Характеристика процессов при замыканиях на землю в сети 35 кВ

1.2 Характеристика процессов при замыканиях на землю в сети 35 кВ

Замыкания на линиях, однофазные и междуфазные, можно подразделить на дуговые и металлические. При дуговых замыканиях соединение токоведущих частей между собой или землей происходит через малое сопротивление дугового канала. Такие замыкания могут возникать вследствие воздействия грозовых или внутренних перенапряжений (при сильном загрязнении гирлянд, изоляторов), либо вследствие механических воздействий.

Рассмотрим возникновение перенапряжений в трехфазной сети на примере изолированной нейтрали. На рис. 5а приведена расчетная схема трехфазной сети. На этой схеме показаны фазные ЭДС е_с, е_ь, е_а, индуктивности и сопротивления фаз L и R, а также емкости фаз на землю С и междуфазовые С_м.

Рис.1.5 Исходная (а) и преобразованная (б) схемы сети
с изолированной нейтралью источника при замыканиях одной из фаз на землю

Пусть на фазе А возникает однофазное замыкание через неустойчивую дугу. Тогда для расчета возникающих перенапряжений схему на рис. 1.5.а можно представить в виде схемы на рис. 1.5.б. После зажигания дуги на поврежденной фазе А емкости С и С_м неповрежденных фаз соединяются параллельно, как это видно из рис. 1.5.б и происходит перераспределение зарядов между емкостями. Перераспределение свободных зарядов на емкостях С и С_м приводит к снижению амплитуды свободных колебаний напряжения в соответствии с соотношением С/(С+ С_м). Примерные значения соотношения С/(С+ С_м) для линий электропередачи 35 составляют 0,744.

Значения перенапряжения при повторном зажигании дуги можно определить по формуле

(1.1)

где U_н – начальное значение напряжения на неповрежденных фазах в момент повторного зажигания;

U_к – значение установившегося напряжения колебаний;

 – коэффициент, учитывающий затухание высокочастотных колебаний, который принимается обычно равным 0,9.

Если принять, что при перовом повторном зажигании в момент максимума напряжения поврежденной фазы в сети нет остаточных зарядов, то максимальное перенапряжение на поврежденной фазе, достигаемое в переходном процессе, будет равно:

(1.2)

Кратковременные перенапряжения порядка 3U_ф не опасны для нормальной изоляции при рабочих напряжениях до 35 кВ включительно. Однако длительные перенапряжения могут привести к тепловому пробою изоляции. Кроме того, на процесс развития перенапряжений в сетях часто действуют дополнительные факторы, повышающие кратность перенапряжений. Замечено, в частности, что при неустойчивых дугах на неповрежденных фазах часто срабатывают разрядники, имеющие пониженную кратность разрядного напряжения при рабочей частоте. Работа разрядников может привести к появлению перенапряжений, опасных для изоляции. Действительно, если происходит гашение дуги разрядником на неповрежденной фазе, а поврежденная фаза заземлена, то восстанавливающееся напряжение изменяется от нуля до 2U_л = 3,46U_ф. Поэтому каждый раз, когда происходит срабатывание разрядников, на изоляцию здоровых фаз воздействует перенапряжение 3,46U_ф.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой. В сети с изолированной нейтралью трансформаторов однофазное замыкание может существовать, если емкостной ток замыкания препятствует самопогасанию дуги в месте замыкания. При включении в нейтраль трансформатора реактора (рис.1.6) через место замыкания вместе с емкостным током проходит индуктивный ток, обусловленный индуктивностью реактора L_к.

Рис.1. 6. Схема сети с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании на землю

Подбирая соответствующее значение индуктивности реактора L_к, 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 I_ост, обусловленного активными потерями в сети, способствует самопогасанию дуги в месте замыкания. Кроме того, реактор резко снижает скорость восстановления напряжения на дуге.

Значение остаточного тока I_ост можно определить по схеме замещения (рис. 1.7). В этой схеме L_к – индуктивность замыкающего реактора; g – активная проводимость, учитывающая активные потери в реакторе и сети; источник напряжения имеет значение фазного напряжения U_ф 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 L_к и емкости 3С₀ носит название настройки заземляющего реактора

(1.4)

где .

Остаточный ток в дуге (рис. 1.7)

(1.5)

где I_a = U_фg – активная составляющая тока в месте замыкания;

I_С = 3U_фwС₀ – емкостная составляющая тока, равная току замыкания в отсутствии заземляющего реактора.

Как видно из (1.5), остаточный ток I_ост тем меньше, чем ближе значение k_н к единице. При k_н = 1 (точная настройка реактора) через место замыкания протекает только малый активный ток (g » 0).

Погасание дуги происходит при прохождении тока I_ост 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 L_к – 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 (k_н » 1) напряжение u_в(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 U_см. Переход напряжения поврежденной фазы от нулевого значения к кривой U_смcos(wt)+ U_фcos(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. U_ф, и полагая все остальные источники напряжения нулевыми. Величины индуктивных сопротивлений, пренебрежимо малы по сравнению с емкостными. Емкостной ток замыкания на землю равен:

I_з = U_ф3wС_ф (1.8)

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. (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 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. 1.6). Катушка настраивается в резонанс на суммарную емкость сети на землю (3С_ф). Это означает, что индуктивность катушки должна примерно удовлетворять условию:

(1.10)

где w = 314 с^–1, а w₀ – круговая частота собственных колебаний;

С_ф – емкость фазы по отношению к земле.

По определенному значению емкостных токов для сети выбирается мощность реактора:

Q = nI_CU_ф (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 R_N 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:

I_RN ≈ I_С (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:

I_RN = Uф/R_N, (1.14)

где R_N — сопротивление резистора

Uф/R_N = 3ωCUф (1.15)

R_N ≈ 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.

В заключение следует отметить, что режим заземления нейтрали в сети среднего напряжения должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом следующих факторов:

уровня емкостного тока сети;

допустимого тока однофазного замыкания, исходя из разрушений в месте повреждения;

безопасности персонала и посторонних лиц;

допустимости отключения однофазных замыканий с позиций непрерывности технологического цикла;

наличия резерва;

типа и характеристик используемых защит.

Выводы

Для различных режимов нейтрали необходимо очертить границы их применения.

Для определения преимуществ того или иного режима заземления нейтрали необходимо собрать достоверный статистический материал об уровнях перенапряжений при дуговых замыканиях на землю.

В сетях с компенсацией емкостного тока замыкания на землю необходимо применять плавнорегулируемые реакторы с микропроцессорными автоматическими регуляторами.

Необходимо предусмотреть резистивное заземление нейтрали электрических сетей 3-35 кВ.

Похожие работы

Локальная сеть Ethernet в жилом микрорайоне

Скачать

192103

12

0

... пользователей коммутируемой ТФОП к услугам Интернет с помощью аналоговых модемов. При способе PPPoE для организации одновременного широкополосного доступа нескольких пользователей локальной сети Ethernet принципиально достаточно одного постоянного виртуального канала РVС. Очевидна ограниченность необходимых изменений сети доступа при переходе от традиционного доступа к широкополосному с  ...

Электроснабжение комплекса томатного сока

Скачать

59984

7

8

... осуществляется проводами марки АПРН. Соединение шинопроводов и распределительного шкафа осуществляется кабелем АВРГ. 1.2 Ведомость электрических нагрузок Проект выполнен для электроснабжения ЭО комплекса томатного сока. Электроснабжение осуществляется от собственной ГПП, подключенного к подстанции глубокого ввода комплекса (ГВК). Комплектная трансформаторная подстанция 10/0,4 кВ расположена ...

Электробезопасность

Скачать

38946

3

8

ых последствий к их возможному числу за определенный период – является количественной оценкой опасности, т.е. риском. Риск делится на индивидуальный и социальный. К природным опасностям относятся стихийные явления, которые представляют непосредственную угрозу для жизни и здоровья людей (землетрясения, извержения вулканов, снежные лавины, сели, оползни, камнепады, наводнения, штормы,цунами, ...

Беспроводная территориально-распределенная компьютерная сеть строительной компании ООО "Спецтехмонтаж"

Скачать

105497

10

18

... сети на 95 процентов соответствуют требованиям, которые закладывались при проектировании. 4. Социальная значимость проекта Реализация проекта «Беспроводная территориально-распределенная компьютерная сеть строительной компании ООО «Спецтехмонтаж»» это: ·                    эффективное сетевое взаимодействие различных отделов организации, находящиеся за пределами административного здания, с ...