Режимы работы нейтралей в электроустановках

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Элементы защиты

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          Автомат защиты QF1

QF1

Нижнее

Подключение стенда к сети. Защита стенда от превышения потребляемого из сети тока допустимого значения.

Автомат защиты QF2

QF2

Нижнее

Подключение регулируемой индуктивности к нейтрали трансформатора. Защита индуктивности от превышения допустимого тока в нейтрали.

Автомат защиты QF3

QF3

Нижнее

Подключение активного сопротивления R1 к нейтрали трансформатора. Защита активного сопротивления R1 нейтрали от превышения допустимого тока в нейтрали.

Автомат защиты Q1

Q1

Нижнее

Подключение разделительного трансформатора к шинам подстанции. Защита обмоток трансформатора от превышения допустимого тока нагрузки.

Автомат защиты Q2

Q2

Нижнее

Подключение воздушной линии ВЛ1 к шинам подстанции. Защита ВЛ1 от превышения допустимого тока нагрузки.

Продолжение таблицы 1

Автомат защиты Q3

Q3

Нижнее

Подключение кабельной линии КЛ1 к шинам подстанции. Защита КЛ1 от превышения допустимого тока нагрузки.

Автомат защиты Q4

Q4

Нижнее

Подключение кабельной линии КЛ2 к шинам подстанции. Защита КЛ2 от превышения допустимого тока нагрузки.

Индикаторы

Лампа индикаторная

«Питание стенда»

Не горит

Индикация наличия на стенде сетевого напряжения.

Световое табло

HLA

Не горит

Индикация «Земля» на шинах подстанции

Светодиоды

HV1 - HV3

Не горит

Индикация «Земля» на линии

на ВЛ1, КЛ1, КЛ2 соответственно

Измерительные приборы

Цифровой вольтметр

pV1

-

Измерение фазных, линейных напряжений и напряжения на нейтрали.

Цифровой амперметр

pA1 – pA3

-

Измерение фазных токов во вторичной обмотке трансформатора

Цифровой амперметр

pA4

-

Измерение токов к.з. в месте короткого замыкания

Переключатели и выключатели

Переменная индуктивность

ДГР, L1

0,88 – 36,18 Гн

Плавное регулирование индуктивности ДГР

Кнопки «Пуск»

SBC1 – SBC3

отключено

Подключение короткозамыкателей QS1 – QS3 фаз линий КЛ2, КЛ3 и ВЛ1 соответственно

Кнопки «Стоп»

SBT1 – SBT3  

отключено

Отключение короткозамыкателей QS1 – QS3 фаз линий КЛ2, КЛ1 и ВЛ1 соответственно

Окончание таблицы 1

Галетный переключатель

SA1

произвольно

Подключение измерительных цепей цифрового вольтметра pV1 для измерения фазных, линейных и нейтрали напряжений.

Гнезда

Гнезда «Смещение нейтрали»

XS1 – XS2

-

Подключение внешнего вольтметра для измерения напряжения на нейтрали

Гнезда «Настройка нейтрали»

XS3 – XS4

-

Подключение внешнего амперметра для измерения тока в нейтрали

Гнезда

XS5 – XS6

-

Подключение внешнего вольтметра для измерения напряжения 3U₀ на вторичной обмотке, соединенный по схеме «разомкнутый треугольник», трансформатора TV1.

Принципиальная электрическая схема стенда приведена на рис. 9. Модель питается от сети 380 В через разделительный трансформатор Т1 и подключается к сети с помощью автомата защиты QF1. Сигнальная лампа HLR при ее включении свидетельствует о подаче на стенд напряжения. Автоматы защиты QF2 и QF3 осуществляют подключение ДГР и резистора R1 к нейтрали трансформатора соответственно. Автомат защиты Q1 осуществляет подключение трансформатора Т1 на шины подстанции, а автоматы защиты Q2 – Q4 осуществляют подключение ВЛ1, КЛ1 и КЛ2 на шины подстанции и модификацию модели.

Однофазное короткое замыкание моделируется с помощью кнопок SBC и SBT в соответствующих фазах сети. Схема управления блокирует ситуацию одновременного включения кнопок SBC. Световое табло HLA своим включением информирует о наличии короткого замыкания в сети (на шинах подстанции). Светодиоды HV1-HV3 при включении информируют о наличии к.з. в соответствующей линии. Ток короткого замыкания в линии контролируется с помощью цифрового вольтметра pA4 с пределом измерения 0-5 А.

Рисунок 9 - Схема принципиальная электрическая модели по одной фазе электрической сети (pA5 выносной амперметр (0-5А) для измерения тока в ДГР или резисторе R1 и настройки смещения нейтрали во всех режимах; pA6 выносной миллиамперметр для контроля настройки нейтрали в нормальном режиме)

Цифровой вольтметр pV1 с пределами  измерения 0-500 В с помощью галетного переключателя SA1 осуществляет измерение напряжения на нейтрали и фазах сети.

Цифровые амперметры pA1-pA3 c пределами измерения 0-5 А служат для измерения линейных токов  (рис. 8, рис. 10).

Воздушная линия ВЛ1 моделируется с помощью трехфазной нагрузки соединенной в треугольник (R_AB = R_BC = R_CA = 200 Ом; 200 Вт). Фазные емкости сети относительно земли моделируются емкостями

C_фA = C_фB = C_фC = 4 мкФ.

Кабельная линия КЛ1 моделируется при включенном выключателе Q2 с помощью выключателя Q3, который подключает к фазным

емкостям сети ВЛ1 относительно земли емкости величиной 8 мкФ. Таким образом, КЛ1 имеет нагрузку соединенную в треугольник с параметрами R_AB = R_BC = R_CA = 200 Ом; 200 Вт и фазные емкости сети относительно земли C_ф1A = C_ф1B = C_ф1C = 12 мкФ.

Кабельная линия КЛ2 моделируется при включенных выключателях Q2 и Q3 с помощью выключателя Q4, который подключает к фазным емкостям сети КЛ1 относительно земли емкости величиной 1 мкФ, 3 мкФ и 4 мкФ. Таким образом, КЛ2 в этом случае имеет нагрузку соединенную в треугольник с параметрами R_AB = R_BC = R_CA = 200 Ом; 200 Вт и фазные емкости сети относительно земли C_ф2A = 13 мкФ, C_ф2B = 15 мкФ, C_ф2C = 16 мкФ. При отключении выключателя Q3, все фазные емкости сети КЛ2 относительно земли уменьшаются на 8 мкФ. Следовательно КЛ2 позволяет исследовать режимы работы сети при несимметрии фазных емкостей сети относительно земли.

 Ток в фазе «А» линии , например, равен

               ,                                    (18)

где  - токи соответствующих фаз нагрузки;  - емкостной ток

фазы «А» на землю,  - линейный ток фазы «А» без учета емкостного тока.

Рисунок 8 – Схема подключения нагрузки

 4. Программа работы

1. Повторить раздел курса «Электроэнергетика», в котором рассматриваются режимы работы нейтралей электроэнергетических систем.

2. Ознакомиться с устройством стенда, записать данные измерительных приборов(цифровые амперметры 0-5 А; цифровой вольтметр 0-500 В), параметры нагрузки сети соединенной треугольником (R_AB=R_BC=R_CA=200 Ом, 200 Вт) , параметры емкостных «шунтов» ВЛ1 (C_фA = C_фB = C_фС = 4 мкФ), КЛ1 (C_фA1 = C_фB1 = C_фC1 = 12 мкФ) и КЛ2 (C_фA2 = 13 мкФ, C_фB2 = 15 мкФ, C_фC2 = 16 мкФ или C _фA2 = 5 мкФ, C_фB2 = 7 мкФ, C_фC2 = 8 мкФ ) , параметры ДГР (0,88 – 36,18 Гн, 2 А, 250 В) и резистивного элемента R1 (12,5 Ом, 800 Вт).

 3. На передней панели стенда с помощью выключателей Q2 – Q4, QF2, QF3 и соединительных концов собрать схемы лабораторной работы и после проверки их преподавателем выполнить экспериментальные исследования.

4. Привести формулы для определения токов в фазах нагрузки, шунтах схем замещения сети и нейтрали трансформатора по опытным данным.

5. На модели настроить нормальный симметричный режим работы сети при изолированной нейтрали трансформатора (U_ФА=U_ФB= U_ФC=60 В, параметры емкостных «шунтов» устанавливаются преподавателем) измерить токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети.

6. При двух значениях фазных емкостей (4 мкФ и 12 мкФ) в случае с изолированной нейтралью трансформатора и однофазном замыкании на землю измерить ток замыкания, токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети. Рассчитать токи замыкания на землю и токи в элементах сети при этих значениях, сравнить результаты расчета с измеренными значениями.

7. Заземлить нейтраль трансформатора через резистор R1 при C_ФА= C_ФB= C_ФС= 12 мкФ. Измерить ток замыкания на землю, токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети. Рассчитать ток замыкания на землю, токи в элементах сети и величину R1 при K_R = 1. Сравнить результаты расчета с измеренными значениями.

8. Заземлить нейтраль трансформатора через ДГР и, меняя индуктивность ДГР снять зависимость = f(K_L) при C_ФА= C_ФB= C_ФС= 12 мкФ.

9. На модели настроить не симметрию емкостей по фазам (Q1, Q2, Q3, QF2 включены) и снять зависимость U_N /U_{N хх} = f(K_L) в нормальном режиме сети. Рассчитать U_{N хх} при заданной не симметрии емкостей и симметричной тройке векторов ЭДС, сравнить результаты расчета с измеренным значением. Рассчитать величину индуктивности отвечающей резонансу напряжения при принятых параметрах.

10. На модели сети по п.9 настоящего раздела при изолированной нейтрали и однофазном коротком замыкании на землю, измерить ток замыкания, токи в линиях и напряжения в нейтрали и фазах сети. Рассчитать токи замыкания на землю и токи в элементах сети при этих значениях, сравнить результаты расчета с измеренными значениями.

11. Составить отчет, который должен содержать исследуемую схему, таблицы результатов с данными измерений и расчетов, зависимости = f(K_L) и U_N /U_{N хх} = f(K_L), векторные диаграммы по указанию преподавателя, и сделать заключение о проделанной работе.

5. Порядок выполнения работы

Рисунок 14 – Векторная диаграмма напряжений и токов нагрузки

Векторная диаграмма (рис.14) построена в предположении, что сопротивления фаз нагрузки чисто активные. Из этого следует, что токи фаз нагрузки совпадают по направлению с фазными напряжениями нагрузки ( U_AB, U_BC, U_CA), которые равны линейным напряжениям источника питания. Емкостной ток фазы «А» на землю опережает фазное напряжении источника U_A на 90^о. Из треугольников токов следует, что в симметричной трехфазной системе для действующих значений линейных и фазных токов справедливо соотношение

 I'_A = 2I_ABcos30^о = 2I_CAcos30^о =   I_AB= I_CA  .

1. На модели исследовать нормальный симметричный режим ра-боты сети при изолированной нейтрали трансформатора (U_ФА=U_ФB= U_ФC=60 В). параметры емкостных «шунтов» устанавливаются преподавателем, т.е. исследуется ВЛ1 или КЛ1), построить векторную диаграмму. Данные эксперимента занести в табл. 2.

                                                                                         Таблица 2

Показания приборов

Линейные токи, А

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

Расчетные значения заносятся в табл. 3.

                                                                                                Таблица  3

Расчетные значения

Фазные токи нагрузки, А

Токи шунтов, А

Токи в линиях, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_cA

I_cB

I_cC

U_N

I_A

I_B

I_C

                            ,                                                         

где U_AB – напряжение на фазе нагрузки при соединении ее в треугольник; Z_AB – сопротивление фазы нагрузки при соединении ее в треугольник, Ом.

Ток шунта равен (например, фазы «А» сети)

                           ,                                                   

где U_A – напряжение на фазе сети, В; B_cA – емкостная проводимость фазы исследуемой сети относительно земли, См.

Ток линии определяется по выражению

                               .

3. На модели исследовать режим однофазного короткого замыкания на землю для ВЛ1 и КЛ1 в случае с изолированной нейтралью трансформатора. Измерить ток замыкания, токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети. Рассчитать токи замыкания на землю и токи в элементах ВЛ1 и КЛ1, сравнить результаты расчета с измеренными значениями, построить векторную диаграмму. Данные эксперимента занести в табл. 5.

                                                                                      Таблица 5

Показания приборов

Линейные токи и к.з., А

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

Расчетные значения заносятся в табл. 6. Построение векторной диаграммы (см. рис. 6) необходимо производить с учетом того, что треугольник линейных напряжений нагрузки не искажается и фазные токи нагрузки по прежнему образуют симметричную систему. Емкостные токи не поврежденных фаз линии увеличатся в  раз, а ток в фазе «С» линии (при замыкании фазы «С» на землю)  равен

                               ,

что вносит определенную не симметрию в токи фаз линии.

                                                                                         Таблица 6

Расчетные значения

Токи фаз нагрузки и к.з., А

Токи шунтов, А

Токи линий, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_cA

I_cB

I_cC

U_N

I_A

I_B

I_C

4. С помощью выключателя QF3 заземлить нейтраль трансформатора Т1 через резистор R1. Для КЛ1 исследовать режим однофазного к.з. Измерить ток замыкания на землю, токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети. Рассчитать ток замыкания на землю, токи в элементах сети и величину R1 при K_R = 1. Сравнить результаты расчета с измеренными значениями, построить векторную диаграмму. Данные эксперимента занести в таблицу 7.

                                                                                      Таблица 7

Показания приборов

Линейные токи  и к.з., А

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

I_R1

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

Расчетные значения заносятся в табл. 8.

                                                                                         Таблица 8

Расчетные значения

Токи фаз нагрузки и к.з., А

Токи шунтов, А

Токи линий, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_cA

I_cB

I_cC

I_R1

U_N

I_A

I_B

I_C

Построение векторной диаграммы необходимо производить с учетом того, что треугольник линейных напряжений нагрузки искажается, а фазные токи нагрузки уже не образуют симметричную систему.

Рисунок 15 – Векторная диаграмма напряжений и токов при резистивном заземлении нейтрали и однофазном замыкании на землю фазы «С»

При резистивном заземлении нейтрали напряжение нулевой последовательности  оказывается не равным фазному напряжению, замкнувшей фазы (  < ). В результате напряжения неповрежденных фаз относительно земли уменьшаются и, подбирая величину сопротивления R1 необходимого значения, добиваются чтобы  по величине не превышали 0,8U_л линейного напряжения.

Снижение напряжения неповрежденных фаз относительно земли уменьшает их емкостные токи на землю и, соответственно, общий емкостной ток на землю. Однако, ввиду малой величины активного сопротивления в нейтрали величина тока в ней возрастает, что приводит к резкому возрастанию тока однофазного короткого замыкания.

5. С помощью выключателя QF2 заземлить нейтраль трансформатора Т1 через ДГР. Для КЛ1 исследовать режим однофазного к.з. Перед включением стенда индуктивность ДГР установить на максимальное значение. Измерить ток замыкания на землю, токи в линиях и напряжения в нейтрали и на фазах сети. Изменяя индуктивность ДГР, снять зависимость = f(K_L) .  Рассчитать ток замыкания на землю, токи в элементах сети и сравнить результаты расчета с измеренными значениями, построить векторную диаграмму (см. рис. 9). Данные эксперимента занести в табл. 9.

Таблица 9

Показания приборов

Токи, А; индуктивность, Гн

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

I_ДГР

L

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

Расчетные значения заносятся в табл. 10.

Таблица 10

Расчетные значения

Токи фаз нагрузки и к.з., А

Токи шунтов, А

Токи линий, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_cA

I_cB

I_cC

I_ДГР

U_N

I_A

I_B

I_C

Уменьшение индуктивного сопротивления ДГР приводит к возрастанию I_ДГР  и компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю (см. рис. 9).

6. На модели настроить не симметрию емкостей по фазам (Q1, Q2, Q3, QF2 включены) и снять зависимость U_N /U_{N хх} = f(K_L) в нормальном режиме сети. Рассчитать U_{N хх} при заданной не симметрии емкостей и симметричной тройке векторов ЭДС, сравнить результаты расчета с измеренным значением. Рассчитать величину индуктивности отвечающей резонансу напряжения при принятых параметрах.

Данные эксперимента занести в табл. 11.

                                                                                       Таблица 11

Показания приборов

Токи, А; индукт.,Гн

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

L

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

Расчетные значения заносятся в табл. 12.

                                                                                               Таблица  12

Расчетные значения

Фазные токи нагрузки, А

Токи шунтов, А

Токи линий, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_c0A

I_c0B

I_c0C

U_N

I_A

I_B

I_C

10. На модели сети по п.9 настоящего раздела при изолированной нейтрали и однофазном коротком замыкании на землю, измерить ток замыкания, токи в линиях и напряжения в нейтрали и фазах сети. Рассчитать токи замыкания на землю и токи в элементах сети при этих значениях, сравнить результаты расчета с измеренными значениями, построить векторную диаграмму. Данные эксперимента занести в табл. 13.

                                                                                      Таблица 13

Показания приборов

Токи, А

Напряжения, В

I_A

I_B

I_C

U_A

U_B

U_C

U_N

U_AB

U_BC

U_CA

    Расчетные значения заносятся в табл. 14.

Таблица 14

Расчетные значения

Токи фаз нагрузки и к.з., А

Токи шунтов, А

Токи линий, А

Напряжение нейтрали, В

I_AB

I_BC

I_CA

I_cA

I_cB

I_cC

U_N

I_A

I_B

I_C

6. Контрольные вопросы

1. Что такое допустимый ток замыкания на землю и от чего он зависит?

2. Какие факторы влияют на величину тока однофазного (короткого) замыкания на землю?

3. Какие сети работают с изолированной нейтралью? Каковы основные преимущества и недостатки сети с изолированной нейтралью?

4. Как меняется ток однофазного замыкания на землю при подключении в нейтраль ДГР?

5. Как изменяется ток однофазного замыкания на землю при подключении в нейтраль резистора?

6. Как выполняется контроль замыкания на землю?

7. Почему изоляция относительно земли в сетях с изолированной нейтралью выполняется на линейное напряжение?

8. Эффективное заземление нейтрали, в каких сетях оно применяется и почему?

9. Почему в сетях напряжением 110 кВ и выше не применяется режим изолированной нейтрали?

10. Как следует настраивать ДГР?

11. Чем обусловлены перенапряжения, имеющие место в сетях при однофазном к.з., какие технические мероприятия применяют для защиты элементов сети от указанных перенапряжений?

12. Почему в сетях 110 кВ и выше не применяются дугогасящие реакторы?

13. Какие сети работают с эффективно заземленной нейтралью?

Список литературы

1. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Элетричество, № 12, 1998.

2. Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций: Учебник для сред.проф. образования / Л.Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.А. Чиркова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 448 с.

3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. для вузов. – 10-е изд., стер. –М: Издательский центр «Академия», 2007. – 544 с.

4. Правила устройства электроустановок / Министерство энергетики РФ. 7-е изд. М.: НЦ ЭНАС, 2002. – 368 с.

5. Вайнштейн Р.А. Режимы заземления нетрали в электрических системах: учебное пособие / Р.А. Вайнштейн, Н.В. Коломиец, В.В.Шестакова. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 118с.

6. Перенапряжения в электрических системах и защита от них/ В.В. Базуткин, К.П. Кадомская, М.В. Костенко, Ю.А. Михайлов. – Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 1995. 320 с.

7. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. – 720 с. (Серия «Высшее образование»).

Составители: Волкова Татьяна Юрьевна

                   Потапчук Николай Константинович

                   Исмагилов Шамиль Галявович

                   Федосов Евгений Михайлович

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

«Электроэнергетика»

Редактор

Подписано в печать Формат 60×84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr.

Усл. печ.л. . Усл.кр.- отт. . Уч.- изд. л. .

Тираж экз. Заказ №

Уфимский государственный авиационный технический университет

Центр оперативной полиграфии УГАТУ.

45000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

Познавательные статьи:



Формы дистанционного обучения

Передача мяча двумя руками снизу

Значение правильной осанки для жизнедеятельности человека

Основные ошибки при выполнении передач мяча на месте