Ток нулевой, обратной и прямой последовательности
Содержание
Тем, кто хочет знать, что такое ток нулевой последовательности, следует понимать, что он может возникнуть только в трехфазной цепи. Такая цепь питается переменным синусоидальным током. Так называют периодический ток, изменяющийся по закону синусоидальной функции. Трехфазная цепь — это электрическая цепь, в которой проходят 3 синусоидальных напряжения, сдвинутые по фазе на 120 градусов.
Токи прямой, обратной и нулевой последовательности
Векторная диаграмма трехфазной цепи похожа на звездочку, у которой 3 луча. Если между фазами наблюдается равенство между токами и напряжениями, то система является симметричной. Геометрическая сумма векторов в этом случае будет равна нулю.
В нормальном рабочем режиме трехфазная система напряжений является симметричной. Но если возникает короткое замыкание, симметрия нарушается. Распознавать виды КЗ и проводить расчеты удобно с помощью метода симметричных составляющих. Он заключается в том, что произвольную несимметричную систему, включающую три вектора напряжения (тока), можно представить в виде трех симметричных систем:
- Напряжение (ток) обратной последовательности.
- Напряжение (ток) прямой последовательности.
- Напряжение (ток) нулевой последовательности.
Диаграмма прямой последовательности изображается с помощью трех векторов одинаковой величины, с фазовым сдвигом 120 градусов и вращающихся против часовой стрелки. Смена фаз происходит по часовой стрелке в очередности А-В-С. Аналогично изображается диаграмма для обратной последовательности, но фазы чередуются в другом порядке: С-В-А.
Нулевая последовательность — это трехфазная цепь, в которой все напряжения имеют одинаковую фазу. Поэтому вектора токов направлены в одну сторону. Токи и напряжения одинаковы по величине. На вопрос, что такое напряжение нулевой последовательности, можно ответить так: это напряжение, которое образуют токи нулевой последовательности.
Чтобы изобразить диаграмму фазовых токов, нужно конец второго вектора соединить с концом первого. Дальше окончание третьего вектора также соединить с окончанием первого. В результате получается равносторонний треугольник. При суммировании векторов выходит нуль.
При разложении какой-либо несимметричной системы линейных напряжений никогда не получится выделить составляющую нулевой последовательности. Это обусловлено тем, что векторы несимметричной системы всегда образуют замкнутый треугольник, независимо от степени несимметрии, поэтому их геометрическая сумма всегда равна нулю.
Следовательно, ток прямой последовательности протекает в цепи, вектора на диаграмме которой имеют последовательность A-B-C. Его образует напряжение прямой последовательности.
Ток обратной последовательности протекает в цепи, диаграмма которой изображается векторами с последовательностью C-B-A. Его образует напряжение обратной последовательности.
Разложение трехфазной системы на токи прямой, обратной и нулевой последовательности — это удобный метод моделирования реальных физических процессов, которые могут появиться при несимметричных режимах электроцепей.
Особенности возникновения нулевого тока и напряжения
Нулевую систему токов несложно представить в виде трех однофазных токов. Для них прямым проводом является каждый из трех проводов трехфазной цепи, а обратным служит четвертый (нулевой) или земля. Ток нулевой последовательности можно выразить с помощью такого уравнения:
Напряжение нулевой последовательности зависит от того, в каком положении нейтраль находится относительно земли. Если в цепи симметрия, напряжение нулевое.
Физический смысл тока нулевой последовательности заключается в том, что ток нейтрали находится под воздействием напряжения нейтрали. Если происходит однофазное замыкание на землю, система становится несимметричной и появляются токи нулевой последовательности I0 и U0. Иногда можно встретить понятие «утроенное значение». То есть, значение тока в 3 раза больше изначального. Обычно вместе с понятием утроенного значения можно увидеть 2 комбинации цифр и букв: 3U0 и 3I0. Эти токи возникают при КЗ.
В трансформаторных устройствах магнитные потоки нулевой последовательности имеют одну и ту же фазу. У них нет возможности замкнуться по сердечнику, поэтому они замыкаются по воздуху. Если магнитные потоки имеют обратную или прямую последовательность, у них есть возможность замкнуться по сердечнику.
В электромашинах магнитное поле возникает под воздействием токов прямой последовательности и вращается синхронно с ротором. Образование обратно-синхронного МП происходит за счет токов обратной последовательности. Нулевые токи создают поле рассеяния обмотки якоря. В реальности все поля, причиной возникновения которых является ток нулевой, прямой и обратной последовательности, накладываются друг на друга и образовывают общее магнитное поле электромашины.
Суть токовой защиты
Токовую защиту нулевой последовательности (ТЗНП) используют с целью защиты высоковольтных линий от однофазных КЗ. Основная задача такой защиты — контроль значения 3I0 на линии электросети. Если этот параметр достигает определенной величины, происходит автоматическое отключение линии с заданной выдержкой времени. Токи небаланса 3I0 могут появиться в результате обрыва одного из фазных проводов и его падения на землю.
Обычно ТЗНП не может определить конкретное место повреждения. Она лишь говорит о том, что поломка произошла. Чтобы узнать точное место проблемы, используют направленную защиту. Она основывается на токе и напряжении, возникающих в результате нулевой последовательности.
Как правило, ТЗНП используется совместно с дистанционной защитой. Устройства, на основании которых строятся данные защиты, реализовываются или на электромеханических реле, или на современных микропроцессорных терминалах.
Принцип работы ТЗНП
Все виды релейных защит на основе токов нулевой последовательности строятся по одному принципу. На рисунке ниже представлена схема такой защиты.
Реле T подключается ко вторичным контурам трансформатора. Последние соединены по схеме «звезда». При возникновении нулевых токов, нулевой провод отфильтровывает их. Если ток в системе равномерно распределяется, то электричество на реле Т отсутствует, а в случае замыкания появится реакция трансформатора ТT. В итоге электроток пойдет по нулевому проводу. Это и есть тот элемент последовательности нуля, в результате которого возбуждается обмотка реле T.
Дальше следует выдержка времени, зависящая от параметров реле В. Когда пройдет установленный интервал времени, сигнал поступит из токовой защиты к коммутационной установке У, отключающей сеть от напряжения. Существуют и более сложные варианты защиты, в составе которых могут присутствовать реле мощности, позволяющие реализовывать защиту по направлению.
При использовании ТЗНП, если появится междуфазное повреждение, симметрия системы не нарушится, изменится лишь величина токов. Трансформатор будет продолжать компенсировать токи, направляющиеся в нулевой провод. Преимуществом данной схемы является то, что сохраняется симметрия системы, поэтому защита не срабатывает, даже если рабочие токи достигают максимального значения
Однако магнитные параметры трансформаторов могут существенно отличаться, поэтому в системе может возникнуть дисбаланс. В этом случае по нулевому проводу будет проходить ток небаланса и это может стать причиной ложного срабатывания токовой защиты, даже если в сети соблюдается номинальный режим питания.
Как подобрать трансформаторы
Небаланс влияет на работу токовой защиты. Поэтому трансформаторы подбираются с таким расчетом, чтобы их вторичные токи не создавали перетоков. ТТ должен соответствовать нескольким параметрам:
- Наличие идентичных кривых гистерезиса.
- На вторичные цепи должна ложиться равная нагрузка.
- На границах участков цепи погрешность должна быть не более 10%.
Ко вторичным сетям нельзя подводить нагрузку, если из-за последней кривая намагничивания искажается. Это справедливо даже при искажении всего одного ТТ. В реальной жизни при возникновении токов срабатывания от симметричной системы меняют не один, а все трансформаторы.
Если токовая защита активируется, когда возникают токи нулевой последовательности, ее задействуют в линиях, где нейтраль заземлена. Причина этому — возникновение очень высоких токов КЗ. Если нейтраль изолированная, то ТЗНП не устанавливают.
Системы ТЗНП широко применяются:
- В электроцепях крупных промышленных предприятий, использующих трехфазное силовое оборудование.
- В распределительных устройствах подстанций разного вида, в том числе трансформаторных и переключающих.
- Для защиты силового оборудования, с помощью которого реализовываются шины районных подстанций.
Как выбирают установки для ТЗНП
На практике часто необходимо ступенчато вывести токовую линию. В таких случаях токовая защита, которая регулирует нулевую последовательность, должна соответствовать селективности срабатывания. Селективность — это выключение элементов цепи в определенной последовательности. Это нужно, чтобы определить точку повреждения и выделить проблемный участок. Последовательность определяется по значительности повреждения. Для защиты выбирают уставки срабатывания. Основной фактор, по которому они работают, время.
На основании выше приведенной схемы, можно сказать, что ТЗНП выстраивают таким же образом, как и при максимальной токовой защите. Разница лишь в том, что выдержка времени меньше. Задержка на каждой ступени на промежуток Δt больше, чем на предыдущей. Следовательно, чтобы согласовать первую токовую защиту со второй, нужно применить формулу t1 = t2+ Δt.
Чтобы рассчитать время срабатывания второй защиты по отношению к третьей, нужно воспользоваться формулой: t2 = t3+ Δt
Получается, что каждое реле, следующее после предыдущего, защищает цепь от поломок.
Бывают обмотки, которые строятся по схеме звезда-треугольник и звезда-звезда. В таких случаях ТЗНП первичных и вторичных цепей разные. Если обмотка низкая, а в линиях будет высокое напряжение, то составляющие нулевой последовательности, скорее всего, не появятся. Селективность каждого ТЗНП будет независима от других.
При использовании подобной схемы, если в цепи случается повреждение, оно остается на своем участке, не переходя на другие элементы. Таким образом, люди, которые работают с электрическими устройствами, находятся в безопасности. Главное, что должно присутствовать в каждой токовой защите — предотвращение ложных срабатываний системы.
(голосов: 2, средняя оценка: 3,50 из 5)
Загрузка...
