Имитационная модель однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью

Электрические сети могут работать с заземленной или изолированной нейтралью трансформаторов и генераторов. Сети 6, 10 и 35 кВ как правило работают с изолированной нейтралью трансформаторов. Это позволяет при однофазных повреждениях не прекращать электроснабжение трехфазных потребителей электроэнергии. Особенно часто однофазные замыкания возникают на воздушных линиях из-за особенностей их конструкции, однако проблема актуальна и для кабельных линий. В последнее десятилетие наметилась тенденция к переводу сетей 6–10 кВ на режим работы с эффективно заземленной через резистор нейтралью трансформатора.

Целью данной работы является разработка модели, которая позволит симулировать переходные процессы, происходящие в сети при возникновении неполнофазных повреждений. Для реализации проекта был выбран программный комплекс MatlabSimulink.

1.1 Схема работы сети сизолированной нейтралью

В электроустановках с повышенными требованиями безопасности (взрывоопасные установки и др.) используют только режим изолированной нейтрали при напряжении до 1 кВ [1].

В сети с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю не является КЗ. Именно поэтому такая система получала такое широкое распространение. Сеть с изолированной нейтралью может работать несколько часов с замыканием фазы на землю. При этом, ток замыкания на землю получается во много раз меньше, чем ток междуфазных КЗ. Это главное преимущество сети с изолированной нейтралью. Также при этом нет необходимости в применении специальных быстродействующих защит от замыкания на землю, т. е. не требуются дополнительные затраты на выполнение и эксплуатацию защиты.

Однако при замыкании на землю возникают перенапряжения на поврежденных фазах относительно земли, что является серьезных недостатком.

1. Схема замещения сети сизолированной нейтралью

Рис. 1. Схема замещения сети с изолированной нейтралью

где U_A, U_B, U_C — фазные напряжения соответственно фаз А, В, С проводов по отношению к нулевой точке;

I_A, I_B, I_C — токи протекающие на ”землю“ через емкости С _A, С_B, С_C и активные проводимости G;

U_A-3, U_B-3, U_{C-3 —} фазные напряжения соответственно фаз А, В, С проводов по отношению к ”земле“;

С_АВ, С_ВС, С_АС — емкости между проводами воздушной линии;

В нормальном режиме работы системы напряжение между проводами и землей будут соответственно равны фазным напряжениям UA, UB, UC. Векторы этих напряжений образуют практически симметричную систему и сумма их равна нулю.

Напряжение между ”землей“ и нейтралью трансформатора (потенциал нейтрали) определяется из следующего выражения (1)

(1)

где ω — угловая частота (ω=2πf);

ωС_A, ωС_B, ωС_C — емкостная проводимость фазы А, B,C на ”землю“;

При возникновении замыкания на ”землю“ какой-либо из фаз (например, фазы А) симметрия напряжений по отношению к ”земле“ и токов нарушается.

Возникший при этом потенциал на нейтрали определяется как

Ток I_B протекает под действием напряжения U_B+U_N и равен .

Ток I_C протекает под действием напряжения U_C+U_N и равен

Ток I_З равен векторной сумме токов I_B и I_C. Отсюда получаем выражение

I_З=ЗU_ФωС (3)

Таким образом, при металлическом замыкании на землю фазы А токи через емкости на поврежденных фаз увеличиваются в раз, а ток I_З, проходящий через место повреждения в землю, равен утроенному значению емкостного тока фазы А при нормальной работе.

2. Схема работы сети скомпенсированной нейтралью

Рис. 2. Схема замещения сети с компенсированной нейтралью при замыкании фазы А на землю

ДГР предназначен для компенсации емкостного тока при замыкании фазы на землю. Поэтому индуктивное сопротивление ДГР соответствует емкостному сопротивлению сети [2]:

(4)

если равны емкости фаз относительно земли .

Для случая равенства емкостей (проводимостей) фаз смещение нейтрали относительно земли отсутствует () и сеть ведет себя так, как будто нейтраль сети изолирована [3].

При металлическом замыкании на неповрежденных фазах сети действуют линейные напряжения источника, в нейтральной точке потенциал равен ЭДС поврежденной фазы, а напряжение поврежденной фазы равно нулю. Все происходит точно так же, как и в сети с изолированной нейтралью. Однако в месте повреждения появляется дополнительный индуктивный ток, обусловленный напряжением на нейтрали

(6)

и индуктивно-активной проводимостью ДГР (7)

(7)

Если пренебречь активной составляющей тока, то индуктивный ток ДГР определяется по формуле (9)

(8)

то есть при резонансной настройке ДГР индуктивный ток ДГР равен по величине, но противоположен по знаку емкостному току замыкания на землю.

3. Имитационная модель однофазного замыкания на землю

Рис. 3. Модель системы для исследования однофазного замыкания на землю

Рис. 4. Графики переходного процесса при КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью В точке КЗ

Рис. 5. Графики переходного процесса при КЗ на землю в сети с компенсированной нейтралью

Вывод: Для режима с изолированной нейтралью при возникновении короткого замыкания напряжение в поврежденной фазе падает почти до нуля. Минимальное оставшееся напряжение обусловлено активным сопротивлением линии. Напряжения в двух неповрежденных фазах возрастают до линейных. Полные фазные в сети изменяются незначительно, что делает невозможным настроить защиту от однофазных замыканий по току и обуславливает необходимость использования более сложных методов, которые описаны в предыдущей статье.

Для режима с компенсированной найтралью результаты показывают значительное снижение тока в месте КЗ, что положительно сказывается на вероятности самозатухания дуги и самоустранению таким образом повреждения линия.

Результаты работы могут использоваться в проектной деятельности для моделирования переходных процессов при неполнофазных повреждениях в сети 6–10 кВ с изолированной, компенсированной или эффективно заземленной нейтралью.

Литература:

1. Правила устройства электроустановок: утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 08.07.02: ввод в действие с 01.01.03. — М.: НЦ ЭНАС, 2011. — 750 с.
2. Базылев Б. И. и др. Дугогосящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю: СПБ: Издательство ПЭИПК, 1999. — 184 с.
3. Калихман_С.А.,_Злобин_Ю.И._Режимы_нейтрали_и_перенапряжения: Учебное пособие_/_Чуваш._ун-т._Чебоксары,_1994._–_64_с.