background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

®

 

 

1  

 

 

 

 

 

 
 
 

Składowe symetryczne – niesymetrie poprzeczne, 

zwarcia cz.2 

 
 
 

 

1.  Wprowadzenie do obliczeń zwarciowych złożonych układów elektroenergetycznych ................................................................................................ 2 
2.  Analiza zwarć metodą składowych symetrycznych z udziałem odbiornika.................................................................................................................. 4 

2.1 

Zwarcie 1f-GND w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND ..................................................................................................................... 8 

2.2 

Zwarcie3f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND .............................................................................................................................. 10 

2.3 

Zwarcie3f-GND w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND .................................................................................................................... 12 

2.4 

Zwarcie2f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND .............................................................................................................................. 14 

2.5 

Zwarcie2f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y ........................................................................................................................................ 16 

 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

®

 

 

2  

 

 

 

 

1. Wprowadzenie  do  obliczeń zwarciowych złożonych układów 

elektroenergetycznych 

 
Na wstępie należy wyraźnie zaznaczyć, że problematyka zwarć w systemach elektroenergetycznych jest 
zagadnienie złożonym, wymagającym w niektórych przypadkach dedykowanych i szerokich analiz 
złożonych układów sieciowych. 
 
W  świetle omawianej metody składowych symetrycznych i jej zastosowania w analizie zwarć warto 
uzmysłowić sobie złożoność problemów, które mogą towarzyszyć przy adaptacji tej metody dla złożonych 
układów sieciowych.  
 
Warto to wymienić: 

ƒ

 konieczność sprowadzania parametrów układu sieciowego do poziomu napięcia w punkcie zwarcia, 

ƒ

 wpływ układu połączeń transformatora na modelowanie impedancji punktu neutralnego sieci i tym 

samym wpływ na układ połączeń składowej zerowej, 

ƒ

 rozważanie wpływu odbiorników - często w tzw. obliczeniach uproszczonych prądów w miejscu 

zwarcia, nie uwzględnia się odbiorów (za wyjątkiem silników indukcyjnych dużej mocy modelowanych 
dla zwarcia jako generatory), 

ƒ

 rozważanie rozpływu prądów poza miejscem zwarcia, 

ƒ

 wpływ elementów ograniczających prąd zwarcia (dławiki zwarciowe, rezystory i inne) 

ƒ

  zastosowanie metod przekształceń sieci przez eliminację węzłów. 

 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

®

 

 

3  

 

 

 

 

 

Ponadto warto podkreślić,  że wykorzystanie składowych symetrycznych w analizie zwarć nie jest jedyną 
metodą. Istnieją zalecenia normatywne dedykowane analizie zwarć takie jak: Polska Norma PN-74/E-5002 
lub norma Międzynarodowego Komitetu Elektrotechniki (IEC - International Electrotechnical Commission) 
IEC60909. 
 
Tak więc jest to materiał, który wymagałby odrębnego kursu, przeznaczonego jedynie na analizę zwarć. 
 
 
Podkreślmy jednaka, że analiza różnego rodzaju zwarć bez udziału odbiorników została już wcześniej 
prezentowana i wyraźnie wskazuje na możliwość reprezentacji napięciowo-prądowych warunków w 
miejscu zwarcia za pomocą sposób połączenia obwodów składowej symetrycznej. Jest to podstawowy 
zakres materiału, który będzie wykorzystywany przy przedstawionych obecnie analizach. 
 
 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2. Analiza  zwarć metodą składowych symetrycznych z udziałem 

odbiornika 

Obecnie omówimy wykorzystanie składowych symetrycznych w kontekście zwarć poszerzając 
zakres problemu o : 

ƒ

  rozważanie wpływu odbiorników 

ƒ

  rozważanie rozpływu prądów poza miejscem zwarcia. 

 

N

E

A

I

A

E

B

I

B

E

C

I

C

Z

z

Z

N

U

Aj

U

Cj

U

Bj

Z

i

Z

i

Odbiór

węzeł i

Z

i

Zwarcie 

1f-GND

węzeł j

Z

Ni

System

I

A

I

B

I

C

I

Ai

I

Bi

I

Ci

I

Aj

I

Bj

I

Cj

Linia

Z

L

Z

Z

Z

Z

L

Z

L

 

 
 

®

 

 

4  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

W rozważanym przypadku przyjmiemy następujące założenia dotyczące symetrii: 

ƒ

  symetria impedancji ekwiwalentu transformator linia 

TL

Z

 

ƒ

  symetria odbiornika gwiazdowego podłączonego w i-tym węźle 

i

Z

 

ƒ

  symetria dalszego odcinka linii 

L

Z

 

 
Podobnie jak poprzednio przy zwarciach bez udziału odbiornika, rozważymy różne rodzaje zwarć: 

ƒ

  1f-GND jednofazowe z ziemią, 

ƒ

  3f – trójfazowe bez udziału ziemi, 

ƒ

  3f-GND – trójfazowe z udziałem ziemi, 

ƒ

  2f – dwufazowe bez udziału ziemi 

ƒ

  2f-GND – dwufazowe z udziałem ziemi. 

 

Przypomnijmy,  że w poprzednich analizach odwzorowywaliśmy  napięcia i prądy w miejscu zwarcia
Obwody zasilania w składowych symetrycznych miały zawsze tę samą architekturę, różniącą się jedynie o 
element zasilania 

3

N

Z

 wchodzący w obwód składowej zerowej przy zwarciach doziemnych, bądź nie przy 

zwarciach bez udziału ziemi. Natomiast sposób połączenia tych obwodów z impedancją miejsca zwarcia 
wynikał z analizy przypadku zwarcia, czyli interpretacji warunków prądowo-zwarciowych w miejscu 
zwarcia.  
 
Podobnie będziemy postępować i tym razem tzn. odwzorujemy sieć, odbiornik i linie zasilającą w postaci 
odpowiedniej architektury dla składowej zgodnej, przeciwnej i zerowej. Natomiast sposób ich połączenia w 
skojarzeniu z impedancją miejsca zwarcia 

z

Z

 powtórzymy z wcześniejszych doświadczeń. To tak, 

jakbyśmy ponownie skupiali się na odwzorowaniu napięć i prądów w miejscu zwarcia za pomocą 
składowych symetrycznych z tym, że miejsca w innej lokalizacji.  

®

 

 

5  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Ogólnie obwody składowych symetrycznych układu „symetryczna sieć - symetryczny odbiornik- 
symetryczna linia” możemy zaprezentować w następujący sposób: 
 

 

 
Przy czym dla układu z odbiornikiem gwiazdowym z uziemionym punktem neutralnym: 

ƒ

  w impedancjach zerowych ekwiwalentu systemu znajdzie się impedancja punktu neutralnego sieci 

3

N

Z

, tzn. dla symetrycznego układu: 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

TL

N

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

 
 

®

 

 

6  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

ƒ

  w impedancjach zerowych odbiornika połączonego w gwiazdę z uziemionym punktem neutralnym 

znajdzie się impedancja punktu neutralnego odbiornika 

3

Ni

Z

 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

i

Ni

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

ƒ

  w impedancjach linii bez przewodu neutralnego nie wystąpi element 

3

LN

Z

 

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

 
Natomiast dla układu z odbiornikiem gwiazdowym z nieuziemionym punktem neutralnym: 

ƒ

 składowa zerowa prądu odbiornika nie wystąpi 

Wtedy : 

ƒ

 w impedancjach zerowych ekwiwalentu transformator-linia znajdzie się impedancja punktu 

neutralnego sieci 

3

N

Z

, jeśli rozważane są zwarcia z udziałem ziemi 

ƒ

 w impedancjach zerowych ekwiwalentu transformator-linia nie wystąpi impedancja punktu 

neutralnego sieci 

3

N

Z

, jeśli rozważane są zwarcia bez udziałem ziemi 

 

Sposób połączenia obwodów składowych symetrycznych poprzez impedancję miejsca zwarcia 
będzie taki sam jak wyprowadzane w poprzednich rozważaniach, ponieważ dotyczyły one ogólnie 
reprezentacji warunków napięciowo-prądowych w miejscu zwarcia.
 
 

®

 

 

7  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.1 Zwarcie 1f-GND w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND 

 

 

 
 
 
 
 
 

®

 

 

8  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Zwarcie 1f-GND za odbiornikiem 3f Y-GND 

Obwody składowych symetrycznych przy 

założeniu możliwości niesymetrii źródła 

Obwody składowych symetrycznych przy założeniu 

symetrii źródła 

®

 

 

9  

 

 

 

 

U

1

U

2

U

0

Z

2L

Z

0L

I

2j

I

1j

Z

1L

U

1j

U

0j

 

E

1

E

2

Z

2sys

E

0

Z

0sys

I

2

I

1

Z

1sys

I

0

U

1i

Z

1i

I

1i

I

2i

U

2i

Z

2i

I

0i

U

0i

Z

0i

U

2j

I

0j

3Z

z

 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

TL

N

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

i

Ni

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

Z

Z

⎥ ⎢

=

=

Z

Z

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

;

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.2 Zwarcie3f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND 

 

 

 
 
 
 
 
 

®

 

 

10  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Zwarcie 3f za odbiornikiem 3f Y-GND 

Obwody składowych symetrycznych przy 

założeniu możliwości niesymetrii źródła 

Obwody składowych symetrycznych przy założeniu 

symetrii źródła 

®

 

 

11  

 

 

 

 

U

1

U

2

U

0

Z

2L

Z

0L

I

2j

I

1j

Z

1L

U

1j

U

0j

 

E

1

E

2

Z

2sys

E

0

Z

0sys

I

2

I

1

Z

1sys

I

0

U

1i

Z

1i

I

1i

I

2i

U

2i

Z

2i

I

0i

U

0i

Z

0i

U

2j

I

0j

Z

z

I

1j

Z

z

I

2j

I

0j

=0

Z

z

 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

TL

N

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

i

Ni

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

Z

Z

⎥ ⎢

=

=

Z

Z

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

;

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

Impedancje składowej zerowej sieci oraz odbiornika zawierają element impedancji punktów neutralnych 
ze względu na układ połączenia odbiornika Y-GND. Dla połączeń Y bądź  ∆ składowa zerowa prądu 
odbiornika i sieci nie wystąpi chyba, że rozpatrywane zwarcie będzie doziemne. Wtedy ujawni się w 
składowej zerowej impedancji sieci element impedancja punktu neutralnego sieci ze względu udział ziemi 
w przepływie prądu zwarciowego. 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.3 Zwarcie3f-GND w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

12  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Zwarcie 3f-GND za odbiornikiem 3f Y-GND 

Obwody składowych symetrycznych przy 

założeniu możliwości niesymetrii źródła 

Obwody składowych symetrycznych przy założeniu 

symetrii źródła 

 

 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

TL

N

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

i

Ni

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

®

 

 

13  

 

 

 

 

Z

Z

⎥ ⎢

=

=

Z

Z

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

;

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

Impedancje składowej zerowej sieci oraz odbiornika zawierają element impedancji punktów neutralnych 
ze względu na układ połączenia odbiornika Y-GND. Ponadto zwarcie ma charakter doziemny, więc 
obecność impedancji punktu neutralnego sieci jest tu dodatkowo potwierdzona. Co prawda przy 
symetrycznym zasilaniu i założonych na wstępie warunków symetrii dla poszczególnych składników 
obwodu, w tym zwarcia, obwód składowej zgodnej nie jest aktywny, podobnie jak składowej przeciwnej. 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.4 Zwarcie2f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y-GND 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

14  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Zwarcie 2f za odbiornikiem 3f Y-GND 

Obwody składowych symetrycznych przy 

założeniu możliwości niesymetrii źródła 

Obwody składowych symetrycznych przy założeniu 

symetrii źródła 

U

1

U

2

U

0

Z

2L

Z

0L

I

2j

I

1j

Z

1L

®

 

 

15  

 

 

 

 

U

1j

U

0j

E

1

E

2

Z

2sys

E

0

Z

0sys

I

2

I

1

Z

1sys

I

0

U

1i

Z

1i

I

1i

I

2i

U

2i

Z

2i

I

0i

U

0i

Z

0i

U

2j

I

0j

Z

z

I

0j

=0

Z

z

I

1j

=-I

2j

 

 

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

TL

N

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

0

1

2

3

0

0

0

0

0

0

i

Ni

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

;

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

Impedancje składowej zerowej sieci oraz odbiornika zawierają element impedancji punktów neutralnych 
ze względu na układ połączenia odbiornika Y-GND. Dla połączeń Y bądź  ∆ składowa zerowa prądu 
odbiornika i sieci nie wystąpi chyba, że rozpatrywane zwarcie będzie doziemne.  

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.5 Zwarcie2f w linii za odbiornikiem gwiazdowym 3f Y 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

16  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Zwarcie 2f za odbiornikiem 3f Y 

Obwody składowych symetrycznych przy 

założeniu możliwości niesymetrii źródła 

Obwody składowych symetrycznych przy założeniu 

symetrii źródła 

 

 

0

1

2

0

0

0

0

0

0

TL

TL

TL

TL

STL

TL

TL

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

0

1

2

0

0

0

0

0

0

i

i

i

i

Si

i

i

Z

Z

⎤ ⎡

®

 

 

17  

 

 

 

 

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

Z

Z

⎥ ⎢

=

=

Z

Z

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

;

0

1

2

0

0

0

0

0

0

L

L

L

L

SL

L

L

Z

Z

Z

Z

Z

Z

⎤ ⎡

⎥ ⎢

=

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

Z

 

Impedancje składowej zerowej sieci oraz odbiornika nie zawierają elementów impedancji punktów 
neutralnych ze względu na układ połączenia odbiornika Y, a rozpatrywane zwarcie nie jest doziemne.