Дуговые перенапряжения в сетях с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор

Многочисленные теоретические исследования и опыт эксплуатации показывают, что уменьшить величину дуговых перенапряжений и число замыканий на землю без значительного искусственного увеличения тока замыкания на землю, сохранив тем самым возможность работы сети без автоматического отключения однофазных повреждений, можно за счет включения в нейтраль сети высокоомного РЗ (рис.7.3, ключ В₂ замкнут, В₁ разомкнут).

Высокоомный резистор R_N в нейтрали системы (как правило, в нейт­рали специального вспомогательного трансформатора мощностью не менее S = U ²_ном /(3·R_N)) обеспечивает стекание заряда нулевой последовательности за время Т между ближайшими замыканиями (при U_np>Uф_тах), составляющее полупериод промышленной частоты (Т=0,01 сек).

Таким образом, имея выражение для постоянной времени T=R_N··3C и полагая практически полное стекание заряда за время t=3T=0,01 сек, получаем выражение: 3T = 3·R_N··3C=0,01

откуда R_N= 1 /(900 · C) (7.5)

Резистор, выбранный исходя из этого условия, создает в месте повреж­дения активную составляющую тока, примерно равную емкостной. Действи­тельно, емкостный ток замыкания равен: I_С = 3 ·ωС ·Uф, а ток резистора I_RN = Uф / R_N Из условия I_С = I_RN получаем:

R_N = Uф / I_С =1 / 3ωС ≡ 1 /(900 · C)

что совпадает с (7.5).

При чисто емкостной цепи замыкания на землю резистор, выбранный таким образом, увеличивает ток замыкания в √2 раз.

На рис.7.6 показан процесс возникновения однофазного замыкания в сети с высокоомным резистором в нейтрали R_N=700 Ом (на рис.2.5 ключ В₂ замкнут, В₁ разомкнут). Из рис.7.6 видно, что первичное замыкание, сопровож­дающееся перенапряжением, примерно такой же кратности было единственным (при U_np>1), так как при такой величине резистора обеспечивается практически полное стекание заряда нулевой последова­тельности (равенство нулю напряжения на нейтрали) за время от момента самогашения дуги до момента возникновения максимального напряжения на поврежденной фазе, которое становится близким к фазному (в данном расчете 1,07).

Даже в том случае, если пробивное напряжение ослабленного места станет меньше амплитуды фазного напряжения (U_np <1), и может установиться процесс многократных зажиганий и гашений дуги, кратность дуговых перенапряжений не превысит таковую при первом зажигании, то есть 2,2...2,5.

Важной особенностью применения высокоомного резистивного заземления нейтрали является то, что при снижении емкости сети постоянная времени стекания заряда нулевой последовательности через выбранный резистор уменьшится, и, следовательно, стекание заряда будет происходить еще быстрее.

Рис.7.6 Дуговое замыкание в сети 6 кВ с нейтралью заземленной через высокоомный резистор (ток однофазного замыкания на землю 5А).

7.4. Дуговые перенапряжения в сетях с компенсацией емкостного тока

В сетях 6, 10, 35 кВ с токами замыкания на землю более 30, 20 и 10 А соответственно, применяется их компенсация путем установки дугогасящих реакторов. При резонансной настройке, когда емкостное сопротивление на землю равно индуктивному сопротивлению реактора, мы получаем ряд благоприятных условий протекания процессов при однофазных замыканиях: минимальный ток промышленной частоты в месте повреждения, минимальная скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги, минимальный уровень дуговых перенапряжений. Пример такого процесса, полученный с помощью программы NRAST, показан на рис.7.7 (расчетная схема сети — рис.7.3, ключ В₁ замкнут, В₂ разомкнут). Видно, что в отличие от системы с изолированной нейтралью, однократное замыкание с самогашением дуги вызывает колебательный затухающий процесс изменения напряжения на нейтрали. Частота этого процесса тем ближе к промышленной, чем ближе коэффициент компенсации к единице.

Рис.7.7. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1

В реальных условиях изменяющейся емкости сети, недостаточных мощностей дугогасящих реакторов и отсутствия систем автоматической на­стройки компенсации обеспечить режим благоприятной во многих отношени­ях резонансной настройки оказывается невозможным, рекомендуется работа с перекомпенсацией и временно — с недокомпенсацией).

Однако расстройка полной компенсации нежелательна не только из-за увеличения в месте замыкания составляющей тока промышленной частоты, но она также значительно ухудшает картину возникающих при этом перенапряжений. Так на рис.7.8а,б показан процесс однократного замыкания и последующего гашения заземляющей дуги в условиях недокомпенсации (рис.7.8а) и перекомпенсации (рис.7.8б). Здесь в отличие от случая полной компенсации ликвидация дугового замыкания сопровождается процессом биения (наложением на установившееся напряжение промышленной частоты свободной составляющей близкой частоты). Эта свободная составляющая создается колебаниями в контуре L_р-3С (индуктивность реактора - утроенная емкость сети на землю). Зависимость частоты этой составляющей от степени компенсации может быть определена из системы уравнений:

К =1/ (3ω² L_рС), где ω = 2πf₅₀ и f₅₀ = 50 Гц

f = 1 / (2π √ L_р3С)

Выражая величину 3L_рС из первого уравнения и подставляя во второе получим выражение для частоты свободной составляющей (или частоты напряжения на нейтрали):

f =f₅₀ /(√1/ К) =50√К (7.6)

Расчет частоты напряжения на нейтрали для случаев рис.7.8а,б дает: в случае недокомпенсации (К=0,75) частоту 43,3 Гц, в случае перекомпенсации (К=1,25) 55,9 Гц, что совпадает с компьютерным расчетом.

График зависимости приведен на рис.7.9. Из графика (рис.7.9) видно, что при недокомпенсации частота свободной составляющей будет меньше 50 Гц, а при перекомпенсации больше.

При биениях напряжение на поврежденных фазах достигает существенно больших значений (в примерах рис.7.8а, б — кратности перенапряжений на поврежденной фазе, достигаемые в процессе биений, составляют 1,62... 1,8, на неповрежденных — 1,5...2,0). При этом становится возможным режим многократных пробоев ослабленного места при высоких значениях пробивного напряжения. Так на рис.7.10 можно видеть такой процесс при U_nр =1,7, когда на здоровых фазах возможны высокие кратности дуговых перенапряжений — 2,6...2,8. Напомним, что при резонансной настройке многократные пробои могут иметь место только при U_пр < 1.

Снижение перенапряжений в сети при расстройке дугогасящего реактора (а также при несимметричных режимах, сопровождающихся резонансными перенапряжениями) может быть достигнуто путем применения высокоомного резистора, включенного параллельно ДГР (в схеме рис.13.5, выключатели В₁ и В₂ включены).

Рис.7.8 Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А:

а) коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1,2 (перекомпенсация);

б) К =0,8 (недокомпенсация).

Рис.7.9 Зависимость частоты свободной составляющей биений после исчезновения замыкания на землю от степени компенсации

Рис.7.10. Многократные замыкания в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Коэффициент компенсации емкостного тока равен К= 1,25 (перекомпенсация).

Выбор резистора с помощью соотношения R_N = U_ф / ∆ Iς (относительно тока расстройки ∆ Iς =|I_P-I_c| ) приводит к прекращению биений напряжений на фазах после погасания дуги и, как следствие, к прекращению пробоев на поврежденной фазе при пробивном напряжении ослабленного места больше фазного (U_np > Uф_тах). Максимальная кратность перенапряжений здесь определяется первым замыканием и не превышает Umax ⁼ (2,0…2,2)·U_{ф тах} как видно из рис.7.11.

Применение высокоомного резистора в случае резонансной настройки приводит к некоторому увеличению числа повторных зажиганий, но только для U_np < U_{ф тах} кратность перенапряжений здесь не превосходит таковую для идеальной настройки реактора. Высокоомный резистор весьма благоприятно сказывается на снижении времени воздействия повышенных напряжений на изоляцию неповрежденных фаз даже в случае резонансной настройки ДГР, что является несомненным достоинством такой схемы заземления нейтрали.

Рис.7.11. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор и параллельный ему резистор RN= 770 Ом, выбранный по ∆Iς = 7,5 А при К=1,25, емкостный ток замыкания на землю 30 А.

Использование высокоомного резистора параллельно дугогасящему реактору позволяет выполнить простую селективную релейную защиту от устойчивых замыканий на землю на токовом принципе. При наличии резистора в токе замыкания на землю присутствует активная составляющая, которая протекает только через поврежденное присоединение.

Рассмотренные выше случаи однофазных замыканий в сети с дугогасящим реактором дают представление о характере переходных процессов при достаточно длительном горении дуги в месте замыкания. Время горения дуги таково, что высокочастотный ток в месте замыкания практически затухает. Однако, например, в кабельных сетях возможны так называемые «самозаплывающие» пробои изоляции (в компаундах кабельных муфт, концевых воронках). В таких случаях дуга высокочастотного тока, возникающего в момент пробоя, может гаснуть при первом же переходе тока через нуль и прочность изоляции в месте повреждения восстанавливается на достаточно высоком уровне. Подобный процесс изображен на рис.7.12.

Рис.7.12. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1. Гашение дуги происходит в первый нуль высокочастотного тока.

Существенное отличие процесса (рис.7.12) от процесса (рис.7.7) состоит в том, что из-за гашения высокочастотного тока в первый же нуль на нейтрали остается большее напряжение, чем в случае, когда гашение происходит после затухания переходного тока. Поэтому, после исчезновения замыкания, на нейтрали и неповрежденных фазах существуют затухающие колебания с большей амплитудой чем в случае (рис.7.7). Из-за наличия на нейтрали напряжения большего чем фазное, напряжение на поврежденной фазе нарастает не с нуля, а имеет в первый момент после гашения тока замыкания пик гашения величиной 0,8Uф и затем более сложный характер изменения чем в случае (рис.7.7). Расстройка компенсации ухудшает переходные процессы, возникающие при гашении дуги в первый нуль высокочастотного тока. На (рис.7.13а,б) показаны подобные процессы. Отличительной особенностью этих осциллограмм является то, что после погасания дуги высокочастотного тока в первый нуль на одной из неповрежденных фаз в течение нескольких полупериодов промышленной частоты существуют перенапряжения с кратностью 2,1-2,3 (больше чем на рис.7.8). Это может вызвать пробой изоляции на неповреждённой фазе и, одновременно, повторный на поврежденной, что приведет к двойному замыканию на землю и отключению потребителей. Снизить перенапряжения в таких случаях можно, используя высокоомный резистор, включенный параллельно дугогасящему реактору.

Рис.7.13. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Гашение дуги происходит в первый нуль высокочастотного тока:

а) коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1,2 (перекомпенсация);

б) К=0,8 (недокомпенсация).