Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n11.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n11.htm

 Раздел 18. Несимметричные режимы трехфазных систем.



Нормальный режим работы трехфазных систем - симметричный, причем чем выше номинальное напряжение сети, тем больше этот режим гарантирован. Причин несимметрии достаточно много - например, это может быть значительная однофазная или двухфазная нагрузка, междуфазные и витковые замыкания, замыкания на землю, обрывы проводов и т.д. Следовательно, несимметричный режим наиболее вероятен в разветвленных сетях 0,4 кВ, но там он "симметрируется" наличием нулевого провода, по которому протекает ток небаланса, образующийся при нарушении фазной симметрии. В электрических сетях с глухозаземленной нейтралью (тех, у которых нулевые точки звезд имеют металлические заземления), то есть напряжением 110 кВ и выше, несимметричные режимы выявляются и устраняются релейной защитой и системной автоматикой. В электрических сетях с изолированной нейтралью, то есть напряжением 6, 10, 15, 20, 24 и 35 кВ, которые выполняются с усиленной изоляцией, несимметричные режимы допускаются в течении двух часов. Изучение асимметрии в этих сетях важно не только само по себе, но и для общего понимания несимметричных режимов работы трехфазных систем.

При полной симметрии трехфазной системы геометрическая сумма напряжений и токов (и фазных, и линейных) равна нулю. Вы это видели на моделях и дополнительных пояснений, наверное, не требуется. При симметрии потенциалы нулевых точек всех электрически связанных звезд равны потенциалу земли, то есть нулю. Принято говорить, что в этом случае смещение нейтрали также равно нулю или отсутствует.

Наиболее распространенной причиной асимметрии в высоковольтной электрической сети с изолированной нейтралью является однополюсное замыкание на землю. Его нельзя считать коротким замыканием, так как при изолированной нейтрали для тока повреждения отсутствует замкнутый путь с малым ("коротким") сопротивлением.


Но существуют другие замкнутые пути - через емкости линейных проводов или жил кабеля относительно земли. Разумеется, эти емкости равномерно распределены вдоль линии, но на схемах и рисунках мы вынуждены изображать их в виде сосредоточенных конденсаторов. В симметричных режимах протекающие через эти конденсаторы зарядные токи проводов (фаз) линии образуют симметричную трехлучевую звезду. Поэтому геометрическая сумма этих токов равна нулю и на работу линии они оказывают только то влияние, что это емкостная реактивная мощность собственно линии со всеми вытекающими из этого последствиями.


При однополюсном замыкании на землю емкость поврежденной фазы оказывается шунтированной переходным сопротивлением Z в точке замыкания К, которое имеет вполне определенную величину, но вообще может изменяться от нуля до бесконечности. Естественно считать, что при Z, равном бесконечности замыкание отсутствует, а при Z=0 оно "глухое" или "металлическое". Именно этот последний случай наиболее интересен, так как является предельным.

 При Z=0 поврежденный провод принимает потенциал земли (или земля - потенциал фазы, если Вам так удобнее, но обычно считают, что фаза - потенциал земли), то есть его фазное напряжение становится равным нулю - Uф=0.

Напряжение неповрежденных фаз относительно земли вырастает в 1,73 (корень из трех) раза, поскольку в данном случае земля - это поврежденная фаза; то есть напряжение между неповрежденной фазой и землей становится линейным. Соответственно в 1,73 раза возрастают и емкостные токи неповрежденных фаз. Емкость поврежденная фаза-земля в данном случае равна нулю. Однако относительно точки замыкания (земля или фаза) должен выполняться закон Кирхгофа - сумма емкостных токов равна нулю, то есть емкостной ток в поврежденной фазе будет равен геометрической сумме емкостных токов неповрежденных фаз. Сложив емкостные токи неповрежденных фаз по правилу параллелограмма, получим, что в поврежденной фазе будет протекать емкостной ток, равный по величине утроенному его первоначального значению (то есть 3Ic). Получается, что в данном режиме поврежденный провод выполняет роль обратного провода для емкостных токов неповрежденных фаз. Теоретически это можно представить как возникновение на проводе потенциала -U0, действующего встречно фазному напряжению Uф и равного ему по величине. Возникший потенциал (напряжение) вызывает ток замыкания на землю, который в данном случае, то есть при "металлическом" замыкании на землю равен утроенному зарядному току поврежденной фазы до ее повреждения - 3Ic. Пройдя в земле, этот ток разветвляется по фазным емкостям, оставаясь в противофазе зарядному току Ic. Равные фазные "доли" тока замыкания на землю, геометрически складываясь с фазными зарядными токами, образуют фактические токи :

I`a=1,73Ia ; I`B= 1,73IB; I`C = 0.

Пути замыкания фактических токов показаны на рисунке. Из них видно, что в точке К замыкания на землю через переходное сопротивление Z=0 протекает ток однополюсного замыкания на землю:

3Ic = I`a + I`B

При однополюсном замыкании на землю через переходное сопротивление ( не "металлическое" замыкание), то есть при Z больше нуля, но меньше бесконечности потенциал поврежденной фазы будет больше нуля. Теоретически это можно представить как неполную компенсацию фазного напряжения Uф поврежденной фазы возникшим потенциалом U0. Но если U0ф, то и вызываемый им ток замыкания на землю меньше 3Ic. Какой бы величины этот ток ни был, пройдя в земле, этот ток разветвляется по фазным емкостям, который в этом случае также неполностью компенсирован в контуре емкости поврежденной фазы (смотри предыдущий рисунок). Дальнейшие процессы идут точно так же, как и в предыдущем случае.

Важно понять и запомнить, что величина тока однополюсного замыкания на землю определяется переходным сопротивлением Z в точке К и величиной фазных зарядных токов. Последние зависят от емкостей С фаз относительно земли. В любом случае контуры фактических токов в фазах остаются такими же, как на приведенном выше рисунке. Обратите внимание, что токи нагрузки нигде не учтены, так как до повреждения система была полностью симметричной.

В предыдущем изложении в отношении напряжения U0 два раза были употреблены слова "теоретически это можно представить..." Спрашивается, зачем себе представлять то, чего нет? Или, может быть, U0 действительно существует? Если да, то можно ли измерить его с помощью приборов?

Оказывается, измерить можно и результаты измерений полностью согласуются с тем, о чем говорилось выше.

Можно собрать электрическую схему - низковольтную копию трехфазной системы с изолированной нейтралью (например, на 12В), подключить ее через разделительный трансформатор к сети 380/220В и экспериментировать, заземляя одну из фаз модели, например фазу С, через регулируемое сопротивление Z.

Ясно, что при Z, равном бесконечности, то есть в отсутствие замыкания на землю, трехфазная система будет полностью симметрична и вольтметр, включенный между ее нулевой точкой и землей, покажет нуль. С уменьшением Z показания этого вольтметра будут возрастать, будут возрастать и фазные напряжения неповрежденных фаз, а фазное напряжение поврежденной фазы будет падать. В пределе, при z=0 ("металлическое" замыкание на землю), это напряжение станет равным нулю. Фазные напряжения на неповрежденных фазах вырастут до линейных напряжений (увеличатся в корень из трех раза), а вольтметр, включенный между нулевой точкой и землей, покажет фазное напряжение.

Это напряжение DU0 (дельта U0) называется смещением нейтрали. Действительно, при появлении замыкания на землю с уменьшением переходного сопротивления Z оно как бы "вырастает" из нулевой точки О симметричной трехфазной системы и смещает ее, постепенно "съедая" фазное напряжение поврежденной фазы.

Теперь ясно, что напряжение U0 существует и действительно может быть измерено, но косвенно - через измерение смещения нейтрали DU0. В практической электротехнике это не всегда удобно, поскольку Вы оказываетесь привязанными к месту измерения. Однако утроенное напряжение - 3U0 - может быть измерено непосредственно в любом месте схемы, хотя это измерение и основано на некоторых физических и математических предположениях.

В 1918 году американский инженер-электрик К. Дж. Фортескью предложил считать, что в точке однополюсного замыкания на землю к каждой фазе подключаются фиктивные генераторы переменного тока, напряжение которых численно равно смещению нейтрали и находится в противофазе с фазным напряжением поврежденной фазы. Следовательно, в этом месте возникают три равных по величине и совпадающих по фазе напряжения, которые вращаются против часовой стрелки с синхронной скоростью, оставаясь параллельными друг другу (см. векторную диаграмму слева). Порядок рассмотрения таких векторов безразличен, нейтрален, представляет "нулевой" интерес. Поэтому Фортескью и назвал их напряжениями нулевой последовательности.

Замечательно, что предположения Фортескью подтвердились измерениями и даже оказали влияние на конструкции измерительных трансформаторов напряжения и тока.

Если соединить последовательно вторичные фазные обмотки трансформатора напряжения, то в симметричном режиме между крайними зажимами такого соединения напряжение будет равно нулю. При однополюсном замыкании на землю в первичной сети между этими зажимами появится напряжение 3U0, так как фазные напряжения нулевой последовательности совпадают по фазе и в последовательно соединенных обмотках алгебраически суммируются. Такое соединение вторичных фазных обмоток трансформатора напряжения называется разомкнутым треугольником и является фильтром или сумматором напряжения нулевой последовательности.


Если поместить фазные обмотки разомкнутого треугольника на вертикальные стержни трехстержневого магнитопровода, то при однополюсном замыкании на землю в первичной сети наблюдаются большие потоки рассеяния. При использовании пятистержневого магнитопровода такие потоки не возникают. Это говорит о том, что напряжения нулевой последовательности вызывают в фазных обмотках разомкнутого треугольника токи, которые создают магнитные потоки нулевой последовательности Ф0.

Так как эти потоки совпадают по фазе, для них нет свободных путей замыкания в трехстержневом магнитопроводе, и они вынуждены замыкаться по воздуху, кожуху и т.д. в виде потоков рассеяния. В пятистержневом магнитопроводе такие свободные пути есть - это крайние стержни. Поэтому трансформаторы напряжения, имеющие разомкнутый треугольник, делаются на пятистержневых магнитопроводах (например, НТМИ).

 Естественно считать, что приложенные к фазам напряжения нулевой последовательности U0 вызывают в этих фазах токи нулевой последовательности I0, которые так же, как и напряжения, равны по величине и совпадают по фазе. В зависимости от численного значения величины переходного сопротивления Z эти токи равны или меньше зарядного тока фазы, протекавшего в ней до повреждения. Если соединить параллельно вторичные обмотки линейных трансформаторов тока, то в симметричном режиме в замкнутой вторичной цепи ток будет равен нулю. При однополюсном замыкании на землю в первичной сети во вторичной цепи появится ток 3I0, так как фазные токи нулевой последовательности совпадают по фазе и в параллельно соединенных обмотках суммируются алгебраически. Такое соединение вторичных обмоток линейных трансформаторов тока является фильтром или сумматором токов нулевой последовательности. Оно применяется тогда, когда фазы расположены обособленно и далеко друг от друга. В трехфазных силовых кабелях они расположены вместе и близко (компактно). Поэтому вместо трех трансформаторов тока можно использовать один, но специального исполнения. Коэффициент трансформации для такого трансформатора смысла не имеет, так как он реагирует на асимметрию токов, а не на их величину. Он надевается на кабель (правая часть рисунка) и поэтому его часто называют кабельным. Правильное название - трансфоматор тока нулевой последовательности, маркировка - ТЗЛ, что означает "тока, земляной защиты, с литой изоляцией".

В заключение разберем, в чем опасность такого режима? Ведь при любом "перекосе" звезды, фазных напряжений линейные напряжения остаются неизменными. Именно поэтому потребители не чувствуют однополюсных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и продолжают спокойно работать. Однако есть два момента, существенно ограничивающих ( или запрещающих) время работы в таком режиме. Во-первых, при однополюсном замыкании на землю изоляция неповрежденных фаз оказывается под повышенным напряжением, что резко увеличивает вероятность ее повреждения. Во-вторых, у тех электрических машин, у которых емкостные токи могут превышать 5А, при данном режиме возникает и развивается "пожар в стали" (см. раздел "Магнетизм"). Поэтому мощные генераторы и электродвигатели имеют релейные защиты, выполненные по рассмотренному выше принципу, автоматически отключающие их от сети. Для остальной же сети (например, сети 6кВ с.н. станции) причина замыкания должна быть найдена и локализована в течение возможно более короткого времени ( обычно допускается работа в таком режиме до двух часов).

И еще одно. В начале нашего рассмотрения сетей с изолированной нейтралью мы говорили :"При симметрии потенциалы нулевых точек всех электрически связанных звезд равны потенциалу земли, то есть нулю". Теоретически это действительно так, но в жизни реально не существует. Даже при абсолютно симметричной нагрузке линии электропередачи средняя фаза находится не в тех же условиях, что крайние (другая геометрия). Напряжение нейтрали может смещаться и в нормальных режимах из-за неравномерности нагрузки фаз. Особенно значительно напряжение нейтрали смещается при разнородной нагрузке (например, в одной фазе - конденсатор, в другой - емкость, в третьей - активная нагрузка), даже если по модулю (по абсолютному значению) нагрузки всех фаз равны. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью всегда существует смещение нейтрали, хотя в нормальном режиме и достаточно малое. В своей практической работе желательно знать нормальные показания 3U0, например, на пультах генератора, смещение нейтрали на секциях собственных нужд в зависимости от нагрузки, погоды и т.д. - это поможет Вам избежать многих неприятностей.  

Токи обратной последовательности.

Второй распространенной причиной асимметрии в высоковольтных электрических сетях является неравномерная загрузка фаз.

Неравномерная загрузка фаз может быть вызвана подключением однофазных нагрузок, обрывом соединительных проводов, коротким замыканием фаз между собой. В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы.

Как говорил один профессионал-электрик, все электрические неисправности сводятся к двум родам - либо есть контакт там, где он не нужен, либо нет контакта там, где он нужен. По большому счету он прав.

Неравномерная нагрузка фаз в трехфазной системе относится как раз к тому редкому случаю, когда повреждение оборудования может произойти и без электрических неисправностей, в результате чисто режимного фактора (например, подключением мощных однофазных нагрузок). В самом деле, в этом случае, например, ни в одном из фазных проводов генератора ток не превышает номинальной величины. Баланс токов сохраняется (сумма токов во всех трех фазах в любой момент времени равна нулю, или, если Вам так больше нравится, в любое мгновение один провод является прямым, два других - обратными и т.д.), однако, такой режим может привести к повреждению генератора. Рассмотрим, в чем опасность такого режима.

Для анализа данного режима часто используется метод симметричных составляющих. Суть его в следующем. Идея, предложенная Фортескью (о введении напряжений нулевой последовательности), оказалась удачной и получила дальнейшее развитие.

Математически доказано, что любую трехфазную несимметричную систему токов или напряжений можно заменить суммой трех симметричных систем: прямой, обратной и нулевой последовательностей.

На рисунке слева приведены векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

- прямой последовательности, в которой векторы, вращающиеся против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А, В, С.

- обратной последовательности, в которой векторы вращаются также против часовой стрелки, но с обратным чередованием векторов А, С, В.

- нулевой последовательности, в которых векторы всех трех фаз совпадают по направлению и вращаются против часовой стрелки.

 

Зачем же фактически существующую несимметричную систему токов и напряжений заменять суммой симметричных составляющих?

Ответить на этот вопрос можно, проведя аналогию с приемом, применяемом в механических расчетах, когда иногда несколько сил заменяют их равнодействующей. В других случаях - наоборот, одну силу сначала разлагают на составляющие, действующие по взаимно перпендикулярным направлениям, затем определяют порознь действие составляющих сил (это легче сделать) и, наконец, надлежащим образом суммируют полученные результаты. 

В нормальном симметричном режиме, а также при симметричном КЗ (коротком замыкании) полные токи и напряжения равны току и напряжению прямой последовательности. Составляющие обратной и нулевой последовательностей в симметричном режиме отсутствуют.

Составляющие обратной последовательности возникают при появлении в сети любой асимметрии: однофазного или двухфазного КЗ, обрыве фазы, асимметрии нагрузки.

Составляющие нулевой последовательности появляются, как мы разбирали ранее, при КЗ на землю (однофазных или двухфазных), а также при обрыве одной или двух фаз. При междуфазных КЗ без земли (двухфазных и трехфазных) токи и напряжения нулевой последовательности отсутствуют (равны нулю).

В чем состоит опасность замыкания на землю (появление составляющих нулевой последовательности) мы разобрали достаточно подробно раньше. Теперь мы разберем, к каким неприятностям могут привести появление составляющих обратной последовательности.

Понять, в чем физический смысл составляющих обратной последовательности в общем-то несложно. Составляющие обратной последовательности имеют обратную последовательность фаз. Это значит, что нулевые и максимальные значения разных фаз следуют в порядке А, С, В, а не А, В, С, как в составляющих основной (прямой) последовательности. Когда мы разбирали принцип получения вращающегося магнитного поля, мы установили, что изменение порядка чередования фаз приводит к изменению направления вращения поля на противоположное. Многим приходится сталкиваться с этим в своей практической работе, и они знают, что для того, чтобы изменить направление вращения двигателя на противоположное, достаточно поменять местами две фазы, то есть изменить последовательность чередования фаз. Последний пример дает зрительное представление о том, как изменяется направление вращения магнитного поля при изменении порядка чередования фаз.

При несимметричных нагрузках, когда появляются составляющие обратной последовательности, электродвигатели и генераторы ведут себя так, как если бы к полюсным катушкам были одновременно подведены два напряжения (или тока...) - прямой (основной) и обратной последовательности, притом каждый из этих токов создает собственное вращающееся поле. Составляющие обратной последовательности фаз создают в генераторах и электродвигателях магнитное поле, вращающееся в обратную сторону по сравнению с направлением вращения основного поля. Кроме того, что это поле тормозит ротор, что приводит к добавочному потреблению энергии, например, электродвигателем и его повышенному нагреву, существуют и побочные, нежелательные явления.

Например, в роторе генератора этим полем наводятся индукционные токи с частотой 100Гц (ротор вращается в одну сторону с частотой 50Гц, поле составляющей обратной последовательности - в другую с частотой тоже 50Гц, сумма - 100Гц), которые в основном вытесняются к поверхности и разогревают ротор. Именно по этому фактору практически для всех генераторов ограничивается допустимая асимметрия по току статора ("перекос по фазам") в пределах 8-10% от номинального тока.

Выше мы упомянули, что " при несимметричных режимах электродвигатели и генераторы ведут себя так, как если бы к полюсным катушкам были одновременно подведены два напряжения (или тока...) - прямой (основной) и обратной последовательности, притом каждый из этих токов создает собственное вращающееся поле". Спрашивается - зачем представлять себе то, чего нет? Или, может быть, составляющие обратной последовательности действительно существуют и их можно измерить с помощью приборов?

Оказывается, измерить можно и результаты измерений полностью согласуются с тем, о чем говорилось выше. Например, наличие индукционных токов ротора с частотой 100Гц неоднократно замерялось экспериментально; разогрев бандажных колец этими токами определялся как термометрами, так и по цветам побежалости....

Аналогично тому, как существуют фильтры нулевой последовательности, существуют и фильтры обратной последовательности, в основу которых положен принцип сравнения токов в различных фазах.

 

© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н. Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации