Дуговые замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

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.

Схема однофазного замыкания показана на рис. 6,а. 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. U_ф, и полагая все остальные источники напряжения нулевыми. Соответствующая расчетная схема показана на рис.6,б. В этой схеме опущены индуктивные сопротивления, величина которых пренебрежимо мала по сравнению с емкостными. Емкостной ток замыкания на землю равен:

I_з = U_ф3wС_ф, (3)

где С_ф – емкость фаз на землю. Путем симметрирования фаз – транспозицией на линиях или на подстанциях добиваются равенства емкостей С_ф 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

I_Cуд = 3 мА/км×кВ.

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.

Рис.6. Принципиальная схема сети с изолированной нейтралью при однофазном замыкании (а) и расчетная схема для определения тока Iз (б).

Малый ток в дуге создает весьма благоприятые условия для ее самопогасания и восстановления первоначального состояния сети. Исследованиями в сети и опытом эксплуатации предельные значения емкостного тока I_С, при которых еще обеспечивается самопогасаниае дуги замыкания на землю. Эти значения приведены в табл. 1.

Таблица. 1. Значение емкостных токов замыкания на землю I_з.пред, при которых в сети должна устанавливаться дугогасящая катушка.

Если I_С > I_Спред, 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.7,а). Катушка настраивается в резонанс на суммарную емкость сети на землю (3С_ф). Это означает, что индуктивность катушки должна примерно удовлетворять условию

, (4)

где w = 314 с^-1, а w₀ – круговая частота собственных колебаний, С_ф – емкость фазы по отношению к земле.

Рис.7. Принципиальная схема сети с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании (а) и расчетная схема для определения тока Iз (б).

Расчетная схема показана на рис. 7,б. В этой схеме L_к – индуктивность, g_к – активная проводимость катушки; в значении g_к учитываются также все прочие активные потери в сети при прохождении тока замыкания на землю.

Действие катушки основано на двух факторах. Во-первых, катушка компенсирует ток замыкания на землю до остаточного значения I_ост, малого по сравнению с током I_з без катушки. Во-вторых, катушка резко снижает скорость восстановления напряжения на дуге. Обозначим через k настройку катушки (в долях от емкостного тока замыкания):

, (5)

а через v – расстройку точной компенсации:

, (6)

где – частота собственных колебаний в цепи. Тогда остаточный ток в дуге

. (7)

В этой формуле активный ток I_а = U_фg_к.

Как видно из формулы (7), I_ост тем меньше, чем меньше расстройка. При v = 0 или k = 1, т.е. при полном резонансе, через заземляющую дугу проходит только активный ток.

Типовая кривая I_ост =¦(U) показана на рис. 8. При v < 0 (I_к > I_C) имеет место режим перекомпенсации, при v >0 (I_к < I_C) – режим недокомпенсации.

Гашение дуги происходит при прохождении тока I_ост через нулевое значение. Эту коммутацию можно представить в виде размыкания ключа в цепи источника напряжения (рис.9). После размыкания ключа потенциал точки 1 изменяется с рабочей частотой w, потенциал точки 2 – с частотой собственных колебаний контура w₀. Заметим, что потенциал точки 2 есть потенциал нейтрали исходной схемы.

Рис.8. Зависимость остаточного тока I_ост от расстройки v.

Рис.9. Расчетная схема для определения восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке при однофазном замыкании на землю в сети с дугогасящей катушкой.

На рис.10 приведена кривая зависимости времени восстановления напряжения t до U_ф от расстройки v при d = 0.025 (d = g_к/2С – коэффициент затухания при С = 3С_ф). Кривая показывает, что в узком диапазоне расстройки v = ±5% время восстановления сохраняет практически те же значения, что и при резонансе. При возрастании v время t резко падает и соответственно возрастает скорость восстановления напряжения на дуге.

.

Рис.10. Зависимость времени восстановления напряжения до номинального значения от расстройки v.

Полные кривые u_в(t) для разных v/d даны на рис. 11. Из этих кривых видно, что с уменьшением v скорость нарастания u_в(t) и амплитуда U_в.м снижаются. Дугогашение, осуществляемое дугогасящей катушкой, связано как с малым остаточным током в дуге I_ост, так и малой скоростью восстановления напряжения.

Рис.11. Кривые восстанавливающихся напряжений u_в/U_ф = ¦(t) при различных v/d.

Из изложенного следует, что необходимо стремиться к точной резонансной настройке дугогасящей катушки. Однако на практике катушка обычно настраивается с некоторой перекомпенсацией. Причина этого состоит в следующем. Точная настройка затруднена в следствие естественной погрешности в определении емкостного тока и ступенчатого характера регулировки катушки. Расстройка же в сторону недокомпенсации недопустима вследствие возможности появления больших перекосов фазных напряжений. Поэтому правилами технической эксплуатации допускается только перекомпенсация с расстройкой не превышающей 5%.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: