Лабораторна робота № 7 дослідження перенапруг в електричних системах з ізольованою нейтраллю

Мета роботи

Вивчити та експериментально дослідити перенапруги в електричних системах з ізольованою нейтраллю, що виникають при однофазних коротких замиканнях

Основні теоретичні відомості

Одним із найбільш поширених видів пошкоджень в системах з ізольованою нейтраллю (6-35 кВ) є однофазні короткі замикання (КЗ) на землю, що виникають при перекритті або пробої ізоляції внаслідок перенапруг. В місці замикання виникає електрична дуга, яка може горіти стійко або епізодично в залежності від значення робочої напруги, струму КЗ (Iкз), що проходить через дуговий канал, і довжини цього каналу. Дуга однофазного КЗ на землю, яка горить тривало, є небезпечною через можливість її перекидання на сусідні фази та виникнення дво- або трифазних КЗ чи тривалих перенапруг в системі. Якщо струм КЗ не перевищує певного значення, зокрема, для систем з номінальною напругою U_ном = 6 кВ – 30 А, U_ном = 10 кВ – 20 A, U_ном = 35 кВ – 10 А, то дуга гасне самовільно. Струм короткого замикання на землю залежить від ємності фаз Сф відносно землі і визначається за формулою:

,

де ω – кутова частота, U_ф – фазна напруга.

Якщо струм I_кз перевищує вказані вище значення, то для зменшення (компенсації) струму замикання на землю в нейтраль трансформатора системи вмикають дугогасний реактор Р (рисунок 7.1).

На рисунку 7.1 показані всі струми, що проходять в трифазній системі при виникненні однофазного замикання на землю, а на рисунку 7.2 наведені векторні діаграми напруг і струмів для вказаного режиму. Як видно з рисунка 7.1, струм КЗ в фазі "С" визначається з рівняння:

Рисунок 7.1 – Схема заміщення трифазної системи з дугогасним реактором при КЗ в фазі "С"

Ік

I1

а)

а) б)

Рисунок 7.2 – Векторні діаграми напруг і струмів при однофазному замиканні на землю

Напруга на нейтралі трансформатора збільшується від нуля до фазної U_ф, для фаз "А" і "В" – в раз (відносно землі), а значення лінійних напруг не змінюються. Оскільки навантаження у високовольтних мережах ввімкнено на лінійну напругу, то немає потреби в негайному вимкненні однофазного замикання.

При ввімкнутій дугогасній котушці, струм І_к, що проходить через котушку, перебуває в протифазі з I_кз і в місці пошкодження зменшується до I₀: І₀=І_КЗ+I_к, причому I_к=U_H/(R_к+ j ·ω· L_K).

При відсутності КЗ на землю (Са=Сb=Сc), між нульовою точкою системи і землею з'являється напруга зміщення нейтралі, що приведе до зміни напруг фаз відносно землі.

Напругу зміщення нейтралі можна визначити з виразу

Для зменшення напруги зміщення нейтралі, викликаної різними ємностями проводів відносно землі (Са, Сb, Сc), в мережах виконується зміна місць проводів. Оскільки струм I_к, що протікає через котушку, крім реактивної складової I_р має активну складову струму I_a (за рахунок активного опору котушки), то повної компенсації струму однофазного замикання на землю досягти неможливо. Відношення

називають ступенем настройки дугогасної котушки. Найкращі умови для гасіння електричної дуги забезпечує точна налаштування дугогасної котушки (q=1).

Опис експериментальної установки

Лабораторну роботу виконують на моделі трифазної системи, схема якої зображена на рисунку 7.3.

Рисунок 7.3 – Схема моделі трифазної системи

Модель живиться через розділювальний трансформатор Тр з виведеною нейтраллю Н. Фазна напруга на моделі становить 70 В. В нейтраль трансформатора можна підключити котушку індуктивності ДК, за допомогою якої компенсують струм замикання на землю I_кз.

Порядок виконання роботи

Початкове положення схеми – всі ключі вимкнуті.

За допомогою клавіш 1-7 ввімкнути ємності Са=Сb=Cc=36 мкФ, виміряти фазні (Ua, Ub, Uc) та лінійні напруги (Uab, Ubc, Uca).

При замиканні на землю однієї з фаз мережі (клавіша “SPACE” (пробіл)) і вимкненні дугогасної котушки (ключ В1 вимкнений) за допомогою амперметра Акз виміряти струм І_кз при Са=Сb=Cc= 24мкФ і 36 мкФ. Виміряти напругу на нейтралі U_н.

За допомогою ключа В1 (клавіша 0) увімкнути дугогасну котушку в нейтраль і при КЗ в одній з фаз, коли Са=Сb=Cc=24 мкФ і 36 мкФ, виміряти струм І_кз, плавно змінюючи струм І_к, що проходить через дугогасну котушку (за допомогою клавіші L. Провести 5 вимірювань.

При відсутності КЗ на землю (ключ В1 вимкнений) і наступних ємностях фаз мережі Са=Сb=36 мкФ і Cc = 0 мкФ (ключі 1-4 ввімкнені, 5-7 вимкнені), виміряти напругу зміщення нейтралі. Провести аналогічний дослід при вимкненій дугогасній котушці (клавіша 0).

При вимкнутій дугогасній котушці, відсутності замикання на землю і наступних ємностях фаз мережі Са=Сb=36мкФ і Cc=0 мкФ (ключі 1-4 ввімкнені, 5-7 вимкнені), виміряти напругу фаз відносно землі

Опрацювання результатів досліджень

За результатами досліджень побудувати залежності I_K/I_КЗ=f(g), U_H/U_ф=f(g) та векторні діаграми напруг і струмів для п.1, п.2, п.3. Зробити висновок про оптимальне налаштування дугогасної котушки.

Контрольні запитання

1. Які фактори впливають на значення струму короткого замикання?

2. Як змінюються напруги на проводах при замиканні однієї з фаз на землю? Як змінюється напруга в цьому випадку на нейтралі трансформатора?

3. Яким чином можна зменшити струм замикання на землю в системах з ізольованою нейтраллю?

4. Як залежить напруга зміщення нейтралі в системах з ізольованою нейтраллю від значення ємностей фаз відносно землі?