Компенсация емкостных токов замыканий одной фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью

Эффективным средством снижения величин токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью до значений, не превышающих указанных выше допустимых, является компенсация емкостных составляющих этих токов с помощью дугогасящих реакторов, включенных в нейтрали сетей (рис. 2.7, а). При благоприятных условиях такая компенсация фактически может оказаться бесконтактным средством гашения заземляющих дуг в местах повреждений.

Рис. 2.7. Замыкание на землю в сети с резонансно заземленной нейтралью:

а) схема сети; б) эквивалентная схема для определения условий резонанса токов

Методика компенсации использует известное в электротехнике явление резонанса токов и состоит, собственно, в наложении на емкостную составляющую тока в месте замыкания на землю (рис. 2.7, б) индуктивной составляющей , обусловленной индуктивным сопротивлением включенного в нейтраль сети дугогасящего реактора. В связи с этим, условие выбора оптимальной величины индуктивного сопротивления реактора, обеспечивающего минимум тока , может быть получено в предположении, что в цепи, отвечающей резонансу токов и , реактивная составляющая тока внешнего источника должна быть равна нулю. Определим это условие.

Баланс токов в точке замыкания на землю для схемы рис. 2.7, а с учетом (2.9) можно записать в виде:

(2.33)

или, используя (24):

, (2.34)

где

; (2.35)

и активная и индуктивная составляющие проводимости реактора .

Пренебрегая в (2.34) составляющими тока замыкания на землю, обусловленными асимметрией проводимостей фаз на землю, с учетом (2.27) и (2.28) получим:

. (2.36)

Из последнего выражения видно, что при отсутствии активных потерь в сети () условие выбора индуктивного сопротивления реактора, обеспечивающего полную (резонансную) компенсацию тока однофазного замыкания на землю , может быть записано в виде:

(2.37)

или

. (2.38)

Из выражения (2.36) также следует, что в реальных сетях, даже выполнив при настройке дугогасящего реактора условия (2.37) или (2.38), нельзя добиться полной компенсации тока однофазного замыкания на землю (рис. 2.8), так как в этом случае через место замыкания будет проходить остаточный активный ток, обусловленный активными проводимостями фаз, а также самого реактора:

(2.39)

 

или

, (2.40)

где

.

 

 

Рис. 2.8. Векторная диаграмма напряжений и токов при однофазном замыкании на землю в сети с резонансно заземленной нейтралью ()

Величину активной составляющей тока замыкания на землю в сети с резонансно заземленной нейтралью принято характеризовать уже упомянутым выше коэффициентом демпфирования. Однако в этом случае он определяется, как отношение модуля активной составляющей тока в месте замыкания на землю с учетом реактора, определенной по (2.39) или по (2.40), к емкостной составляющей тока замыкания, определенной по (2.27) или (2.31), (2.32):

. (2.41)

На основании многочисленных измерений для воздушных сетей с нормальным состоянием изоляции этот коэффициент можно принимать равным следующим значениям: для воздушных сетей 6 кВ – 5 %, 10 кВ – 4 %, 35 кВ – 3%; при загрязнениях и увлажнениях изоляции в воздушных сетях можно принимать равным 10 %. В кабельных сетях значение можно принимать равным 3 %, а при наличии в сети кабелей с состарившейся изоляцией – 6 %.

Таким образом, активная составляющая тока однофазного замыкания на землю и в сетях с изолированной, и в сетях с резонансно заземленной нейтралью чаще всего не велика и как правило не препятствует получению эффекта самопогасания дуги, хотя в очень разветвленных сетях может его и ухудшать.

Из-за ограниченности шкалы мощностей выпускаемых реакторов, ступенчатости регулирования их индуктивностей (невозможности быстрого и плавного их изменения при изменениях конфигураций сетей) и изменения емкостей линий электропередачи с изменением погодных условий, а также из-за возможного возникновения недопустимых смещений нейтрали в результате несимметрии параметров сетей, реально не всегда можно добиться и резонансной компенсации емкостных составляющих токов замыканий на землю. Степень расстройки компенсации характеризуют отношением реактивной составляющей тока замыкания на землю в сети с дугогасящим реактором в нейтрали к емкостной составляющей тока замыкания на землю в этой же сети при ее работе без дугогасящего реактора:

. (2.42)

Если , то говорят о резонансной (полной) компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю. Если > 0, т. е. > , то сеть работает в режиме недокомпенсации емкостного тока. Если < 0, т. е. < – перекомпенсации.

Для получения наибольшего эффекта от компенсации при выборе индуктивного сопротивления дугогасящего реактора стремятся к тому, чтобы степень расстройки компенсации была бы как можно ближе к нулю, т. е. чтобы по возможности выполнялось соотношение = . Если же резонансная настройка реактора не возможна, то Правила Технической Эксплуатации (ПТЭ) рекомендуют настройку реактора с перекомпенсацией до 5–10 %. В крайнем случае, после проверки допустимости этого режима (см. ниже), может быть использована настройка с недокомпенсацией до 5 %.

При известных степени расстройки компенсации и коэффициенте демпфирования приближенное значение тока однофазного замыкания на землю в сети с резонансно заземленной нейтралью может быть определено по следующему выражению:

(2.43)

где I_с – ток замыкания на землю в сети при отсутствии реактора в нейтрали.

Правильное использование компенсации емкостного тока замыкания на землю повышает надежность работы сетей с изолированной нейтралью. Это является основной целью применения так называемых сетей с резонансно заземленной нейтралью. Эффективность компенсации характеризуется отношением числа замыканий, не развившихся в междуфазные короткие замыкания, к общему числу замыканий. Для сетей с резонансно заземленной нейтралью это отношение может бать равно 0,6–0,9, тогда как для сетей с изолированной нейтралью, в некоторых случаях, оно может не превышать 0,3. В соответствии с рекомендациями, если число двухфазных коротких замыканий в сети с изолированной нейтралью не превышает 10 % от общего числа аварийных отключений, то дугогасящий реактор устанавливать не следует.

При обоснованном использовании компенсации не менее 85 % замыканий на землю ликвидируется в сети без ущерба для электроснабжения потребителей. Автоматическое повторное включение используется только при возникновении двух- или трехфазных коротких замыканий, которые в этих сетях сравнительно редки. Как и в случае сетей с изолированной нейтралью, сети с резонансно заземленной нейтралью могут длительно работать с одной замкнувшейся на землю фазой. В этих сетях облегчаются требования к заземляющим устройствам. При степени расстройки компенсации от 0 до 5%, ограничиваются коммутационные перенапряжения при дуговых замыканиях на землю до значений 2,5–2,6 безопасных для изоляции электрооборудования и линий электропередачи этих сетей. При наличии в нейтрали реактора значительное снижение скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе способствует успешности восстановления диэлектрических свойств места повреждения сети после каждого погасания «перемежающейся» заземляющей дуги. Если в сети выполняются ограничения по применению плавких предохранителей на линиях электропередачи, то наличие в нейтрали сети дугогасящего реактора способствует предотвращению развития в сети феррорезонансных процессов (в частности самопроизвольного смещения нейтрали).