Комплекс заземления нейтрали сети 35 кВ (стр. 3 из 8)
Рис.1. 6. Схема сети с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании на землю
Подбирая соответствующее значение индуктивности реактора Lк, можно добиться равенства емкостной и индуктивной составляющих тока замыкания (осуществить компенсацию емкостного тока замыкания). Компенсация наступит, если выполняется условие
(1.3)где w = 314 рад–1 – промышленная частота.
Реактор в сети играет двойную роль. При компенсации снижение тока до остаточного значения Iост, обусловленного активными потерями в сети, способствует самопогасанию дуги в месте замыкания. Кроме того, реактор резко снижает скорость восстановления напряжения на дуге.
Значение остаточного тока Iост можно определить по схеме замещения (рис. 1.7). В этой схеме Lк – индуктивность замыкающего реактора; g – активная проводимость, учитывающая активные потери в реакторе и сети; источник напряжения имеет значение фазного напряжения Uф в трехфазной сети.
Рис. 1.7 Расчетная схема для определения восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке при однофазном замыкании на землю
в сети с дугогасящей катушкой
Отношение токов в индуктивности Lк и емкости 3С0 носит название настройки заземляющего реактора
(1.4)где
.Остаточный ток в дуге (рис. 1.7)
(1.5)где Ia = Uфg – активная составляющая тока в месте замыкания;
IС = 3UфwС0 – емкостная составляющая тока, равная току замыкания в отсутствии заземляющего реактора.
Как видно из (1.5), остаточный ток Iост тем меньше, чем ближе значение kн к единице. При kн = 1 (точная настройка реактора) через место замыкания протекает только малый активный ток (g» 0).
Погасание дуги происходит при прохождении тока Iост через нулевое значение. Этому соответствует разрыв цепи между зажимами 1 и 2 (рис. 1.7), при котором потенциал точки 2 изменяется с промышленной частотой w; потенциал точки 1 с частотой w0 собственных колебаний контура Lк – 3С0. Напряжение, восстанавливающееся на поврежденной фазе, равно разности потенциалов точек 1 и 2 и описывается следующим соотношением:
(1.6)где j – фазовый угол напряжения в момент погасания дуги;
d – коэффициент затухания свободных колебаний.
Так как d мало и множитель
близок к единице, то при достаточно точной настройке (kн» 1) напряжение uв(t) нарастает медленно, так как w»w0.Малый остаточный ток и малая скорость восстановления напряжения способствуют гашению тока дуги замыкания на землю, что очень важно при грозовых перекрытиях изоляции на линиях электропередачи. Самоликвидация грозовых перекрытий улучшает электрозащитные характеристики линий. Однако в тех случаях, когда самоликвидация дуги невозможна, как, например, в случаях пробоя или разрушения изоляторов, падения проводов на землю и т.д., дуга замыкания на землю не гаснет и может приобрести неустойчивый перемежающийся характер с повторными гашениями и зажиганиями. В этих случаях на емкостях неповрежденных фаз при очередном гашении дуги могут сохраниться остаточные заряды, приводящие к появлению напряжения смещения Uсм. Переход напряжения поврежденной фазы от нулевого значения к кривой Uсмcos(wt)+ Uфcos(wt) происходит в результате колебаний, при которых формируется первый максимум напряжения на дуге:
(1.7)Дальнейшее нарастание напряжения в силу резонансной настройки заземляющего реактора происходит сравнительно медленно.
Повторное зажигание на поврежденной фазе при больших мгновенных значениях напряжения возможно, однако вероятность его возникновения мала. Это обусловлено тем, что должно произойти совпадение достаточно редких условий: устойчивое нарушение изоляции (например, обрыв или падение провода) и повторное зажигание в самый неблагоприятный момент времени, что сопровождается большими перенапряжениями на неповрежденных фазах.
Из изложенного следует, что необходимо стремиться к точной резонансной настройке дугогасящей катушки.
По установившейся практике электрические сети напряжением до 35 кВ включительно имеют незаземленную нейтраль. Если в такой сети произойдет дуговое замыкание на землю, то через дугу будет протекать емкостной ток, величина которого определяется рабочей емкостью всех трех фазах по всей сети.
Как известно из курса ТОЭ, ток замыкания в любой линейной сети можно определить, включая в месте замыкания источник напряжения, равного напряжению фазы до замыкания, т.е. Uф, и полагая все остальные источники напряжения нулевыми. Величины индуктивных сопротивлений, пренебрежимо малы по сравнению с емкостными. Емкостной ток замыкания на землю равен:
Iз = Uф3wСф (1.8)
где Сф – емкость фаз на землю.
Путем симметрирования фаз – транспозицией на линиях или на подстанциях добиваются равенства емкостей Сф всех трех фаз системы. Для воздушных линий удельный емкостной ток замыкания на землю, т.е. ток на 1 км линии и 1 кВ номинального напряжения, равен в среднем
ICуд = 3 мА/км×кВ. (1.9)
Удельный ток в кабельных линиях лежит в пределах 60…250 мА/км×кВ в зависимости от сечения и напряжения кабеля. Большие цифры относятся к кабелям большего сечения и меньшего напряжения.
Если IС > IСпред, то возникает устойчивая дуга однофазного замыкания на землю, которая ведет к термическому разрушению изоляторов, пережогу провода и обычно перебрасывается на междуфазные промежутки, т.е. ведет к междуфазным коротким замыканиям с автоматическим отключением участка сети. По этой причине дуговые замыкания на землю стремятся погасить в начале их возникновения. Для этой цели служит дугогасящая катушка, включаемая в нейтраль трехфазной сети (рис. 1.6). Катушка настраивается в резонанс на суммарную емкость сети на землю (3Сф). Это означает, что индуктивность катушки должна примерно удовлетворять условию:
(1.10)где w = 314 с–1, а w0 – круговая частота собственных колебаний;
Сф – емкость фазы по отношению к земле.
По определенному значению емкостных токов для сети выбирается мощность реактора:
Q = nICUф (1.11)
где n – коэффициент, учитывающий развитие сети в ближайшие 5 лет (n = 1,25).
Выбор мощности с большими запасами может привести к неполному использованию дугогасящих катушек и затруднить установку наиболее целесообразных настроек. Малые запасы мощности могут привести к необходимости работы сети при режимах недокомпенсации, при которых возможно появление опасных напряжений смещения нейтрали.
Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили устанавливать возможно полную компенсацию емкостного тока сети при возможных конфигурациях сети и отключениях отдельных линий.
При резистивном заземлении нейтрали ограничение перенапряжений при дуговых замыканиях осуществляется за счет разряда емкости здоровых фаз и снижения напряжения на нейтрали до значений, исключающих последующие пробои ослабленной изоляции аварийной фазы. Кроме того, практически исключаются опасные феррорезонансные явления, что в свою очередь так же приводит к повышению надежности рассматриваемых сетей.
Теоретические исследования показывают, что уменьшить величину дуговых перенапряжений и число замыканий на землю без значительного искусственного увеличения тока замыкания на землю можно за счет включения в нейтраль сети высокоомного резистора величиной от нескольких сотен Ом до нескольких кОм.
Высокоомный резистор с сопротивлением RN в нейтрали сети (как правило, в нейтрали специального вспомогательного трансформатора) обеспечивает стекание заряда за время, равное полупериоду промышленной частоты (Т=0,01 сек).
Включение резистора в нейтраль сети позволяет получить в месте повреждения активную составляющую тока, примерно равную емкостной:
IRN ≈ IС (1.12)
При этом суммарный ток замыкания на землю возрастает в √2 раз.
Емкостная составляющая тока замыкания на землю имеет вид:
Ic = 3ωCUф, (1.13)
где ω — круговая частота равная 2πf,
С — фазная емкость сети на землю,
Uф — фазное напряжение сети
Активная составляющая тока замыкания на землю равна:
IRN = Uф/RN, (1.14)
где RN — сопротивление резистора
Uф/RN = 3ωCUф (1.15)
RN ≈ 1/(900 С)
Однако, выбор резистора для конкретной сети производится индивидуально. При этом в одних случаях по условию ограничения кратности дуговых перенапряжений до уровня (2,6-2,7)Uф активная составляющая замыкания на землю может быть в 1,5÷2 раза меньше емкостной составляющей. В других случаях для повышения селективности работы токовой защиты от замыкания на землю активная составляющая тока замыкания на землю может несколько превысить емкостную составляющую.
Что выбрать?
В России жесткие нормативные требования ПУЭ в отношении применения только изолированной нейтрали не позволяли до последнего времени использовать заземление нейтрали через резистор. Даже сейчас, после внесения изменений в ПУЭ, проектные институты продолжают закладывать в новые объекты старую идеологию. По-видимому, необходимы совместные усилия заказчиков, производителей оборудования и проектных институтов для изменения существующей ситуации.