Простые замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (Лабораторная работа № 2)

Лабораторная работа № 2

Простые замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

1. Цель работы: изучение простых замыканий на землю, построение векторных диаграмм токов и напряжений при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью.

2. Краткая теория

2.1. Нормальный режим.В сетях с изолированной нейтралью при нормальной работе, наряду с рабочими токами нагрузки, по фазам проходят емкостные токи, обусловленные распределенными по длине проводов емкостями  фаз относительно земли. Если не учитывать токи нагрузки, то  напряжения  во всех точках сети можно считать одинаковыми, так как емкостные токи малы и можно не учитывать падение напряжения в проводах от этих токов. При этом напряжения фаз относительно земли  равны  соответствующим фазным напряжениям U_А, U_В, U_С  относительно нейтрали N системы (рис. 2.1,а), а распределенные емкости фаз в эквивалентной схеме  можно заменить сосредоточенными емкостями С_А, С_В, С_С. Место присоединения сосредоточенных емкостей на величину емкостных токов  практически не влияет, так как индуктивное и активное сопротивления линии ничтожно малы по сравнению с сопротивлением емкости фаз  относительно земли.

Рис. 2.1. Нормальный режим сети с изолированной нейтралью (а) и векторная  диаграмма напряжений  и токов (б).

Емкости между фазами для простоты не показаны, так как их влияние на ток замыкания незначительно и ими можно пренебречь. Емкостные проводимости элементов электрической системы значительно превышают их активные проводимости, что позволяет при определении тока в фазах пренебречь активными проводимостями. Пренебрегая падениями напряжений в элементах системы электроснабжения (очень малый емкостной ток),  можно считать, что фазные напряжения в любой точке системы электроснабжения равны фазным ЭДС источника питания. В связи с отсутствием падения напряжения в проводах  напряжения U_А, U_В, U_С равны соответствующим ЭДС источника питания, а их векторы образуют симметричную звезду фазных напряжений (рис. 2.2,б). В результате напряжение нейтрали N относительно земли  равно нулю, а через сосредоточенные емкости проходят токи, опережающие по фазе соответствующие фазные напряжения на углы π/2 и  образующие симметричную систему токов (рис.2.1,б)

I_А = jU_А /  = jwCU_А;  I_В = jwCU_В;  I_С = jwCU_С .              (2.1)

2.2. Режим замыкания на землю одной фазы

При замыкании на землю фазы А в системе с изолированной нейтралью, т. е. при простом замыкании на землю, путь для тока, протекающего в землю, осуществляется через емкостную проводимость неповрежденных фаз В и С относительно земли (рис. 2.2,а).

а)                                                                                              б)

Рис.2.2. Режим замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (а ) и векторная  диаграмма токов и напряжений (б).

Проследим путь циркуляции тока замыкания на землю. На рис. 2.2,а он указан стрелками. Поступая в землю в месте замыкания, ток возвращается по неповрежденным фазам через их емкостные проводимости относительно земли. При замыкании на землю емкостная проводимость поврежденной фазы оказывается зашунтированной рассматриваемым замыканием, и ток в этой фазе справа от места замыкания отсутствует.

При металлическом замыкании на землю ток I_А в емкости поврежденной фазы С_А отсутствует, так как напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю. Токи I_В, I_С неповрежденных фаз определяются напряжениями фаз В и С относительно земли:

;                                           (2.2)

.

При условном положительном направлении токов I_В, I_С, I_З, показанном на рис. 2.2,б,  I_З = –(I_В + I_С) и с учетом соотношения U_В + U_С = –3U_А имеем

  I_З = –(jwCU_В + jwCU_C) = j3wCU_А.                                           (2.3)

Полученный ток I_З  опережает по фазе напряжение U_А на угол π / 2 и не зависит от расположения точки повреждения. Таким образом, при металлическом замыкании на землю фазы А токи через емкости неповрежденных фаз увеличиваются в √3 раз, а ток I_З, проходящий через место повреждения в землю, равен утроенному значению емкостного тока фазы А при нормальной работе.

Токи I_З, I_В и I_С проходят в соответствующих фазах поврежденной линии на участке между источником питания и местом присоединения конденсаторов схемы (рис. 2.2,б). Они представляют собой уравновешенную систему трех векторов, не содержащую токов нулевой последовательности

(I_З + I_В + I_С = 0).

На участке же между точкой повреждения K и местом присоединения конденсаторов проходит только ток I_З по поврежденной фазе.

Ток замыкания на землю мал, поэтому  при его определении можно считать, что напряжение источника сохраняется неизменным. При этих допущениях, ток в месте замыкания на землю через дугу с сопротивлением Rд будет:

,                                                     (2.4)

где  – результирующее емкостное сопротивление нулевой последовательности всех элементов, электрически связанных с точкой замыкания; – фазное напряжение той ступени, где рассматривается замыкание на землю. Наибольшая величина тока замыкания на землю имеет место при металлическом замыкании (Rд = 0) и определяется по формуле(2.3).

Рассмотрим распределение напряжений с применением симметричных составляющих. При металлическом замыкании какой-либо фазы на землю напряжения фаз относительно земли изменяются, оставаясь неизменными относительно нейтрали системы N.

 Так как междуфазные напряжения остаются неизменными при замыкании