POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Laboratorium z Systemów i Sieci Elektroenergetycznych   Ćwiczenie nr 1 Temat: Badanie zakłóceń doziemnych w sieciach o nieskutecznie uziemionym punkcie neutralnym na modelu sieci elektroenergetycznej średniego napięcia
Rok akademicki:2005-2006  Wydział Elektryczny Studia zaoczne inżynierskie Rok studiów: IV Specjalność: Elektroenergetyka Specjalizacja : SS Semestr: VIII	Ćwiczenie opracował: Piotr Kosowicz	Data
				Wykonania ćwiczenia	Oddania sprawo - zdania
				12.03.2006
				Zaliczenie:

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskami elektrycznymi występującymi podczas zwarć jednofazowych z ziemią w sieci .

Przebieg ćwiczenia

1. Praca Linii nr 1 na biegu jałowym

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Ił
-	V	V	V	V	V	A
1	100	58	58	58	0	0,54

Założenie:

Przed zwarciem z ziemią w stanie jałowym w każdej chwili płyną prądy ładowania wyprzedzające odpowiednie napięcia o kąt 90°, co pokazano na wykresie wektorowym przy założeniu G_L= 0.

2. Doziemienia fazy L2 w linii nr 1 w przypadku izolowanego punktu neutralnego

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Iz	I1=3
-	V	V	V	V	V	A	A
1	100	100	0	100	58	1,62	0,92

Założenie:

Prąd zwarcia wg obliczeń
[A]

Prąd zwarcia wg pomiarów
[A]

Admitancja linii:

W sieci z izolowanym punktem neutralnym prąd ziemnozwarciowy jest prądem o charakterze pojemnościowym ( zał. G_L=0) . W obwodzie zwarciowym dominują admitancje poprzeczne faz nieuszkodzonych. Prądy te są na ogół małe. Zwarcie tego rodzaju, choć stanowi uszkodzenie linii, nie zawsze wymaga natychmiastowego przerwania przesyłu energii. Ze względu na występowanie łuku, powstawanie przepięć, napięć dotykowego i krokowego, przeprowadza się obliczenia w celu określenia konieczności zastosowania urządzeń kompensujących działanie tych prądów.

W przypadku wystąpienia zwarcia metalicznego z ziemią przykładowo w fazie L₂, napięcie tej fazy względem ziemi maleje do zera. Napięcia faz nieuszkodzonych L₁ i L₃ względem ziemi wzrosną do wartości napięcia międzyfazowego, a napięcie punktu neutralnego, które przed zwarciem było równe 0, wzrośnie do wartości napięcia fazowego.

Na wykresie pokazano rozpływ prądów przy pominięciu konduktancji linii (G_l=0).

3. Dołączenie do doziemionej L2 w linii nr 1 linii nr 2

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Iz	I1=3
-	V	V	V	V	V	A	A
1	100	98	0	98	58,5	2,8	0,94

Admitancja linii 1 i 2:

Po dołączeniu linii nr 2 do linni nr 1 zauważamy wzrost admitancji dlatego możemy stwierdzić że każda dołączona linia powoduje wzrost prądu zwarciowego, a wyłączenie lini zmniejszenie prądu zwarciowego.

4. Zamiana doziemienia z L2 Linii nr 1 na L2 linii nr 2

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Iz	I1=3
-	V	V	V	V	V	A	A
1	100	-	-	-	58	1,1	0,94

Admitancja 2 linii z obliczeń tabeli:

Admitancja linii 2 wg poprzednich tabel:

5. Odłączenie Linii nr 2 i doziemienie poprzez dławik indukcyjny

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Izk	Idł	I1=3
-	V	V	V	V	V	A	A	A
1	100	98	0	100	58	1,5	0,145	0,93
2	100	98	0	100	58	1,3	0,34	0,93
3	100	98	0	100	58	1,1	0,57	0,93
4	100	98	0	100	58	0,9	0,74	0,93
5	100	98	0	100	58	0,7	0,98	0,93
6	100	98	0	100	58	0,5	1,25	0,93
7	100	98	0	100	58	0,35	1,55	0,93
8	100	98	0	100	58	0,4	1,70	0,93
9	100	98	0	100	58	0,5	1,85	0,93
10	100	98	0	100	58	0,7	2,15	0,93
11	100	98	0	100	58	0,9	2,35	0,93
12	100	98	0	100	58	1,1	2,55	0,93
13	100	98	0	100	58	1,3	2,77	0,93
14	100	98	0	100	58	1,5	2,95	0,93

Prąd resztkowy:

Prąd resztkowy przed zwarciem:

Sieci mające urządzenie wytwarzające prąd indukcyjny nazywają się skompensowanymi. Do wytworzenia w sieci indukcyjnego prądu kompensującego pojemnościowy prąd doziemienia stosuje się najczęściej dławiki gaszące. Dławik gaszący włącza się między punkt neutralny transformatora a jego uziemienie robocze. Podczas pracy normalnej punkt neutralny jest bez napięcia. Przez dławik prąd nie płynie. Przy zwarciu jednofazowym z ziemią w sieci z izolowanym punktem neutralnym, w punkcie neutralnym pojawia się napięcie fazowe. Pod wpływem tego napięcia przez dławik popłynie prąd o charakterze czynno-indukcyjnym z przewaga indukcyjności.

Prąd dławika i pojemnościowy prąd zwarcia kompensują się w punkcie zwarcia. Pełna kompensacja przy pominięciu konduktancji linii wystąpi:

Sytuacji tej odpowiada reaktancja indukcyjna dławika wynosząca:

W praktyce nie stosuje się pełnej kompensacji.

Zachodzące zjawiska zostały zobrazowane na wykresie wektorowym przy założeniu, że dławik jest idealny (R_dł = 0).(Rys.1)

Przed załączeniem dławika prąd zwarciowy pojemnościowy I_C i prąd o charakterze czynnym I_G płynący na skutek istnienia również pewnej kondunktancji linii, wyznaczają prąd zwarciowy wypadkowy I_Z. Sytuację po załączeniu dławika zobrazowano na wykresie na przykładzie trzech wartości prądu dławika I_dł1, I_dł2, I_dł3, którym odpowiadają wartości prądów zwarciowych po kompensacji I_zk1, I_zk2, I_zk3. Stan „1”odpowiada układowi nie w pełni skompensowanemu, stan „2” odpowiada prawie pełnej kompensacji a stan „3” układowi przekompensowanemu. W przypadku pełnej kompensacji płynie prąd I_zk, równy I_G. Jest on niewielki. Wartości prądu dławika muszą być tak dobrane, aby po kompensacji prąd zwarciowy powodujący łuk, umożliwił mu samogaszenie. Jeżeli jednak zgaszenie łuku będzie niemożliwe, wówczas praktykuje się wymuszenie dodatkowej składowej czynnej prądu przez załączenie równolegle z dławikiem rezystora. Większy prąd zwarciowy spowoduje zadziałanie zabezpieczeń. Wykorzystuje się tu tzw. automatykę wymuszania składowej czynnej AWSCz.

Reasumując można stwierdzić, że kompensacja prądu ziemnozwarciowego przez prąd dławika powoduje znaczne ograniczenie prądu płynącego w miejscu doziemienia, co przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa przeciwporażeniowego i bezpieczeństwa pracy urządzeń elektroenergetycznych. Dławik samoistnie „gasi” wiele zwarć doziemnych w momencie ich powstania. Indukcyjność dławika dobranego dla danego wycinka sieci elektroenergetycznej, na przykład zasilanej z określonego GPZ (Głównego Punktu Zasilania), zależy od pojemności tej sieci.

Wykres z uwzględnieniem R_dł (Rys.2)

6. Punkt neutralny uziemiony przez rezystor

Tabela pomiarowa:

L.p.	UP	UL1	UL2	UL3	U0	Iz	I1=3
-	V	V	V	V	V	A	A
1	100	98	0	100	58	2,1	0,93

Wadą kompensacji przez dławik jest powstawanie przepięć podczas doziemień, co ujemnie wpływa na linie kablowe i może spowodować na przykład powstanie kilku zwarć doziemnych jednocześnie w najsłabszych punktach sieci kablowej, albo przekształcenie się zwarcia jednofazowego w inny rodzaj zwarcia. Dlatego w ostatnich latach stosuje się w zakładach energetycznych coraz powszechniej uziemienie punktu neutralnego sieci SN przez rezystor. Uziemienie punktu neutralnego poprzez rezystor ma głównie na celu wymuszenie składowej czynnej prądu, powodującej podczas zwarcia zwiększenie prądu zwarciowego a tym samym szybsze zadziałanie zabezpieczeń i wyłączenie obwodu.

Przed wymuszeniem składowej czynnej przy zwarciu płynie w pętli zwarciowej prąd I_Z będący sumą geometryczną prądów I_C oraz I_G:

I_Z = I_C + I_G

przy czym

I_C - prąd pojemnościowy płynący między przewodem fazowym a ziemią,

I_G - prąd płynący przez konduktancję między przewodem fazowym a ziemią.

Prąd zwarciowy I_{Z WSCz} po wymuszeniu składowej czynnej I_WSCz będzie sumą geometryczną prądów I_Z oraz I_WSCz :

I_{Z WSCz} = I_Z + I_WSCz

Wykres wektorowy prądów dla zwarcia w sieci SN z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor. (Rys.3)

Większe wartości prądów zwarciowych stwarzają większe zagrożenie porażeniowe pochodzące od napięcia ziemi w pobliżu miejsca zwarcia oraz napięcia na elementach urządzeń normalnie niebędących pod napięciem. Dobór rezystancji rezystora uziemiającego jest kompromisem między czułym działaniem zabezpieczeń i mniejszymi przepięciami a zagrożeniem porażeniowym.

Z powyższych rozważań wynika, że przedstawiony sposób pracy punktu neutralnego sieci SN likwiduje przepięcia w sieci i znacznie poprawia ochronę sieci kablowych. Ma on jednak swoje ujemne następstwa, a wśród nich wzrost zagrożenia porażeniowego. Uziemienie punktu neutralnego sieci SN przez rezystor powinno być stosowane głównie do sieci kablowych. Najczęściej jednak z GPZ-ów zasilane są równocześnie linie napowietrzne i kablowe, a więc konieczne jest stosowanie automatyki SPZ (Samoczynnego Ponownego Załączenia). Uziemienie punktu neutralnego przez rezystor powoduje znaczny wzrost liczby działań tej automatyki, a tym samym wzrost liczby przerw w dostawie energii elektrycznej, które nawet przy krótkich czasach trwania, są uciążliwe dla wielu odbiorców. Rozwiązaniem przedstawionego problemu wydaje się łączenie równoległe dławika indukcyjnego i rezystora, o czym wspomniano już poprzednio. Ma ono połączyć zalety obu sposobów pracy sieci SN i wyeliminować ich wady.

7. Wnioski

• W ćwiczeniu badaliśmy zachowanie linii SN podczas zwarcia doziemnego jednej fazy z różnymi wariantami:

• załączenie linii na bieg jałowy - wszystkie napięcia i prądy w fazach są identyczne, zachowana jest symetria napięć i prądów

• zwarcie fazy 2 do ziemi - podskok napięcia w fazach „ zdrowych ” do napięcia przewodowego, prąd zwarcia wynosi
  

• zwarcie fazy 2 linii 1 załączenie linii 2 na bieg jałowy - podskok napięcia w fazach
  „zdrowych” do napięcia przewodowego, następuje zsumowanie admitancji linii połączonych równolegle odznaczające się wpływem na wartość prądu zwarciowego, który wzrasta do
  

• badanie zależności kompensacji linii - występują trzy przypadki : niedokompensowanie- włączenie za małej pojemności co powoduje, że napięcie przewodowe nadal się utrzymuje zmniejsza się natomiast wartość prądu zwarciowego,

• skompensowanie- prąd zwarciowy zmniejsza się w znaczny sposób pozostaje tylko prąd resztkowy nie możliwy do skompensowania ze względu na występowanie pomiędzy fazą a ziemią nie tylko czystej pojemności, występuje również konduktancja

• przekompensowanie- zwielokrotnienie prądu zwarciowego, jak również zwiększenie strat

• badanie zależności linii i rezystora - uziemienie punktu neutralnego poprzez rezystor ma na celu wymuszenie składowej czynnej prądu, powodującej podczas zwarcia zwiększenie prądu zwarciowego a tym samym szybsze zadziałanie zabezpieczeń i wyłączenie obwodu.

• Rys 1(R_dł = 0)

Rys.2 Wykres wektorowy z uwzględnieniem R_dł

Rys.3 Wykres wektorowy prądów dla zwarcia w sieci SN z punktem neutralnym uziemionym przez rezystor.











I

C

U

C

U

I

C

U

I

I

I

C

U

I

I

f

f

Z

f

Z

o

Z

L

Z

f

Z

L

Z

L















































3

3

3

3

2

3

3

2

1

30

cos

2

1

3

0

0

0

1

0

3

1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0,15

0,34

0,57

0,74

0,98

1,25

1,55

1,7

1,85

2,15

2,35

2,55

2,77

2,95

charakter

czynno-pojemnościowy

charakter

czynno-indukcyjny

charakter czynny prądu zwarcia

r+dł

oś I

I

3G

I

I

rdł1

I

zdł2

I

rdł2

I

zdł3

I

rdł3

I

dł3

I

dł2

I

dł1

I

zk3

I

zk2

I

zk1

I

1G

dł

oś I

Z

I

G

I

G

I

L3z

I

L2

-U

L2

-U

L2

-U

L3z

U

L1z

U

c

I

L1z

L3

U

L2

U

L1

U

U

L1

U

L2

U

L3

L1z

I

c

U

L1z

U

L3z

-U

L2

-U

L2

-U

L2

I

L3z

I

G

I

G

I

Z

oś I

dł

1G

I

3G

I

zk1

I

zk2

I

zk3

I

I

dł1

I

dł2

I

dł3

I

Re

Im

zał.

R = 0

p

U

L1

U

L2

U

L3

I

L1z

I

Z

U

L1z

U

L3z

-U

L2

-U

L2

-U

L2

I

L3z

zał.

R = 0

p

G = 0

L

---