Меню

Что такое измерение нулевой последовательности



Что такое токовая защита нулевой последовательности?

В высоковольтных сетях из-за каких-либо повреждений может нарушаться нормальная работа электроустановок. Достаточно частое повреждение – замыкание на землю, при котором возникает угроза как человеческой жизни за счет растекания потенциала, так и оборудованию за счет нарушения симметрии в сети. Чтобы предотвратить возможные последствия от таких повреждений на подстанциях и в других устройствах применяют токовую защиту нулевой последовательности (ТЗНП).

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Рис. 1. Форма напряжения в трехфазной сети

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

  • прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
  • обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
  • и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Рис. 2. Прямая, обратная и нулевая последовательность

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Принципиальная схема простейшей ТЗНП

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Правила подборки трансформаторов тока.

С целью снижения небаланса, влияющего на правильность срабатывания токовой защиты, подбирают такие ТТ, у которых вторичные токи не создадут перетоков. Для чего они должны соответствовать таким требованиям:

  • Обладать идентичными кривыми гистерезиса;
  • Одинаковая нагрузка вторичных цепей;
  • Погрешность на границе участков сети не должна превышать 10%.

К их вторичным цепям запрещено подключать еще какую-либо нагрузку, приводящую к искажению кривой намагничивания хотя бы в одном ТТ. Поэтому на практике при возникновении токов срабатывания от симметричной системы рекомендуют подвергать замене не один и не два, а все три трансформатора одновременно.

Читайте также:  Прибор для измерения сопротивления тока название

Область применения

Токовая защита, способная отреагировать на появление нулевой последовательности, нашла достаточно широкое применение в линиях с заземленной нейтралью. Так как в них токи коротких замыканий достигают наибольших величин. А вот при изолированной нейтрали ее установка нецелесообразна, поэтому ТЗНП в них не используют. Сегодня установки ТЗНП находят широкое применение:

  • на шинах районных подстанций для защиты силового оборудования;
  • в распределительных устройствах трансформаторных, переключающих и комплектных подстанций;
  • в токовых цепях крупных промышленных объектов с трехфазным силовым оборудованием.

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения ступенчатого принципа вывода линии, токовая защита, контролирующая появление нулевой последовательности в цепях, должна соответствовать селективности срабатывания. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи, в зависимости от их значимости, с целью определения места повреждения или выделения поврежденного промежутка. Для этого выбираются соответствующие уставки срабатывания по времени для защиты. Рассмотрите пример выбора уставок на такой схеме.

Пример выбора уставок

Как видите, ТЗНП в данном случае отстраивается по тому же принципу, что и максимальная токовая защита, но с меньшей величиной выдержки времени. В этом примере каждая последующая ступень защиты выдерживает временную задержку на промежуток Δt больше, чем предыдущая. То есть время срабатывания первой токовой отсечки, в сравнении со второй будет рассчитываться по формуле: t1 = t2+ Δt. А время срабатывания второй по отношению к третей будет составлять t2 = t3+ Δt. Таким образом каждое последующее реле выполняет функцию резервной защиты.

Если обмотки преобразовательных устройств включаются по системе звезда – треугольник, а также звезда – звезда, ТЗНП первичных и вторичных цепей не совпадают. Из-за того, что замыкание в линиях высокого напряжения не обязательно вызовет появление составляющих нулевой последовательности в низких обмотках и питаемой ими цепи. Так как селективность ТЗНП для каждой из них должна выстраиваться независимо, на практике должна обеспечиваться их независимая работа.

Такая система ступенчатых защит позволяет минимизировать дальнейший переход повреждения на другие участки сети и силовое оборудование. А также помогает вывести из-под угрозы персонал, обслуживающий эти устройства. Главное требование к токовой защите – предотвращение ложных коммутаций по отношению к соответствующей зоне срабатывания.

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня токовая защита, реагирующая на возникновение нулевой последовательности, может реализовываться микропроцессорными установками и посредством реле. В большинстве случаев устаревшие реле повсеместно заменяются на более новые версии токовой защиты. Но, помимо ТЗНП настраиваются в работу дистанционные, дифференциальные защиты и прочие устройства. Чья работа основывается как на симметричных составляющих, так и на других параметрах сети.

Помимо этого, в своем классическом исполнении ТЗНП не имеет возможности определять место повреждения. То есть для нее не имеет значение, в каком месте произошел обрыв. Поэтому для определения направления, в котором ток протекает по направлению к земле, применяют направленную защиту. Такая система отстраивается не только на токах, а и на напряжении, возникающем от нулевой последовательности. Данные величины подаются с трансформаторов напряжения, включенных по системе разомкнутого треугольника.

Схема работы направленной защиты

При замыкании в зоне резервирования токовой защиты к одной из обмоток реле мощности поступает напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. При условии, что вектор мощности направлен в линию, реле мощности разблокирует срабатывание токовой защиты. В противном случае, когда направление мощности указывает, что неисправность произошла на другом участке, реле мощности продолжит блокировать срабатывание токовой защиты.

Сегодня практическая реализация такой защиты выполняется посредством микропроцессорных блоков REL650 или на реле ЭПЗ-1636. Каждый, из которых уже включает в себя и токовую отсечку, и дистанционную защиту, и пусковое реле для возобновления питания.

Видео в дополнение к написанному

Источник

Трансформатор тока нулевой последовательности

Иногда в электроустановках может произойти разрушение изоляции, что приводит к утечкам тока. С целью контроля подобных токовых утечек было создано специальное устройство – трансформатор тока нулевой последовательности, нашедший применение также и в устройствах защитного отключения. Данные трансформаторы обнаруживают в нейтрали небаланс или токи нулевой последовательности. Если замыкается одна из фаз, происходит фиксация общих фазных токов, превышающих допустимое значение, после чего вся цепь своевременно отключается.

Читайте также:  Физическая величина сила импульс тела ускорение единицы измерения

Что такое ток нулевой последовательности

В электрических сетях с напряжением от 6 до 35 кВ токи нулевой последовательности, как правило, связаны с однофазными замыканиями на землю. Эти токи могут возникать и при нормальных режимах работы, достигая значительной величины. Это приводит к ложным срабатываниям защитных устройств от замыканий на землю.

Трехфазные сети с переменным напряжением могут работать в различных режимах, в том числе и несимметричных. Для расчетов таких режимов используется метод симметричных составляющих, в котором фазные токи и напряжения представлены в виде суммы, включающей в себя прямую, обратную и нулевую последовательность.

В схемах автоматической и релейной защиты чаще всего используется прямая и нулевая последовательность. Прямая последовательность состоит из синусоидальных токов и напряжений, одинаковых по величине во всех трех фазах. Их угловой сдвиг составляет 120 градусов, а максимальные значения достигаются в порядке очереди – А, В и С. Компоненты нулевой последовательности также имеют одинаковую величину в каждой из трех фаз, однако у них отсутствует угловой сдвиг.

Когда установлен симметричный режим работы, в фазных токах и напряжениях должна быть только прямая последовательность. Если же зафиксировано заметное проявление элементов нулевой последовательности, это указывает на возникновение в сети аварийной ситуации, требующей обязательного отключения каких-либо участков.

В электрических сетях напряжением 6-35 киловольт настраивать защиту нулевой последовательности следует с особой осторожностью. Это связано с отсутствием глухозаземленной нейтрали, когда токи нулевой последовательности практически не превышают рабочих токов во всех подключениях. Из-за этого настройка защиты становится очень сложной или вообще невозможной, особенно при наличии в цепях множества линий с однофазными кабелями, неудачно расположенными между собой. Токи нулевой последовательности в нормальном режиме могут появиться в жилах и экранах однофазных кабелей. Частично влияние этих токов компенсируется подключением трансформаторов тока.

Принцип работы

Прежде чем рассматривать трансформаторы тока нулевой последовательности, нужно остановится на обычных трансформаторах. Все устройства этого типа разделяются на трансформаторы тока и напряжения. Они применяются для измерений токов и напряжений с большими величинами. На одну из обмоток подается ток или напряжение, которое требуется измерить, а на выходе второй обмотки снимаются уже преобразованные, как правило пониженные значения этих параметров.

Через трансформаторы тока наиболее часто подключаются магнитоэлектрические вольтметры и параллельные цепи, а трансформаторы напряжения соединяются с амперметрами и другими последовательными цепями.

Трансформаторы нулевой последовательности также относятся к токовым измерительным приборам. От других видов трансформаторных устройств они отличаются назначением и принципом работы. Основной функцией данных приборов является регистрация токовых утечек или отсутствия фазы при коротком замыкании в трехфазных кабелях. Когда в жилах таких кабелей возникает асимметрия токов, это приводит к появлению на выходе вторичной обмотки сигнала небаланса. Далее этот сигнал уходит к контрольному устройству, с помощью которого отключается питание поврежденного кабеля. Подключение трансформатора тока нулевой последовательности осуществляется не к каждой фазе. Он соединяется сразу со всеми жилами кабеля.

Таким образом, принцип работы этих устройств основан на выделении сигнала через трансформацию токов нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю. Они применяются в сетях с изолированной нейтралью и схемах релейной защиты. Благодаря нормированному коэффициенту трансформации, который может переключаться во вторичной обмотке, становится возможной эффективная и точная настройка релейной защиты.

Выпуск трансформаторов производителями осуществляется в различных модификациях. Основными техническими характеристиками являются номинальное напряжение и частота, коэффициент трансформации, испытательное одноминутное напряжение, односекундный ток термической стойкости вторичной обмотки. Они имеют различные габариты, обеспечивающие возможность подключения сразу к нескольким одножильным кабелям, сечением до 500 мм2.

Источник

Определение сопротивления нулевой последовательности

Сопротивление нулевой последовательности экспериментальным путем определяется по схеме, представленной на рисунке 4.5. Необходимо определить сопротивления нулевой последовательности для двух случаев: при замкнутом и разомкнутом ключе SA1.

Перед включением необходимо автотрансформатором TV2 выставить минимально возможное напряжение.

Включить напряжение и с помощью автотрансформатора TV2 установить ток близким к номинальному току исследуемого трансформатора, записать показания приборов.

Рисунок 4.5 Схема для определения сопротивления нулевой

Схема замещения для нулевой последовательности соответствует рисунку 3.1. И при замкнутой вторичной обмотке сопротивления нулевой последовательности определяются для схем Δ/Y, Δ/Δ и Y/Y:

Читайте также:  Правила метрологического обеспечения средств измерений

(4.1)

При разомкнутой вторичной обмотке сопротивления определяются для схем Δ/Y и Y/Y по следующим формулам:

(4.2)

Обработка экспериментальных данных

4.1 По опытным данным построить векторные диаграммы линейных и фазных напряжений и токов для работы трансформатора при пунктах 4.1 … 4.4.

4.2. По заданным вторичным линейным токам и первичным линейным напряжениям определить первичные линейные и фазные токи, линейные и фазные вторичные напряжения, фазные первичные напряжения. Результаты занести в таблицу 4.2.

При расчетах для пункта 4.1 необходимо воспользоваться формулами (3.6) и (3.10), а также значениями коэффициента трансформации и величиной ZK из опыта, указанного в пункте 4.5.

Для пункта 4.2 необходимо воспользоваться формулами (3.18) и (3.19).

Для пункта 4.3 необходимо воспользоваться формулами (3.6), (3.8) и (3.10).

Для пункта 4.4 необходимо воспользоваться формулами (3.10), (3.15) и (3.16).

По данным таблицы 4.2 так же построить векторные диаграммы токов и напряжений.

Таблица 4.1 Результаты измерений

IHАГР, A IA, A IB, A IC, A UAB, B UBC, B UCA, B UA, B UB, B UC, B Uab, B Ubc, B Uca, B Ua, B Ub, B Uc, B
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Двухфазная нагрузка по схеме Y/Y
Однофазная нагрузка по схеме Y/Y
Двухфазная нагрузка по схеме Δ/Y
Однофазная нагрузка по схеме Δ/Y

Таблица 4.2 Результаты расчетов

IАф, А IВф, А IСф, А IА, А IВ, А IС, А UA, A UB, A UC, A Uab, B Ubc, B Uca, B Ua, B Ub, B Uc, B
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Двухфазная нагрузка по схеме Y/Y
Однофазная нагрузка по схеме Y/Y
Двухфазная нагрузка по схеме Δ/Y
Однофазная нагрузка по схеме Δ/Y

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

5.1 Тему, цель работы.

5.2 Основные теоретические сведения, схемы лабораторной установки.

5.3 Результаты измерений и расчётов, векторные диаграммы токов и напряжений.

5.4 Ответы на контрольные вопросы.

5.5 Выводы по работе.

Контрольные вопросы

6.1 Как производятся расчёты электромагнитных процессов в трехфазном трансформаторе при симметричной нагрузке?

6.2 Как производятся расчеты электромагнитных процессов в трехфазном трансформаторе при несимметричной нагрузке и отсутствии токов нулевой последовательности?

6.3 Приведите схемы соединения обмоток трансформатора, при которых отсутствуют токи нулевой последовательности.

6.4 Каковы варианты схем соединения обмоток трехфазных трансформаторов, при которых возможно протекание токов нулевой последовательности?

6.5 Как определить ток нулевой последовательности при однофазной нагрузке и схеме вторичной обмотки — Y?

6.6 Каковы основные особенности работы трансформаторов при несимметричной нагрузке и схеме соединения Y/Y?

6.7 Каково соотношение между первичными и вторичными фазными и линейными токами при симметричной и несимметричной нагрузке?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Аипов Р.С.Электрические машины и аппараты [Текст]: (конспект лекций, ч. 1. Трансформаторы и асинхронные электрические машины)/Р.С. Аипов; Башкирский ГАУ. – Уфа, 2012. -127 с.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы [Текст]: допущено Министерством образования и науки РФ/А.В. Вольдек, В..В. Попов. – М.; Спб.; Нижний Новгород: Питер, 2008.- 319 с.

3. Ванурин, В.Н. Электрические машины [Текст] : учебное пособие / В.Н. Ванурин. – М.: Энергия, 2006. – 380 с.

4. Годжелло А.Г. Электрические и электронные аппараты [Текст]: в 2 т.: допущено УМО по образованию — М.:Академия, 2012. – Т.1 Электромеханические аппараты /; [Е.Г. Акимов и др.]; под ред. А.Г. Годжелло, Ю.К. Розанова. – 2010.- 345 с.

5. Гольдберг, О.Д. Испытание электрических машин [Текст]: учебное пособие / О.Д. Гольдберг. – М.: Высшая школа, 2001. – 430 с.

6. Епифанов, А.П. Электрические машины [Текст]: Учебник / А.П. Епифанов. – СПб.: Лань, 2006. -263 с.

7. Иванов-Смоленский, А.В. Электрические машины [Текст]: учебник для вузов/ А.В. Иванов смоленский. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 928 с.

8. Кацман, М.М. Электрические машины [Текст]: учебное пособие/М.М. Кацман. – М.: Высшая школа, 2001. – 463 с.

9. Копылов, И.П. Электрические машины [Текст] : учебник для вузов/ И.П. Копылов. — М.: Логос, 2007. — 607 с.

10. СТО 0493582-004-2010 Стандарт организации / Самостоятельная рабо­та студента. Оформление текста рукописи. Взамен СТП 0493582-004-2009. Введен в действие с 01 сентября 2010г. — Уфа.: БашГАУ, 2010. — 29 с.

Источник