Электрическая неисправность

В электроэнергетической системе неисправностью является или током повреждения любой аномальный электрический ток . Например, короткое замыкание — это неисправность, при которой провод под напряжением касается нейтрального или заземляющего провода. Обрыв цепи возникает, если цепь прерывается из-за повреждения токоведущего провода (фазы или нейтрали) или перегорания предохранителя или автоматического выключателя . В трехфазных системах неисправность может затрагивать одну или несколько фаз и землю или может возникать только между фазами. При «замыкании на землю» или «замыкании на землю» ток течет в землю. Предполагаемый ток короткого замыкания прогнозируемой неисправности можно рассчитать для большинства ситуаций. В энергосистемах защитные устройства могут обнаруживать неисправности и управлять автоматическими выключателями и другими устройствами, чтобы ограничить потерю обслуживания из-за сбоя.

В многофазной системе неисправность может одинаково влиять на все фазы, что является «симметричной неисправностью». Если затронуты только некоторые фазы, возникшую «асимметричную неисправность» становится сложнее анализировать. Анализ этих типов неисправностей часто упрощается за счет использования таких методов, как симметричные компоненты .

Разработка систем обнаружения и устранения неисправностей энергосистемы является основной целью защиты энергосистемы .

Временная неисправность

– Временная неисправность это неисправность, которая больше не присутствует, если питание отключается на короткое время, а затем восстанавливается; или повреждение изоляции, которое лишь временно влияет на диэлектрические свойства устройства, которые восстанавливаются через короткое время. Многие неисправности в воздушных линиях электропередачи носят кратковременный характер. При возникновении неисправности оборудование, используемое для защиты энергосистемы, срабатывает, чтобы изолировать зону неисправности. После этого временная неисправность будет устранена, и линию электропередачи можно будет вернуть в эксплуатацию. Типичные примеры временных неисправностей включают в себя:

мгновенный контакт с деревом
контакт с птицей или другим животным
удар молнии
столкновение проводников

В системах передачи и распределения используется функция автоматического повторного включения, которая обычно используется на воздушных линиях, чтобы попытаться восстановить электропитание в случае кратковременного сбоя. Эта функция не так распространена в подземных системах, поскольку неисправности обычно носят постоянный характер. Переходные неисправности могут по-прежнему вызывать повреждения как в месте первоначального повреждения, так и в других частях сети, поскольку генерируется ток повреждения.

Постоянная неисправность

Постоянная неисправность присутствует независимо от подаваемого питания. Повреждения в подземных силовых кабелях чаще всего носят стойкий характер из-за механического повреждения кабеля, но иногда носят преходящий характер из-за воздействия молнии. ^[1]

Виды неисправностей

Асимметричный разлом

Асимметричное не влияет одинаково на каждую или несбалансированное замыкание из фаз. Распространенные типы асимметричных неисправностей и их причины:

Межфазное замыкание — короткое замыкание между линиями, вызванное ионизацией воздуха или при физическом контакте линий, например из-за пробоя изолятора . Примерно 5–10% неисправностей линий электропередачи составляют асимметричные межлинейные неисправности. ^[2]
замыкание между линией и землей — короткое замыкание между одной линией и землей, очень часто вызываемое физическим контактом, например, из-за удара молнии или другого грозового повреждения. Примерно 65–70% повреждений линий электропередачи составляют асимметричные замыкания на землю. ^[2]
двойное замыкание на землю - две линии соприкасаются с землей (и друг с другом), также обычно из-за повреждения ураганом. Примерно 15–20% повреждений линий электропередачи составляют асимметричная двойная линия-земля. ^[2]

Симметричный разлом

Симметричное одинаково влияет на каждую из или сбалансированное замыкание фаз. Примерно 5% неисправностей линий электропередачи являются симметричными. ^[3] Эти разломы редки по сравнению с асимметричными разломами. Двумя видами симметричных замыканий являются линия-линия-линия (LLL) и линия-линия-линия-земля (LLLG). Симметричные неисправности составляют от 2 до 5% всех неисправностей системы. Однако они могут привести к очень серьезному повреждению оборудования, даже если система остается сбалансированной.

Болтовой дефект

Одним из крайних случаев является ситуация, когда сопротивление повреждения равно нулю, что дает максимальный предполагаемый ток короткого замыкания . Теоретически все проводники считаются соединенными с землей, как будто металлическим проводником; это называется «завинченной неисправностью». В хорошо спроектированной энергосистеме было бы необычно иметь металлическое короткое замыкание на землю, но такие неисправности могут возникнуть случайно. В одном из типов защиты линий электропередачи намеренно вводится «болтовое замыкание» для ускорения работы защитных устройств.

Замыкание на землю (замыкание на землю)

Замыканием на землю (замыканием на землю) является любое повреждение, допускающее непреднамеренное соединение проводников силовой цепи с землей. ^{[ нужна ссылка ]} Такие неисправности могут вызвать нежелательные циркулирующие токи или привести к попаданию в корпуса оборудования опасного напряжения. Некоторые специальные системы распределения электроэнергии могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать одиночное замыкание на землю и продолжать работу. В таких случаях правила проводки могут требовать, чтобы устройство контроля изоляции подавало сигнал тревоги, чтобы можно было определить и устранить причину замыкания на землю. Если в такой системе возникнет второе замыкание на землю, это может привести к перегрузке по току или выходу из строя компонентов. Даже в системах, которые обычно подключаются к земле для ограничения перенапряжений , в некоторых приложениях требуется прерыватель замыкания на землю или подобное устройство для обнаружения замыканий на землю.

Реалистичные неисправности

Реально сопротивление при повреждении может быть от близкого к нулю до довольно высокого по сравнению с сопротивлением нагрузки. При повреждении может потребляться большое количество энергии по сравнению со случаем с нулевым импедансом, когда мощность равна нулю. Кроме того, дуги очень нелинейны, поэтому простое сопротивление не является хорошей моделью. Для хорошего анализа необходимо рассмотреть все возможные случаи. ^[4]

Дуговая неисправность

Если напряжение в системе достаточно высокое, электрическая дуга между проводниками энергосистемы и землей может образоваться . Такая дуга может иметь относительно высокий импеданс (по сравнению с нормальными рабочими уровнями системы), и ее может быть трудно обнаружить с помощью простой защиты от перегрузки по току. Например, дуга в несколько сотен ампер в цепи, обычно пропускающей тысячу ампер, может не отключить автоматические выключатели сверхтока, но может нанести огромный ущерб шинам или кабелям, прежде чем произойдет полное короткое замыкание. Коммунальные, промышленные и коммерческие энергосистемы имеют дополнительные устройства защиты для обнаружения относительно небольших, но нежелательных токов, уходящих на землю. В жилой электропроводке электротехнические правила теперь могут требовать наличия прерывателей дугового замыкания в цепях проводки здания, чтобы обнаруживать небольшие дуги до того, как они вызовут повреждение или пожар. Например, эти меры принимаются в местах с проточной водой.

Анализ

Симметричные повреждения можно анализировать теми же методами, что и любые другие явления в энергосистемах, и на самом деле существует множество программных инструментов, позволяющих автоматически выполнять этот тип анализа (см. Исследование потока мощности ). Однако есть другой метод, который не менее точен и обычно более поучителен.

Прежде всего, сделаны некоторые упрощающие предположения. Предполагается, что все электрические генераторы в системе находятся в фазе и работают при номинальном напряжении системы. Электродвигатели также можно считать генераторами, поскольку при возникновении неисправности они обычно подают, а не потребляют энергию. напряжения и токи рассчитываются Затем для этого базового случая .

Далее считается, что на место повреждения подается источник отрицательного напряжения, равный напряжению в этом месте в базовом случае, в то время как все остальные источники устанавливаются на ноль. Этот метод использует принцип суперпозиции .

Для получения более точного результата эти расчеты следует проводить отдельно для трех отдельных временных диапазонов:

субпереходный процесс является первым и связан с наибольшими токами.
переходный процесс происходит между субпереходным и установившимся состоянием
установившееся состояние наступает после того, как все переходные процессы успели урегулироваться

Асимметричное замыкание нарушает основные предположения, используемые в трехфазном питании, а именно, что нагрузка сбалансирована на всех трех фазах. Следовательно, невозможно напрямую использовать такие инструменты, как однолинейная схема , где рассматривается только одна фаза. Однако из-за линейности энергосистем принято рассматривать результирующие напряжения и токи как суперпозицию симметричных составляющих , к которым можно применить трехфазный анализ.

В методе симметричных составляющих энергосистема рассматривается как суперпозиция трех составляющих:

компонент положительной последовательности , в котором фазы расположены в том же порядке, что и в исходной системе, т. е. abc
компонент обратной последовательности , в котором фазы расположены в порядке, противоположном исходной системе, т. е. acb
компонент нулевой последовательности , который на самом деле не является трехфазной системой, но вместо этого все три фазы находятся в фазе друг с другом.

Чтобы определить токи, возникающие в результате асимметричного замыкания, необходимо сначала знать единичные импедансы нулевой, положительной и обратной последовательности задействованных линий передачи, генераторов и трансформаторов. Затем с использованием этих импедансов строятся три отдельные цепи. Затем отдельные цепи соединяются вместе в определенном порядке, который зависит от типа изучаемого повреждения (это можно найти в большинстве учебников по энергосистемам). После правильного подключения цепей последовательности сеть можно анализировать с использованием классических методов анализа цепей. Результатом решения являются напряжения и токи, которые существуют как симметричные компоненты; с помощью A. матрицы они должны быть преобразованы обратно в значения фазы

Анализ предполагаемого тока короткого замыкания необходим для выбора защитных устройств, таких как предохранители и автоматические выключатели . Если цепь должна быть должным образом защищена, ток повреждения должен быть достаточно высоким, чтобы сработать защитное устройство в течение как можно более короткого времени; Кроме того, защитное устройство должно быть способно выдерживать ток повреждения и гасить возникающие дуги, не разрушаясь и не поддерживая дугу в течение значительного периода времени.

Величина токов повреждения сильно различается в зависимости от типа используемой системы заземления, типа источника питания установки и системы заземления, а также ее близости к источнику питания. Например, для внутреннего источника питания TN-S 230 В, 60 А в Великобритании или 120/240 В в США токи повреждения могут составлять несколько тысяч ампер. Крупные низковольтные сети с несколькими источниками могут иметь уровень неисправности до 300 000 ампер. Система с заземлением с высоким сопротивлением может ограничить ток замыкания на землю до 5 ампер. Перед выбором защитных устройств необходимо надежно измерить предполагаемый ток повреждения в начале установки и в самой дальней точке каждой цепи, и эту информацию правильно применить к применению цепей.

Обнаружение и локализация неисправностей

Воздушные линии электропередач легче всего диагностировать, поскольку проблема обычно очевидна, например, дерево упало на линию или сломался опорный столб, а проводники лежат на земле.

Обнаружение неисправностей в кабельной системе может осуществляться либо при обесточенной цепи, либо, в некоторых случаях, при находящейся под напряжением цепи. Методы определения места повреждения можно в общих чертах разделить на методы с терминалами, в которых используются напряжения и токи, измеряемые на концах кабеля, и методы трассировки, которые требуют проверки по всей длине кабеля. Методы терминалов можно использовать для определения общей зоны повреждения, чтобы ускорить поиск на длинном или подземном кабеле. ^[5]

В очень простых системах электропроводки место неисправности часто обнаруживается путем осмотра проводов. В сложных системах электропроводки (например, проводке самолета), где провода могут быть скрыты, неисправности проводки обнаруживаются с помощью рефлектометра во временной области . ^[6] Рефлектометр во временной области посылает импульс по проводу, а затем анализирует возвращающийся отраженный импульс для выявления неисправностей в электрическом проводе.

В исторических подводных телеграфных кабелях чувствительные гальванометры для измерения токов повреждения использовались ; путем тестирования на обоих концах неисправного кабеля место повреждения можно было изолировать с точностью до нескольких миль, что позволило захватить и отремонтировать кабель. Петля Мюррея и петля Варли представляли собой два типа соединений для обнаружения повреждений в кабелях.

Иногда повреждение изоляции силового кабеля не проявляется при более низких напряжениях. Испытательный комплект «Тампер» подает на кабель высокоэнергетический импульс высокого напряжения. Обнаружение неисправности осуществляется путем прослушивания звука разряда в месте повреждения. Хотя это испытание способствует повреждению участка кабеля, оно практично, поскольку в любом случае место повреждения необходимо будет повторно изолировать, если оно будет обнаружено. ^[7]

В распределительной системе с заземлением с высоким сопротивлением в фидере может возникнуть замыкание на землю, но система продолжает работать. кольцевого типа, Выявить неисправный, но находящийся под напряжением фидер можно с помощью трансформатора тока собирающего все фазные провода цепи; только цепь, содержащая замыкание на землю, будет показывать чистый несбалансированный ток. Чтобы облегчить обнаружение тока замыкания на землю, заземляющий резистор системы можно переключать между двумя значениями, чтобы ток замыкания на землю пульсировал.

Батареи

Предполагаемый ток повреждения более крупных батарей, таких как батареи глубокого разряда, используемые в автономных энергосистемах , часто указывается производителем.

В Австралии, если эта информация не предоставлена, предполагаемый ток короткого замыкания в амперах «следует считать в 6 раз превышающим номинальную емкость аккумулятора при токе C ₁₂₀ А·ч» согласно AS 4086, часть 2 (Приложение H).

См. также

Ссылки

^ Паолоне, М.; Петраке, Э.; Рачиди, Ф.; Нуччи, Калифорния; Раков В.; Умань, М.; Джордан, Д.; Рэмбо, К.; Джерольд, Дж.; Ниффелер, М.; Шене, Дж. (август 2005 г.). «Помехи, вызванные молнией, в подземных кабелях — Часть II: Эксперимент и проверка модели» (PDF) . Транзакции IEEE по электромагнитной совместимости . 47 (3): 509–520. дои : 10.1109/TEMC.2005.853163 . S2CID 19773175 . Проверено 11 ноября 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Каковы различные типы неисправностей в электроэнергетических системах?» . ЭлПроКус — Электронные проекты для студентов-инженеров . 5 февраля 2014 г.
^ Грейнджер, Джон Дж. (2003). Анализ энергосистемы . Тата МакГроу-Хилл. п. 380. ИСБН 978-0-07-058515-7 .
^ «РАСЛЕДОВАНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ, ВЫЗВАННЫХ ДЕРЕВЬЯМИ | Информация о надежности и безопасности от TDWorld» . ТДВорлд .
^ Мурари Мохан Саха, Ян Изиковски, Расположение разлома Евгениуша Росоловского в энергетических сетях Springer, 2009 г. ISBN 1-84882-885-3 , стр. 339
^ Смит, Пол, Фёрс, Синтия и Гюнтер, Джейкоб. «Анализ рефлектометрии с расширенным спектром во временной области для определения места повреждения провода». Журнал датчиков IEEE. Декабрь 2005 г.
^ Эдвард Дж. Тайлер, Национальный оценщик электротехники, 2005 г. , Craftsman Book Company, 2004 г. ISBN 1-57218-143-5 стр. 90

Общий

Гловер, доктор медицинских наук; Сарма, М.С. (2002). Анализ и проектирование энергетических систем . Брукс/Коул. ISBN 0-534-95367-0 .
Бертон, Анализ мощности GC .

[1] Паолоне, М.; Петраке, Э.; Рачиди, Ф.; Нуччи, Калифорния; Раков В.; Умань, М.; Джордан, Д.; Рэмбо, К.; Джерольд, Дж.; Ниффелер, М.; Шене, Дж. (август 2005 г.). «Помехи, вызванные молнией, в подземных кабелях — Часть II: Эксперимент и проверка модели» (PDF) . Транзакции IEEE по электромагнитной совместимости . 47 (3): 509–520. дои : 10.1109/TEMC.2005.853163 . S2CID 19773175 . Проверено 11 ноября 2022 г.

[auto-2] Jump up to: ^а ^б ^с «Каковы различные типы неисправностей в электроэнергетических системах?» . ЭлПроКус — Электронные проекты для студентов-инженеров . 5 февраля 2014 г.

[3] Грейнджер, Джон Дж. (2003). Анализ энергосистемы . Тата МакГроу-Хилл. п. 380. ИСБН 978-0-07-058515-7 .

[4] «РАСЛЕДОВАНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ, ВЫЗВАННЫХ ДЕРЕВЬЯМИ | Информация о надежности и безопасности от TDWorld» . ТДВорлд .

[5] Мурари Мохан Саха, Ян Изиковски, Расположение разлома Евгениуша Росоловского в энергетических сетях Springer, 2009 г. ISBN 1-84882-885-3 , стр. 339

[6] Смит, Пол, Фёрс, Синтия и Гюнтер, Джейкоб. «Анализ рефлектометрии с расширенным спектром во временной области для определения места повреждения провода». Журнал датчиков IEEE. Декабрь 2005 г.

[7] Эдвард Дж. Тайлер, Национальный оценщик электротехники, 2005 г. , Craftsman Book Company, 2004 г. ISBN 1-57218-143-5 стр. 90

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]