Анализ поведения заземляющего трансформатора при однофазном замыкании на землю в системе

1 Теоретический анализ

В распределительных сетях заземляющие трансформаторы выполняют две ключевые функции: питание низковольтных нагрузок и подключение дугогасительных катушек на нейтрали для защиты от заземления. Заземляющие неисправности, наиболее распространенные неисправности в распределительных сетях, существенно влияют на эксплуатационные характеристики трансформаторов, вызывая резкие изменения электромагнитных параметров и состояния. Для изучения динамического поведения трансформаторов при однофазных заземляющих неисправностях построим следующую модель: предположим, что внутренние характеристики трансформатора остаются стабильными при однофазных неисправностях на стороне низкого напряжения. Затем выведем правила его работы через механизм компенсации дугогасительной катушки. Связанные материалы включают: Рисунок 1 (физическая структура трансформатора), Рисунок 2 (эквивалентная схема системы при однофазной неисправности) и Рисунок 3 (эквивалентная схема работы трансформатора).

u представляет собой напряжение виртуального источника питания, и его формула расчета следующая:

В формуле:U_m — амплитуда напряжения шины; w₀ — угловая частота промышленной частоты; w₀ — фазовый угол напряжения, генерируемый после того, как система испытывает однофазную заземляющую неисправность. В течение этапа горения дуги, ток i_L дугогасительной катушки равен:

В формуле: δ1 — коэффициент затухания; IL — амплитуда тока системы и индуктивности; R1 — эквивалентное сопротивление основного трансформатора и линейного контура; e — фазовый угол напряжения при однофазной заземляющей неисправности; L — нулевая последовательная индуктивность заземляющего трансформатора и индуктивность дугогасительной катушки.

Существует корреляция между индуктивным током и степенью настройки в дугогасительной катушке, и можно вывести следующую формулу:

В формуле:i_C — компенсированный ток заземления; C — емкость к земле распределительной линии; v — степень настройки системы подстанции. Когда однофазная заземляющая неисправность системы находится в устойчивом состоянии заземления, индуктивный ток дугогасительной катушки стремится к стабилизации.

Объединяя вышеупомянутый анализ, можно вывести следующее уравнение:

В формуле:R_L — эквивалентное сопротивление основного трансформатора и линейного контура (оригинальное "эквивалентное индуктивное сопротивление" вероятно является опечаткой; исправлено на "эквивалентное сопротивление" на основе логики цепи; если это действительно индуктивное сопротивление, сохраните символ L_L); w₀  — угловая частота промышленной частоты.

Формулу (4) можно подставить в формулу (5) для расчета индуктивного тока, и получается следующая формула:

С учетом формулы (6), на этапе гашения дуги индуктивность дугогасительной катушки и емкость к земле распределительной линии соединены последовательно, и ток системы однороден. После возвращения индуктивного тока к норме формула расчета индуктивного тока следующая:

В формуле: u_C0+ — напряжение емкости к земле системы на этапе гашения дуги; i_L0+ — индуктивный ток, протекающий через дугогасительную катушку системы на этапе гашения дуги; w — резонансная угловая частота. На основании вышеуказанного анализа, на разных этапах однофазной заземляющей неисправности системы, факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики заземляющего трансформатора, различны, как показано в таблице 1.

2 Построение и проверка моделирования
2.1 Построение модели
Создание моделирования основано на параметрах заземляющего трансформатора в определенном регионе, как подробно указано в таблице 2. Параметры кабельной линии приведены в таблице 3.

2.2 Проверка модели

При проверке модели, чтобы обеспечить достоверность и действенность исследования, можно установить однофазную заземляющую неисправность системы на расстоянии 4 км от кабельной линии 1 A и шины 10 кВ. Фазовый угол неисправности принимается за 90°. Используя созданную модель, можно получить нулевые последовательные токи различных линий при однофазной заземляющей неисправности системы, как подробно указано в таблице 4.

При возникновении однофазной заземляющей неисправности в системе формула расчета емкостного тока различных линий заземляющего трансформатора следующая:

С учетом данных в таблице 4, при возникновении однофазной заземляющей неисправности в системе максимальная погрешность между значением нулевого последовательного тока неисправной линии, полученным при моделировании, и рассчитанным значением фактического емкостного тока к земле составляет -0.848%, и нет значительных различий.

3 Моделирование и анализ эксплуатационных характеристик
3.1 Влияние начального фазового угла неисправности

На этапе горения дуги трехфазные напряжения значительно деформируются. Напряжения фаз A, B и C увеличиваются, расширяя начальный фазовый угол неисправности и увеличивая искажение напряжения. В устойчивой стадии больший начальный фазовый угол сокращает время стабилизации трехфазного напряжения. На этапе гашения дуги, несмотря на разные начальные фазовые углы, изменения фазовых напряжений одинаковы: напряжение фазы A возрастает до нормальной амплитуды; напряжение фазы B снижается до нормальной; напряжение фазы C сначала снижается ниже нормальной, затем возрастает обратно. Для токов: на первом этапе горения дуги больший начальный фазовый угол уменьшает изменение трехфазных токов; в устойчивой стадии он увеличивает изменение; на этапе гашения дуги изменения токов одинаковы, независимо от начальных фазовых углов.

3.2 Влияние переходного сопротивления

На этапе горения дуги при однофазной заземляющей неисправности меньшее переходное сопротивление заземляющего трансформатора увеличивает изменение трехфазных напряжений; в устойчивой стадии оно усиливает изменение напряжения (амплитуды фаз B и C меньше). На этапе гашения дуги трехфазные напряжения одинаковы при разных сопротивлениях: напряжение фазы A достигает нормальной амплитуды, напряжение фазы B снижается до нормальной, напряжение фазы C сначала снижается, затем возрастает. Для токов: на этапе горения дуги меньшее сопротивление увеличивает амплитуду трехфазных токов. На первом этапе (большое сопротивление) амплитуда тока мала; на втором (малое сопротивление) амплитуда тока велика; на третьем этапе, когда дугогасительная катушка остановлена, токи фаз A и C сначала снижаются, затем возвращаются к нормальным значениям.

4 Заключение

Однофазная заземляющая неисправность в системе подстанции увеличивает трехфазные токи на стороне заземляющего трансформатора (фазы согласованы, оборудование не повреждается). Чтобы обеспечить стабильное и безопасное энергоснабжение, необходимо понимать работу трансформатора и влияние факторов после неисправностей. Поскольку работа подстанции зависит от множества факторов, энергетические предприятия должны уделять приоритетное внимание осмотру систем, улучшать работу по осмотру, обеспечивать эксплуатацию распределительных линий, устранять однофазные заземляющие неисправности и поддерживать повседневную жизнь.