Глава 9

9.4. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью

Этот вид замыкания наиболее распространен в сетях с малым током замыкания на землю. Процессы, протекающие в таких сетях при замыкании на землю, весьма сложны, что затрудняет их анализ и оценку. Они существенно зависят от параметров и схемы сети, сопротивления цепи замыкания.

Сопротивление нулевой последовательности в сетях напряжением 6-35 кВ определяется в основном емкостью элементов сети относительно земли и, в меньшей степени, утечками этих элементов. Поэтому замыкания на землю в сетях 6-35 кВ сопровождаются протеканием малых токов повреждения, которые могут быть во много раз меньше тока нагрузки. Это особенно характерно для сетей с ВЛ напряжением 6-10 кВ, где емкость проводов относительно земли невелика.

Рис. 9.7. Схема сети (а) и ее замещение схемой нулевой последовательности (б)

В сетях с КЛ, а также в сетях с протяженными ВЛ напряжением 10-35 кВ токи замыкания на землю могут быть значительными.

По условиям улучшения гашения дуги и предотвращения перехода замыкания на землю в междуфазное КЗ в рассматриваемых сетях устанавливают дугогасящие катушки, с помощью которых компенсируется основная гармоника емкостного тока замыкания на землю. В итоге результирующий ток повреждения в таких сетях в установившемся режиме резко уменьшается. При замыкании на землю (рис. 9.7, а) ток, протекающий по поврежденному соединению, равен сумме токов неповрежденных элементов, определяемых емкостью и активным сопротивлением изоляции относительно земли каждого из них, и тока дугогасящей катушки при ее наличии.

В некомпенсированных сетях токи основной гармоники на поврежденном и неповрежденном присоединениях направлены в противоположные стороны. Это объясняется расположением источника напряжения нулевой последовательности в месте замыкания (рис. 9.7,б). Поэтому ток определяемый емкостным сопротивлением неповрежденной сети, протекает в поврежденном элементе в направлении к шинам, а в неповрежденном - от них.

Рис. 9.8. Схема замещения и векторные диаграммы напряжений и емкостных токов сети с изолированной нейтралью для нормального режима (а) и однофазного КЗ на землю (б).

При включении дугогасящей катушки в нейтраль одного из трансформаторов на поврежденном участке фаза основной гармоники тока повреждения будет зависеть от соотношения между емкостью неповрежденных участков и индуктивностью катушки. Если преобладает индуктивная составляющая тока повреждения» то фазы реактивных составляющих тока повреждения одинаковы как на неповрежденном (емкостный ток, направлен в сторону линии), так и на поврежденном (индуктивный ток, направлен в сторону шин) присоединениях.

Значение и фаза токов замыкания на землю определяются напряжением нулевой последовательности U0.Наибольшее значение U0, будет при замыканиях на землю без переходного сопротивления и равно фазному напряжению сети. При замыканиях через переходное сопротивление значение U0, определяется соотношением между сопротивлением нулевой последовательности и переходным сопротивлением. Угол между напряжением U0, и током замыкания на землю всегда одинаков и равен углу сопротивления нулевой последовательности сети. Наличие переходного сопротивления уменьшает значение и сдвигает фазу U0, относительно фазного напряжения.

Для анализа токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью рассмотрим соответствующие схемы замещения и векторные диаграммы (рис. 9.8).

Введем ряд допущений, исходя из целей и постановки практических задач расчета аварийных режимов сети:

1) емкости отдельных фаз относительно земли, равномерно распределенные вдоль проводов, заменяем эквивалентными сосредоточенными емкостями включенными посредине ЛЭП;

2) не учитываем проводимости утечек, а также активные и индуктивные сопротивления ЛЭП, которые ничтожно малы по сравнению с емкостными сопротивлениями фаз относительно земли;

3) сопротивления нагрузки и ЛЭП (фазные напряжения) считаем симметричными.

Емкостные токи фаз,, равны по значению, а по фазе опережают соответствующие напряжения на угол 90°. В нормальном режиме сумма токов равна нулю (рис. 9.8, а). Напряжение нейтрали (между нулевой точкой сети и землей) определяется выражением

(9.13)

где - емкостные проводимости отдельных фаз в нормальном режиме.

В случае замыкания на землю без переходного сопротивление в точке повреждения аварийная фаза А приобретает потенциал земли (рис. 9.8, б). Поэтому ,. Напряжение нейтрали становится равным . Напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле возрастают в , раза и составляют

Емкостные токи фаз также увеличиваются в раза. Опережая напряжения и на 90°, эти токи суммируются в земле возвращаются через поврежденную фазу, ток которой равен току замыкания на землю:

(9.14)

где - ток нулевой последовательности при замыкании на землю. Токи и опережают э.д.с. на 90° и определяются емкостями фаз питающей системы заданного напряжения, а также значением . Поэтому в разветвленных сетях со значительной емкостью ток замыкания на землю будет больше. Так, при замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЭП, подключенных к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания обусловлен емкостными токами всех ЛЭП и составляет

(9.15)

Здесь - суммарная емкость одной фазы всех ЛЭП, причем , где - емкость одной фазы сети относительно земли, Ф/км; - общая протяженность одной фазы сети.

Ток замыкания на землю для сети с КЛ можно определить также по эмпирической формуле

(9.16)

где - номинальное линейное напряжение сети, кВ;

- длина КЛ, км;

- сечение кабеля, мм2.

Оценка аварийных режимов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью имеет принципиально важное значение для ряда предприятий и объектов с позиций обеспечения надежности электроснабжения, электробезопасности оборудования и его конструктивного исполнения. Наиболее характерно это для горных предприятий, которые являются мощными и ответственными потребителями электрической энергии. Они имеют специфические особенности (сложные горно-геологические условия, пыле- и взрывоопасность газовых шахт), совокупность которых качественно отличает их от промышленных предприятий. В качестве примера рассмотрим аварийные режимы шахтных электрических сетей.

Для ограничения условий открытого искрообразования в подземных выработках газовых шахт в результате коммутационных перенапряжений, а также предотвращения ложных действий подземной защиты от токов утечки из-за ухудшения изоляции электроустановок эти сети питают от специальных разделительных трансформаторов или трехобмоточных трансформаторов 35-110/6/6 кВ.

В шахтной электрической сети наблюдается наибольшее число повреждений из-за несвоевременного устранения неисправностей в электрооборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала.

В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседают на шахтное электрооборудование, вследствие чего могут возникнуть токи утечки, которые при определенных условиях способствуют возникновению КЗ с опасными последствиями. Основная причина КЗ в подземных шахтных сетях - механическое повреждение электрооборудования. Наиболее высокой повреждаемости подвержены шахтные бронированные и, особенно, гибкие кабели, в которых чаще существуют одно- и междуфазные утечки. В условиях шахтных выработок КЗ могут явиться причиной подземных пожаров с большой опасностью для людей. При определенных ситуациях КЗ приводят к нарушению безопасных свойств шахтного электрооборудования. Защита оттоков КЗ является одним из основных средств обеспечения взрыво- и пожаробезопасности электрооборудования.

В шахтных электрических сетях могут возникнуть однофазные замыкания на землю и междуфазные КЗ. С учетом особой опасности этих замыканий действующие Правила безопасности в подземных выработках шахт допускают применение только трансформаторов с незаземленной нейтралью, что определяется условиями электробезопасности. Заземление нулевой точки разрешается лишь для сетей напряжением 0,4 кВ на поверхности шахт. Согласно Правилам максимально допустимая мощность КЗ на шинах центральной подземной подстанции не должна превышать 50 % мощности отключения, но не более 100 MBА.

С учетом изложенного однофазные токи замыкания на землю не могут быть значительными. В подземных шахтных сетях замыкание фазы па землю или корпус токоприемника даже при малых токах связано с опасностью поражения людей электрическим током. Поэтому эти замыкания, в отличие от сетей промышленных предприятий, незамедлительно отключаются специальной защитой от утечек. Наличие такой защиты позволяет практически исключить переход однофазных замыканий в двухфазные или двухфазные КЗ на землю.

В токе замыкания на землю практически всегда содержатся составляющие с частотами, превышающими промышленную частоту. В момент замыкания на землю возникает переходный процесс, в котором могут быть выделены две стадии. Начальная стадия характеризуется распространением электромагнитных волн в обе сто роны от места повреждения. Здесь частота составляющих переходного процесса велика (до сотни килогерц), а длительность процесса предельно мала. В последующей стадии характер переходного процесса приблизительно такой же, как в цепях с сосредоточенными постоянными. Ориентировочно переходный процесс можно оценить по схеме замещения нулевой последовательности (см. рис. 8.7, б), на которую подается возмущающее напряжение . Характер изменения токов замыкания и напряжения в сети отражают кривые на рис. 9.9. Переходный процесс длится не более 10 мс, частота его составляет сотни герц.

Рис. 9.9. Кривые токов и напряжений переходного процесса при подаче возмущающего напряжения U0e (t)

Наиболее эффективный переходный процесс наблюдается (рис. 9.9,а), если начальное значение напряжения соответствует в установившемся режиме максимальному значению напряжения на результирующей емкости (рис. 9.7, б). Это возможно при замыкании на землю в момент прохождения фазного напряжения поврежденной фазы через максимальное значение (наиболее распространенный случай).

Если начальное значение соответствует переходу напряжения через нуль, то токи переходного процесса уменьшаются (рис. 9.9,б). Амплитуды токов переходного процесса могут в десятки раз превышать установившиеся токи замыкания на землю. Приближенно отношение амплитуд можно считать равным отношению частоты переходного процесса к промышленной частоте.

В сетях с компенсацией дугогасящая катушка практически не влияет на высокочастотные составляющие переходного процесса (рис. 9.9, б). Здесь частота настройки близка к 50 Гц при достаточно точной компенсации емкостного тока. Дугогасящая катушка может вызвать появление апериодической составляющей тока замыкания на землю. Ее постоянная времени зависит от добротности катушки и амплитуды тока, не превышающей номинального значения. Поэтому результирующий ток замыкания на землю в этих сетях, кроме высокочастотных, содержит апериодическую составляющую.

Установлено и подтверждено практикой, что высшие гармоники практически всегда имеются в токе замыкания и составляют от 5 до 15 % тока основной гармоники. Гармонический состав тока замыкания зависит от вида сети, условий замыкания и может меняться в широких пределах.