Zwarcia w sieciach średniego napięcia i wysokiego napięcia.doc

13

5.Zwarcia w sieciach średniego napięcia i wysokiego napięcia

5.1.Wprowadzenie

Zwarcie to nieprzewidziane w danych warunkach eksploatacyjnych połączeń bezpośrednich lub przez stosunkowo małą impedancję punktów systemu elektroenergetycznego o różnych potencjałach, bądź jednego lub większej liczby takich punktów z ziemią.

Skutki przepływu prądu zwarciowego:

a)      dynamiczne;

b)     cieplne;

c)      możliwość wypadnięcia generatora z synchronizmu.

Podział zwarć

a)      symetryczne – w których fazy są obciążone symetrycznie takim samym prądem zwarciowym;

b)     niesymetryczne – w których fazy są obciążone niesymetrycznym prądem zwarciowym. Są to różnego rodzaju zwarcia dwu- i jednofazowe.

Najczęściej występujące zwarcia w sieciach:

a)      jednofazowe z ziemią: 65%;

b)     podwójne z ziemią: 20%;

c)      zwarcia dwufazowe: 10%;

d)     zwarcia trójfazowe: 5%.

Dla poprawnego:

a)      doboru urządzeń elektrycznych – ze względu na wymaganą zdolność łączeniową łączników;

b)     działanie zabezpieczeń, automatyki elektroenergetycznej oraz ochrony przeciwporażeniowej najistotniejsze są prądy zwarciowe trój- i jednofazowych zachodzące w układach: I) z izolowanym punkcie neutralnym (bez kompensacji, skompensowanych oraz uziemionych przez rezystor ograniczający); II) o skutecznie uziemionym punkcie neutralnym.

5.2.Prądy zwarciowe w sieciach z izolowanym punktem zerowym

Podstawowa cecha prądu zwarciowego – prąd o charakterze pojemnościowym płynący przez reaktancje pojemnościowe „zdrowych faz” z ziemią.

Przed zwarciem z ziemią prądy pojemnościowe płynące w każdej z faz sieci wynoszą

                                          (5.1)

gdzie:

              Uf – napięcie zwarciowe,

              C0 – pojemność doziemna przewodów fazowych względem ziemi.

Po wystąpieniu zwarcia doziemnego, np. w fazie T:

a)      napięcie fazy T względem ziemi wynosi zero;

b)     napięcie pozostałych nieuszkodzonych faz R, S względem ziemi rosną do napięcia międzyprzewodowego (stąd napięcie fazy R względem ziemi wynosi URZ, a fazy S – USZ)

c)      napięcie punktu neutralnego „0” wzrasta do napięcia fazowego U0.

W wyniku zmiany napięć fazowych, w miejscu zwarcia płynie prąd zwarciowych Iz będący sumą geometryczną pojemnościowych prądów fazowych IRZ i ISZ, opisany równaniem

                                                                      (5.2)

Ponieważ prądy

                                                        (5.3)

a kąt pomiędzy nimi π/3, stąd prąd zwarciowy Iż określa równanie:

                            (5.4)

Prąd jednofazowy zwarcia doziemnego może mieć charakter:

a)      przemijający;

b)     trwały. W tym przypadku szczególnie niebezpieczne są długotrwałe zwarcia łukowe ze względu na generowanie przepięcia.

W związku z tym prądu jednofazowego zwarcia doziemnego ogranicza się do wartości, przy której zachodzi samo zgaszenie łuku elektrycznego.

Ograniczenie prądów zwarciowych do dopuszczalnych wartości wynoszących dla linii:

a)      napowietrznych i napowietrzno-kablowych – (5-30)A;

b)     kablowych – 50A.

Realizuje się poprzez:

·         kompensację pojemnościowego prądu zwarcia z ziemią za pomocą

1)     dławika gaszącego (tzw. Cewki Petersena);

2)     transformatorów gaszących Baucha (głównie sieci, w której punkt neutralny jest niedostępny)

3)     transformatorów uziemiających o grupie połączeń Zy (pełni także funkcję Tr potrzeb własnych – sposób obecnie coraz częściej stosowany)

·         uziemienie punktu zerowego sieci przez rezystancję.

Ideę kompensacji pojemności prądu zwarciowego dławikiem gaszącym pokazano na rysunku 5.5.).

W warunkach normalnych punkt neutralny ma połączenie zerowe i przez cewkę indukcyjna nie płynie żaden prąd. Przy zwarciu doziemnym w punkcie neutralnym pojawia się napięcie zerowe, wskutek czego przez dławik płynie prąd indukcyjny IL kompensacyjny pojemnościowy prąd zwarciowy Iz. Pełna kompensacja wystąpi wówczas, gdy

                                                        (5.5)

a indukcyjność L dławika

                                                                      (5.6)

Prąd znamionowy dławika dobiera się o 20-30% większy od wartości prądu pojemnościowego zwarcia z ziemią.

Pojemność C0 zmniejszenia się wraz z konfiguracją układu połączeń. Stąd dławik musi posiadać możliwość regulacji indukcyjności, tj. kilka zaczepów regulacyjnych.

Sieć, dla której spełniony jest warunek (rysunek 5.60) nazywa się skompensowaną. Zaleca się jednak przekompensowanie sieci, w granicach od 5 do 15%, ze względu na wystąpieniu w niej konduktywności poprzecznej i asymetrii pojemnościowej.

Kompensacja prądu doziemnego przy pomocz dławików stosowana jest w sieciach napowietrznych i napięciowo-kablowych powoduje przerwanie łuku przy zwarciach przemijających i prądu doziemnego przy zwarciu trwałym stąd też może pracować w stanie trwałym doziemienia.

W sieciach kablowych i kablowo-napowietrznych stosuje się uziemienie punktu zerowego sieci przez rezystor tak dobrany, ażeby prąd był jak najmniejszy i gwarantował poprawne działanie zabezpieczeń przed skutkami zwarć z ziemia (zwykle był mniejszy od 1500A). Rysunek 5.6

5.3.Charakterystyczne wielkości prądu zwarciowego

Uwagi:

W budowie schematu zastępczego obwodu zwarciowego wykorzystuje się impedancje podłużne (tj. rezystancje elektrycznego reaktancje) elementów układu elektrycznego odniesione do tego samego poziomu napięcia (zwykle napięcie zwarcia, dla którego określa się charakterystyczne prądy zwarciowe).

Dla zwarć symetrycznych są to impedancje dla składowej symetrycznej zgodnej (R1, X1), natomiast dla zwarć niesymetrycznych impedancje dla składowej przeciwnej i zerowej.

Prąd zwarciowy i jest sumą:

a) składowej okresowej o pulsacji sieciowej (osiągającej maksymalną wartość Ik dla czasu trwania zwarcia T = 0, a po czasie około 0,1s zmniejszającej się do wartości ustalonej równej Ik);

b) składowej nieokresowej iDC zależnej od kąta fazowego napięcia ψu w chwili zwarcia. Składowa ta jest największa (równe składowej okresowej, lecz o przeciwnym znaku) dla ψu = 0 lub π.

W zależności od miejsca zwarcia oraz relacji pomiędzy składowymi I’’k i Ik zwarcia dzielą się na:

·         zwarcia odległe od generatora, dla których I’’k = Ik;

·         zwarcia w pobliżu generatora, w których składowa okresowa prądu zwarciowego ma amplitudę o malejącej wartości od I’’k do Ik.

5.4.Charakterystyczne wielkości zwarciowe i sposoby ich obliczania

1)       Prąd zwarciowy początkowy I’’k – wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego w chwili powstania zwarcia. Dla zwarcia trójfazowego prąd I’’k obliczamy ze wzoru

                                                                      (5.7)

              w którym

                                                        (5.8)

2)       Prąd zwarciowy ustalony Ik – wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego po zaniku składowych prądu zwarciowego po zaniku składowych okresowych przejściowych prądu zwarciowego.

3)       Prąd zwarciowy nieokresowy iDC – składowa nieokresowa prądu zwarciowego. W przypadku zwarć dla ψu = 0 (lub π) prąd ten wyznacza się z zależności

                                                        (5.9)

4)       Prąd zwarciowy ip – największa chwilowa wartość prądu zwarciowego. Prąd ten oblicza się ze wzoru

                                                                      (5.10)

              w którym

χ – współczynnik udaru zależny od ilorazu rezystancji i reaktancji obwodu zwarciowego obliczany z zależności

                                                        (5.11)

5)       Prąd zwarciowy cieplny Ith – prąd zastępczy o stałej wartości skutecznej, który w czasie trwania zwarcia Tk wydzieli taką samą ilość ciepła jak rzeczywiście płynący prąd zwarciowy. Wyznaczany jest z zależności

                                                        (5.12)

6)       Prąd zwarciowy symetryczny Ib – wartość skuteczna jednego pełnego okresu prądu zwarciowego w chwili tmin rozdzielenia się styków pierwszego bieguna wyłącznika zwarcia. Prąd ten oblicza się z zależności

                            ...