежающейся дуге, в неповреждённых фазах возникают перенапряжения, которые могут достигать (2,5 - 3)U_ф. Эти перенапряжения распространяются на всю сеть и могут привести к коротким и двойным замыканиям в сети.

3.3 Сеть с компенсированной (резонансно-заземлённой) нейтралью.

Учитывая опасность дуги в месте повреждения, стремятся снизить ток замыка­ния до величины, при которой создаются благоприятные условия для самопога­сания дуги.

Достигается необходимое снижение тока замыкания на землю включени­ем в нейтраль источника регулируемой компенсационной катушки L_к (рис.3.3), такую сеть принято называть сетью с компенсированной нейтралью. При простом замыкании на землю в такой сети через место повреждения протекают емкостной ток I_С, обусловленный ёмкостью сети, и ток I_L, обу­словленный наличием компенсационной катушки L_к. Эти токи находятся в противофазе, и если регулированием индуктивности добиться условия , то ёмкостный ток будет полностью скомпенсирован и в месте повре­ждения будет протекать лишь небольшой активный ток I_к, как показано на векторной диаграмме (рис.3.3).

3.4 Контроль изоляции сетей выше 1000 В.

Контроль изоляция сетей вы­ше 1000 В осуществляется чаще всего с помощью трех вольтметров, как пока­зано на рис.3.4. Вольтметры включены через трансформатор напряжения (ТН). Нейтраль первичной обмотки ТН заземлена для возможности измерения на­пряжения между фазами и землёй. Вольтметры включены на вторичные фазные напряжения. В нормальном режиме показания вольтметров одинаковы и равны фазным напряжениям. При повреждении одной из фаз показание одного вольт­метра равно нулю, двух других - возрастает в раз.

Кроме двух основных обмоток, соединенных в звезду, имеется третья, фазы которой соединены последовательно (в разомкнутый треугольник). В нормальном режиме напряжение на выходе равно нулю, так как сумма напря­жений симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна ну­лю . При замыкании на землю в напряжении сети появляется составляющая нулевой последовательности, которая имеет одинаковое направ­ление во всех фазах, поэтому на выходе разомкнутого треугольника появляется напряжение 3U₀. Номинальное напряжение вторичной обмотки трансформато­ра напряжения, соединённой в звезду, равно 100/ В, обмотки, соединенной в разомкнутый треугольник, - 100/3 В, чтобы при замыкании на землю в сети напряжение на выходе было равно номинальному вторичному 100 В. Таким об­разом, на выходе разомкнутого треугольника измеряется напряжение нулевой последовательности U₀. На выход разомкнутого треугольника в простейшем случае подключается реле напряжения, которое срабатывает при простом за­мыкании на землю в сети и подает звуковой предупредительный сигнал.

Рис. 3.4. Контроль изоляции сетей выше 1000 В с помощью трех вольтметров

Вторичные обмотки трансформатора напряжения заземлены согласно требованиям правил техники безопасности.

3.5 Способы определения повреждённых линий.

Для облегчения задачи отыскания повреждения необходимо определить, на какой из отходящих линий оно произошло. Сделать это можно кратковременным поочерёдным отключением (примерно на 3 с) всех отходящих линий. Если при отключении линии изоляция не восстанавливается, ее следует включить и отключать следующую. Если при отключении линии изоляция восстанавливается (звонок прекращает звенеть), значит повреждение находится на данной линии и задачу можно считать выполненной. Однако не все потребители позволяют даже кратковременное отключение. Принцип определения повреждений линии без ее отключения поясняет рис.3.5. Ток в месте повреждения распределяется по ёмкостным проводимостям линий (показано пунктиром).

Рис. 3.5 Определение повреждённой линии без ее отключения

Ёмкостный ток в повреждённой фазе неповреждённых линий равен нулю, повреждённой линии - геометрической сумме токов всех присоединений. Как видно из рис.3.5, ёмкостный ток неповреждённого присоединения, под которым понимается сумма токов всех фаз, направлен к шинам и определяется ёмкостью данного присоединения. Ёмкостный ток повреждённого присоединения направлен от шин и определяется ёмкостью всей сети за вычетом емкости повреждённого присоединения. Из приведённого выше вытекают два способа определения линии с простым замыканием на землю:

- по направлению суммарного тока нулевой последовательности линии (если линия не повреждена, то ток направлен к шинам, если повреждена - от шин);

- по величине суммарного тока нулевой последовательности (в поврежденном, особенно если присоединений много и их емкости различаются мало, т.е. линии примерно одинаковой длины). В практике применяются защиты, построенные как на первом, так и на втором принципе.

3.6 Особенности конструкции и режим работы трансформаторов напряжения в сети с изолированной нейтралью.

В качестве измерительного трансформатора напряжения для контроля изоляции применяют группу из трех однофазных трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, один трёхфазный трансформатор напряжения НАМИ или один трёхфазный пятистержневой трансформатор напряжения типа НТМИ, схема которого изображена на рис.3.4.

Для контроля изоляции нельзя использовать трёхстержневым трансформаторы напряжения, т.к. под действием напряжения нулевой последовательности наводятся потоки нулевой последовательности Ф₀, направленные одинаково во всех трех стержнях, как показано на рис.3.6. Поэтому они замыкаются по путям рассеяния обмоток, воздуху, частично по баку, стяжным болтам и т.д. А это означает, что сопротивление ветви намагничивания для токов нулевой последовательности мало, и при простом замыкании на землю в сети составляющая нулевой последовательности тока намагничивания трехстержневого трансформатора напряжения будет очень большой и может привести к перегреву обмотки и повреждению трансформатора. Отсюда следует, что в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью заземлять нейтрали первичных обмоток трехстержневых трансформаторов нельзя. Поэтому нейтраль их первичной обмотки не выводится, как, например, у трансформаторов напряжения типа НТМК. Для замыкания потоков нулевой последовательности у НТМИ служат 1-й и 5-й стержни (рис.3.4). Подобных ограничений на применение однофазных трансформаторов нет, т.к. по их магнитопроводам могут замыкаться потоки любой последовательности.

3.7. Трансформатор тока нулевой последовательности.

Для выделения тока нулевой последовательности применяют трансформатор тока нулевой последовательности (ТИП), конструкция и принцип действия которой поясняется рис.3.7. ТИП представляет собой трансформатор тока, у которого в качестве первичной обмотки используются все три фазы линии. В нормальном режиме токи уравновешены, т.е. в любой момент времени соблюдается условие i_A +i_B+i_c=0 и на выходе ТНП I₀ = 0. При возникновении замыкания на землю в токах появляется неуравновешенная система нулевой последовательности, т.е. I_А = I_в = I_с = 3I₀. Эта неуравновешенная составляющая нулевой последовательности, обусловленная емкостными токами, трансформируется во вторичную обмотку, т.е. на выходе ТНП появляется ток 3I'₀. К выходу ТНП подключаются токовые реле или направление реле (последним необходимо подать также U₀ ), которые сигнализируют о повреждении на линии. Установка ТНП на кабельной линии показана на рис.3.8.

Рис. 3.6. Потокораспределение в трансформаторе НТМИ

Рис.3.8. Установка ТНП на кабельной линии

Рис, 3.7. Трансформатор тока нулевой последовательности

При установке ТНП следует учитывать возможность возврата токов нулевой последовательности по металлическим оболочкам кабелей I_об. Чтобы устранить влияние этих токов на ТНП, кабельную воронку изолируют, а заземляющий провод пропускают сквозь окно ТНП (рис.3.8). При этом ток проходит сквозь ТНП в прямом и обратном направлениях и не трансформируется (не влияет не величину вторичного тока).

3.8 Реле защиты от замыканий на землю.

В качестве реле защиты от замыканий на землю используют специальные реле. В настоящее время выпускается направленное реле типа ЗЗП-IM, к которому подводятся напряжение U₀ и ток 3I'₀ от ТНП отходящих линий. При направлении тока 3I'₀ в линию реле срабатывает, сигнализируя наличие простого замыкания на землю на данной линии.

Выполнение лабораторной работы

На лабораторном стенде собрана схема (рис.3.5) подстанции с одним ис­точником, одной системой сборных шин и тремя отходящими кабельными ли­ниями. Емкости кабелей имитируются конденсаторами, подключёнными между фазами и землёй. На отходящих линиях установлены ТНП, к шинам подключена группа однофазных трансформаторов напряжения со схемой соединения, как ЗНОМ и НТМИ:

К трансформатору напряжения подключены вольтметры, измеряющие линейное напряжение, и вольтметры контроля изоляции, включённые на фазные напряжения. К обмотке, соединённой в разомкнутый треугольник, подключено реле напряжения для сигнализации и обмотка напряжения реле защиты от замыканий на землю. Токовая цепь этого реле подключена через переключатель, что позволяет подключить его к любой линии. На лабораторном стенде установлено простейшее направленное реле,

использующее в качестве фазочувствительной схемы кольцевой модулятор, а на выходе - магнитоэлектрический индикатор. Реле поочередно может подключаться к любой линии. По направлению отклонения стрелки индикатора можно судить о направлении тока нулевой последовательности в линии, а значит и о том, повреждена она или нет. Если индикатор отклоняется в сторону красной шкалы - линия повреждена. Схема реле приводится на рис.3.9. Работу реле предлагается проанализировать самостоятельно. При этом необходимо убедиться, что с изменением направления тока 3I₀ изменятся направление постоянного тока в индикаторе. Следует учитывать также, что угол между током 3I'₀ и напряжением U₀ составляет 90°. На стенде имеются два переключателя, с помощью которых можно устроить замыкание на землю в любой фазе каждой из трех линий.

Рис.3.9. Схема направленного реле

Контрольные вопросы

1.Чем опасно простое замыкание на землю в сетях 3-35 кВ?

2. Как осуществляется контроль изоляции в сетях с изолированной нейтралью?

3. Сколько обмоток имеет трансформатор напряжения типа НТМИ? Каково назначение этих обмоток? Зачем заземляется первичная и вторичные обмотки?

4. Почему трансформатор типа НТМИ имеет пятистержневой магнитопровод?

5. Почему трансформатор напряжения типа НТМК не имеет выведенной нейтрали первичной обмотки?

6. Каким способом определить повреждённую линию, если в РУ отсутствуют трансформаторы тока нулевой: последовательности?

7. Каково назначение и устройство трансформатора тока типа ТНП? Как он монтируется на кабелях с металлической оболочкой?

8. Как определяется ток простого замыкания на землю?

9. Что такое сеть с компенсированной нейтралью?

10. При каких токах обеспечивается самопогасание дуги в месте простого замыкания на землю?

11.Почему при простом замыкании на землю не искажается треугольник линейных напряжений?

12.Почему сети 110 кВ и выше выполняются с заземленными нейтралями, а сети 6-35 кВ - с изолированными?

13.Чем опасно двойное замыкание на землю?