Что такое неполнофазный режим работы сети

Неполнофазных режимов трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ

Опытный образец устройства контроля неполнофазных режимов в электрической сети 0,38 кВ был подвергнут лабораторным испытаниям для чего в лабораторных условиях была создана иммитация электрической сети напряжением 0,38 кВ в которой создавались следующие варианты нагрузок с учетом исследований проведенных ранее [38,39,40,41].

а) электрическая сеть имеет нагрузку в виде однофазных потребителей,

включенных на фазное напряжение сети;

б) электрическая сеть имеет нагрузку в виде трехфазных асинхронных

электродвигателей с регулируемой нагрузкой на валу.

Схема лабораторной установки приведена на рисунке 7.1.

В 1

Рисунок 7.1 – Схема лабораторной установки для проведения испытания

опытного образца устройства контроля неполнофазных

режимов в электрической сети 0,38 кВ, где:

трехполюсный автоматический выключатель линии 0,38 кВ.
однополюсный автоматический выключатель.
узел нагрузки.

Состояние сети	Состояние узла нагрузки	Величина сигнала датчика устройства	Работа устройства	Отключение линии
Нормальный режим	Нагрузка в виде однофазных потребителей, включенных на фазное напряжение сети.	2-8 В (небаланс)	нет	нет
	Нагрузка в виде трехфазных асинхронных электродвигате- лей в режиме номинальной загрузки	2-5В (небаланс)	нет	нет
	Нагрузка в виде трехфазных асинхронных электродвигате- лей в режиме 0,5 номинальной загрузки	2-5В (небаланс)	нет	нет
Неполнофаз-ный режим (обрыв провода)	Нагрузка в виде однофазных потребителей, включенных на фазное напряжение сети.	80-100В	да	да
	Нагрузка в виде трехфазных асинхронных электродвигате- лей в режиме номинальной загрузки	70-90 В	да	да
	Нагрузка в виде трехфазных асинхронных электродвигате- лей в режиме 0,5 номинальной загрузки	50 В	да	да

Результаты лабораторных испытаний показали работоспособность устройства контроля неполнофазных режимов в электрической сети напряжением 0,38 кВ. Лабораторные испытания устройства защиты от неполнофазных режимов ТП 10/0,4 кВ были проведены на модели представленной на рисунке 7.2. 1 ТР-Р 10/0,4 кВ 2,, 3 линия 0,38 кВ

Лекция № 3 неполнофазные режимы работы линий

Часть энергии генератора распределяется на генераторном напряжении, а другая часть передается в мощную систему по линии электропередачи. Напряжение на шинах приемной подстанции считается неизменным.

Пусть в рассматриваемой системе отключается фаза а ЛЭП. В этом случае между точками разрыва линии в фазе а имеет место некоторая разность напряжений

Эти условия являются одним из признаков неполнофазного режима. Кроме того, данный случай характеризуется условием:

при и(2)

В системе координат симметричных составляющих условию (1) отвечает выражение

На следующем рисунке показаны схемы замещения, составленные из сопротивлений токам всех трех последовательностей, в которые между точками разрыва включены источники некоторого напряжения . Эти схемы справедливы для случая симметрии параметров всех элементов в анализируемой системе.

Режим каждой из схем может рассчитываться независимо, однако равенство напряжений между точками разрыва в схемах всех трех последовательностей позволяет составить одну, так называемую комплексную схему (рисунок ниже).

Условие (2) несимметрии в системе координат симметричных составляющих имеет вид:

Комплексная схема удовлетворяет этому условию. В эту схему некоторыми сопротивлениями входят также генераторы и нагрузки электрических сетей.

Сопротивления обратной последовательности генераторов при составлении комплексной схемы должны приниматься по паспортным данным. Нагрузка в схему обратной последовательности вводится неизменным сопротивлением. В схему прямой последовательности нагрузка вводится, так же как и при расчетах симметричных режимов – задающим током или неизменным сопротивлением (смотрите предыдущую лекцию)…

Расчет неполнофазных режимов в сетях с номинальным напряжением 110 кВ и выше усложняется учетом зарядной мощности линий. Емкости отдельных фаз линии, работающей в неполнофазном режиме, не равны друг другу. При этом зарядные токи в схемах каждой последовательности, строго говоря, определяются напряжением всех трех последовательностей. При расчетах режимов линии 220-110 кВ и ниже обычно вводят упрощающее допущение, что напряжение обратной и нулевой последовательностей оказывают на величину зарядных токов небольшое влияние. Обычно напряжение U₁ существенно превышает напряжения U₂ и U₀. Дополнительное упрощение расчета может быть получено, если принять, что составляющие зарядного тока в схемах обратной и нулевой последовательностей, вызванные напряжением прямой последовательности, не оказывают заметного влияния на результаты расчета и могут быть из схемы исключены.

Принцип составления комплексной схемы, полученной для случая отключения одной фазы в конкретной системе, остается справедливым и для любой другой системы. На следующем рисунке показана обобщенная комплексная схема, не связанная с конкретной конфигурацией.

Неполнофазный режим может быть вызван отключением двух фаз. Считая отключенными фазы b и с, для характеристики режима следует воспользоваться уравнениями:

при

где , и– разность напряжений между точками разрыва фазb и с соответственно.

Этим условиям несимметрии в системе координат симметричных составляющих отвечают токи и напряжения, определяющиеся следующими соотношениями:

Комплексная схема, выполненная в обобщенной форме и соответствующая приведенным выше условиям, имеет вид:

При рассматриваемой форме несимметрии схемы обратной и нулевой последовательностей соединяются последовательно.

Расчет режима комплексных схем позволяет найти токи и напряжения трех последовательностей в интересующих ветвях и узлах исследуемой системы. Расчет выполняется теми же методами, что и при исследовании симметричных режимов. Токи, найденные в ветвях схемы прямой последовательности, и напряжения, найденные в ее узлах, являются токами и напряжениями прямой последовательности соответствующих ветвей и узлов. Аналогично параметры режима схем обратной и нулевой последовательностей характеризуют токи и напряжения этих последовательностей. Переход к системе фазных координат для каждой i-й ветви и каждого j-го узла может быть осуществлен с помощью соотношений

Рассмотрим пример построения векторной диаграммы фазных токов и напряжений применительно к расчету неполнофазного режима, вызванного отключением двух фаз одноцепной линии в простейшей системе (см. следующий рисунок)

Комплексная схема для рассматриваемого случая имеет вид:

Сопротивления схем обратной и нулевой последовательностей представлены соответствующими суммарными значениями x₂_ и x₂_.

Пусть разность векторов э.д.с. генератора и напряжения на шинах системыопределяется некоторым углом. Тогда, располагая для определенности вектор по действительной оси комплексной плоскости, получим в соответствии с комплексной схемой

Этому выражению отвечает следующая векторная диаграмма:

Принимая во внимание, что , строимполную система токов в системе координат симметричных составляющих (рис. а).

Векторная диаграмма токов в системе фазных координат получается для каждой из фаз путем сложения токов всех трех составляющих (рис. б).

В результате такого сложения определяется модуль и аргумент тока в неповрежденной фазе а, тогда как токи в других двух фазах оказываются равными нулю.

Векторная диаграмма фазных токов генераторов и фазных напряжений на его зажимах приведена на следующем рисунке. При ее построении учтено, что при трансформации изменяются не только модули напряжения и тока, но также и их аргументы. В тех случаях, когда необходимо найти фазные токи и напряжения в ветвях и узлах, отделенных от места разрыва трансформаторами, необходимо это учитывать.

Изменение аргументов определяется группой соединения обмоток трансформатора. Так, в нормальном симметричном режиме трансформатора, обмотки которого соединены по схеме Y / ∆-11 напряжения и токи в обмотке низшего напряжения (на стороне треугольника) по фазе опережают напряжения и токи в обмотке высшего напряжения (на стороне звезды). Причем этот сдвиг для такого трансформатора составляет 30. Такой же угол характеризует изменение аргументов векторов системы прямой последовательности, поскольку чередование этих векторов отвечает симметричному режиму. Система векторов токов и напряжений обратной последовательности при трансформации изменяется по фазе на угол, равный углу поворота системы векторов прямой последовательности, но противоположный ему по знаку. Токи нулевой последовательности через трансформатор, обмотки которого соединены в треугольник, как известно, не проходят, замыкаясь в этом треугольнике.

Все это учтено при построении диаграммы. Здесь вначале были нанесены вектора фазных э.д.с. генератора, образующих симметричную систему и поэтому сдвинутых в сторону опережения на 30° в сравнении с вектором _Г. Затем найдены положения систем векторов токов прямой и обратной последовательностей. Сложение этих векторов определяет токи в фазах генератора, причем токи а и с оказываются равными по модулю и противоположными по фазе, а ток фазы b оказывается равным нулю. Чтобы найти фазные напряжения на шинах генератора, из векторов фазных э.д.с. вычитаются векторы падений напряжения в сопротивлении генератора, определяемые его фазными токами.

19. Расчет неполнофазных режимов

В сетях выше 1000 В наиболее выраженная несимметрия наблюдается при несимметричных коротких замыканиях и в неполнофазных режимах. Первые относятся к аварийным режимам и в настоящем курсе не рассматриваются. Неполнофазными называются те режимы, которые возникают при отключении одной или двух фаз какой-либо линии. Это режимы не являются аварийными и могут существовать длительное время. Такой вид несимметрии называется продольной.

Рассмотрим режим воздушной линии при отключении фазы A. Используем метод симметричных составляющих. Ток в поврежденной фазе I_A = 0. Для моделирования этого условия в фазу A вводится фиктивная ЭДС такой величины, которая и обеспечит равенство тока нулю (рис. 2.16).

При расчете режимов, сильно отличающихся от нор-мального, нагрузка обычно задается постоянным сопротивлением. Предположим, что она пред-ставляет собой симметричный элемент с сопротивлениямиZ_н_A = =Z_н_B = Z_н_C, которые условно соединены в звезду. Однако для расчета несимметричных режимов этих сопротивлений недостаточно. Требуется знать со-противления нагрузки прямой, обратной и нулевой последовательностиZ_н₁, Z_н₂ и Z_н₀ (одинаковые для всех фаз). Эти величины рассчитываются по различным формулам в зависимости от типа электроприемников.

Фазные напряжения в начале линии ,ибудем считать известными. Рассмотрим общий случай, когда их система может быть несимметричной. Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности этих напряжений,,определяются по выражениям, аналогичным (2.57), (2.58), (2.59). Схема замещения прямой последовательности показана на рис. 2.17. Для остальных последовательностей схемы имеют аналогичный вид.

Поскольку фиктивные ЭДС в фазах B и C равны нулю, то

, (2.74)

где ,,– фиктивные ЭДС соответственно прямой, обратной и нулевой последовательности фазыA.

Из (2.74) следует, что . С учетом этого система уравнений режима записывается в следующем виде:

(2.75)

где ,,– токи прямой, обратной и нулевой последовательности фазыA; Z_л₁ – сопротивление линии прямой последовательности, равное сопротивлению обратной последовательности; Z_л₀ – сопротивление линии нулевой последовательности; последнее уравнение системы получается из равенства тока в фазе A нулю.

Система (2.75) содержит 4 неизвестных: ,,,. Она является линейной и легко решается. После этого определяются напряжения в конце линии. Так, напряжение фазыA прямой последовательности

Моделирование режима и составление уравнений при отключении двух фаз производится аналогичным образом. Очевидно, что система уравнений в этом случае будет отличаться от (2.75).

20. Расчет несинусоидальных режимов

В электрических системах всегда имеются нелинейные элементы, которые при приложении к ним синусоидального напряжения потребляют нелинейный ток. Однако режим считается несинусоидальным только в том случае, если искажения кривых токов и напряжений значительны (на уровне или выше допустимых пределов ГОСТ). Причиной возникновения таких режимов является наличие нелинейных электроприемников (с тиристорными преобразователями, дуговых печей и т.д.).

Анализ и расчет несинусоидальных режимов основан на разложении кривых токов и напряжений в ряды Фурье:

, , (2.76)

где U₀, I₀ – постоянные составляющие напряжения и тока (в электрических сетях обычно отсутствуют); ν – номер гармоники; U_ν_,_max, I_ν_,_max – амплитудные значения напряжения и тока ν-й гармоники; φ_ν и ψ_ν – начальные фазы напряжения и тока ν-й гармоники; ω ≈ 314 рад/с – круговая частота основной гармоники; n – наибольший номер учитываемой гармоники (теоретически равен бесконечности, на практике обычно не превышает 40).

Расчет несинусоидальных режимов электрических сетей обычно производится по методу наложения, согласно которому расчеты гармоник с разными номерами осуществляются независимо друг от друга.

Режим, соответствующий основной гармонике, рассчитывается так же, как обычный нормальный режим.

Расчеты режимов, соответствующих высшим гармоникам, имеют следующие особенности: 1. Нелинейные электроприемники, являющиеся источниками высших гармоник, моделируются как источники тока соответствующей частоты (обычно с внутренними сопротивлениями); 2. Остальные электроприемники задаются постоянными сопротивлениями; 3. ЭДС источников питания равны нулю; 4. Параметры схемы замещения (сопротивления и проводимости) зависят от частоты и поэтому для разных гармоник имеют разные значения.

Активные сопротивления токам ν-й гармоники определяются по выражению , (2.77) гдеR₌ – сопротивление постоянному току; k_ν – коэффициент, учитывающий поверхностный эффект и эффект близости.

Значение k_ν увеличивается при возрастании номера гармоники и зависит от типа элемента сети, материала и сечения провода. В общем случае k_ν ≥ 1.

Индуктивные сопротивления продольных ветвей статических элементов (без вращающихся частей) равны (2.78)

где X₁ – индуктивное сопротивление элемента на основной частоте (прямой последовательности); X₀ – индуктивное сопротивление нулевой последовательности на основной частоте.

Индуктивные сопротивления продольных ветвей элементов с вращающимися частями: (2.79)гдеX₁, X₂, X₀ – индуктивные сопротивления соответственно прямой, обратной и нулевой последовательности на основной частоте.

Емкостные проводимости линий: (2.80)

где B₁, B₀ – емкостные проводимости соответственно прямой и нулевой последовательности на основной частоте.

Ветви намагничивания трансформаторов при расчете высших гармоник обычно не учитываются, поскольку напряжения гармоник малы, а индуктивные сопротивления ветвей намагничивания, наоборот, велики. При необходимости эти сопротивления можно определить по формулам (2.78). Активные сопротивления ветвей намагничивания рассчитываются более сложным образом.

После расчета режимов, соответствующих каждой гармонике, определяются результирующие параметры несинусоидального режима:

– действующие значения напряжений и токов;

– потери активной мощности;

– коэффициенты, характеризующие искажение кривой напряжения;

– другие параметры, например, передаваемые мощности.

Действующие значения напряжений и токов рассчитываются по формулам

, ,(2.81)гдеU_ν, I_ν – действующие значения напряжения и тока ν-й гармоники. Потери активной мощности в каком-либо элементе равны . (2.82) Согласно ГОСТ, искажение кривой напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряженияk_нс, а также коэффициентами ν-й гармонической составляющей k_ν:, (2.83).(2.84) Передаваемая активная мощность равна сумме активных мощностей отдельных гармоник. В симметричном режиме, (2.85) гдеU_ν_,ф – фазное напряжение ν-й гармоники. Несинусоидальные режимы характеризуются еще несколькими мощностями, которые можно определить по соответствующим формулам.

Неполнофазный режим работы электрооборудования

Неполнофазный режим в электрооборудовании – это аварийный режим работы, когда необходимое электричество не в полном объёме доходит до непосредственного потребителя. Зачастую неполнофазный режим происходит на электрооборудовании питание, к которому подводится по воздушной линии или защита электрооборудования выполнена при помощи плавких предохранителей. Также возможно возникновение неполнофазного режима электрической сети в случае отгорания одной из фаз на воздушной или кабельной линии, которое прежде всего возникает на соединениях в воздушных линиях или на муфтах в кабельных сетях 6-10 кВ или на скрутках в сетях 0,4 кВ.

Неполнофазный режим работы опасен в большинстве случаев для асинхронных электродвигателей, которые достаточно часто выходят из строя по причине перегрева обмотки и виткового пробоя. Ведь для асинхронного электродвигателя практически не важно, работает он в полноценном режиме или в неполнофазном, так как при неполнофазном режиме ему приходится выдавать на вал ту, механическую мощность, которая для него номинальная. Что в своё время приводит к тому, что асинхронный двигатель начинает по оставшимся двум фазам необходимую мощность, необходимую для вращения вала под нагрузкой. Потребляемая мощность асинхронного электродвигателя в свою очередь приводит к тому, что электродвигатель тянет из сети дополнительный ток, который и разогревает катушку статора асинхронного электродвигателя.

Предупредить неполнофазный режим электродвигателя можно при помощи определённых схем релейной защиты на основе трансформаторов тока, реле тока или при помощи ассимметра или двух или трёх реле напряжений. При невозможности использования релейной защиты в качестве основной схемы отключения от неполнофазного режима, достаточно действенно могут себя проявлять тепловые реле, установленные сразу после магнитного пускателя или контактора. При их установке и оптимальной отладке по току срабатывания они позволяют подать отключающий сигнал на магнитный пускатель или контактор в случае протекании по фазам повышенных токов. Да, данный режим защиты асинхронных электродвигателей не может считаться идеальным, так как для этого необходимо первоначально отстраивать тепловую защиту, да и до срабатывания её асинхронный электродвигатель будет работать в аварийном режиме определённый промежуток времени.

Да, по сути, автоматические выключатели с тепловой защитой также должны выполнять защиту асинхронных электродвигателей от неполнофазного режима посредством срабатывания тепловой защиты по перегрузу. Но зачастую автоматические выключатели устанавливаются для защиты оборудования от короткого замыкания и время срабатывания тепловой защиты автоматического выключателя достаточно большое при незначительном превышении протекающим по нему токам. Так что на данный момент наиболее действенной защитой от неполнофазного режима можно считать только релейные схемы, выполненные на ассиметре, реле напряжения или реле тока.