Токи замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью. Достоинства электрических сетей с изолированной нейтралью.

 

В России сети 6-35 кВ работают с изолированной нейтралью, если токи замыкания на землю не превышают 10 А для воздушных сетей на железобетонных и металлических опорах, а в кабельных сетях и в воздушных при деревянных опорах не превышают 30А при U=6 кВ, 20А при U=10 кВ и 10А при U=35 кВ [1, п. 1.2.16], [25, п.2.8.13]. Главное достоинство таких сетей – обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей при однофазных замыканиях на землю, которые составляют до (70-80) % от всех видов повреждений.

Сначала рассмотрим сопротивления и проводимости линий электропередачи. Провода линий электропередач переменного тока обладают продольными активными и индуктивными сопротивлениями r_л и x_л, а также поперечными активными и емкостными проводимостями g_л и b_л. Для изображения ких линий на схемах замещения применяют П-образные или Г-образные схемы замещения (рисунок 7.8, а).

Активное сопротивление проводов переменному току при частоте 50 Гц практически равно омическому сопротивлению постоянному току. Оно зависит от сечения и материала провода и определяется по формулам курсов физики и электротехники. Индуктивное сопротивление линии не зависит от материала и сечения провода и зависит только от взаимного расположения фазных проводов. Для воздушных линий (ВЛ) индуктивное сопротивление изменяется от 0,37 до 0,47 Ом/км, а для кабельных линий (КЛ) от 0,07 до 0,1 Ом/км. В приближенных расчетах допускается принимать Х_Л=0,4 Ом/км для ВЛ и Х_Л=0,08 Ом/км для КЛ.

 

Рисунок 7.8 – Схемы замещения однофазной линии электропередачи

Активная поперечная проводимость обусловлена несовершенством изоляции КЛ и ионизацией воздуха (коронированием) вблизи проводов ВЛ и представляет собой величину, обратную сопротивлению утечки. В практических расчетах нормального режима поперечная активная проводимость КЛ и ВЛ обычно не учитывается (рисунок 7.8, б).

Емкостная поперечная проводимость обусловлена наличием емкостных

связей между проводом и землей, а также между фазами. Емкостная проводимость играет большую роль как при включении линии под напряжение, так и при замыканиях одной из фаз на землю. Рассмотрим ее подробнее. Схема замещения трехфазной ВЛ из конденсаторов с ёмкостями фаз относительно земли С_АЗ, С_ВЗ, С_СЗ и между фазами С_АВ, С_ВС, С_СА, показана на рисунке 7.9, а.

Рисунок 7.9 – Эквивалентные схемы замещения с ёмкостными проводимостями: а) для несимметричных трёхфазных ЛЭП, б) для симметричных трёхфазных ЛЭП.

 

В общем случае емкости отдельных фаз по отношению к земле могут отличаться из-за разного расстояния фазных проводов до земли. В инженерных расчетах трехфазные линии принимаются симметричными (рисунок 7.9, б). Для симметричных трёхфазных линий имеют место равенства

= С₀;

С_АВ = С_ВС = С_СА = С_М,

 

где С_Ф - емкость фазного провода по отношению к земле;

С_М - междуфазная емкость;

С₀ – ёмкость нулевой последовательности, которая для симметричной линии равна емкости фазного провода по отношению к земле.

Значения удельных значений фазных емкостей С_УД указаны в справочниках. Чем длиннее линия, тем ее емкость больше ее емкость по отношению к земле:

Рассмотрим свойства сетей с изолированной нейтралью на примере электрической сети с одной линией электропередачи (рисунок 7.10).

 

Рисунок 7.10 – Фрагмент электрической сети с изолированной нейтралью

 

Электрическая сеть изолирована от земли и не имеет ни одной точки связи с землей. В нормальном режиме по линии протекает ток нагрузки I_Н, обусловленный передачей мощности в нагрузку (рисунок 7.10. а). Однако если отключить нагрузку выключателем Q в конце линии (рисунок 7.10. б), то по фазным проводам линии будет протекать небольшие токи I_С (рисунок 7.10, б). Эти токи называют емкостными или зарядными токами линии. Объясняются они наличием емкостей фазных проводов линии по отношению к земле. На рисунке 7.9, а эти емкости обозначены С_АЗ, С_ВЗ, С_СЗ, на рисунке 7.10, в они обозначены С_А, С_В и С_С. В реальной сети емкости распределены равномерно по всей длине линии. Для удобства анализа распределенные емкости фаз относительно земли на схемах замещения изображают в виде сосредоточенных емкостей. Схема замещения линии с отключенной нагрузкой приведена на рисунке 7.9, б. Ток в линии при отключенной нагрузке определяется только емкостной проводимостью. При этом продольной сопротивления практически не влияют на величину емкостного тока и их на схеме замещения не изображают (рисунок 7.9, в и рисунок 7.10, в)).

В нормальном режиме напряжения фаз сети по отношению к земле U_А, U_В и U_С равны соответствующим фазным напряжениям по отношению к нейтрали трансформатора U_АN, U_ВN и U_СN. Векторы этих напряжений образуют симметричную звезду, а напряжение нейтрали по отношению к земле U_NЗ равно нулю (рисунок 7.11).

 

Рисунок 7.11 – Векторная диаграмма напряжений и емкостных токов в нормальном режиме

 

Емкостное сопротивление фаз по отношению к земле, равное х=1/(ωС), в тысячи раз больше продольных активных и индуктивных сопротивлений воздушной или кабельной линии. Поэтому величина зарядного тока линии практически не зависит от продольных сопротивлений линий и определяется только поперечной емкостной проводимостью. При равных фазных напряжениях U_А= U_В = U_С= U_Ф емкостные токи фаз также равны между собой

 

I_С,А = I_С,В = I_С,С = U_ф·ω·C (7.3)

 

Зарядные токи носят емкостной характер. На векторной диаграмме (рисунок 7.11) векторы зарядных токов опережают векторы соответствующих фазных напряжений на 90^о. По сравнению с током нагрузки зарядный ток мал, в нормальных режимах работы заметного влияния на работу сети не оказывает и в расчетах нормального режима не учитывается. Поэтому на рисунке 7.10, а он не показан.

Предположим теперь, что в какой-либо точке сети произошло замыкание одной фазы на землю, например, из-за нарушения (пробоя) изоляции. Для упрощения анализа предположим, что замыкание на землю металлическое, то есть без переходного сопротивления в месте повреждения (рисунке 7.12).

Рисунок 7.12. Пути протекания токов замыкания на землю в сети с одной линией

 

Из схемы рисунка 7.12 наглядно видно, что сеть имеет только одну точку связи с землей. Это значит, что замыкание одной фазы на землю не привело к образованию короткозамкнутого контура. Это первое важное свойство сетей с изолированной нейтралью. Из него следует, что в сети с изолированной нейтралью при замыкании на землюодной фазы не возникает ток короткого замыкания. Поэтому замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью нельзя называть коротким замыканием. По общепринятой технической терминологии его называют «простым замыканием на землю» или просто «замыканием на землю», без добавки «короткое».

Несмотря на то, что замыкание одной фазы на землю не приводит к образованию короткозамкнутых контуров, ток на землю в месте повреждения все же возникает. Он, как и зарядный ток, обусловлен емкостными проводимостями фаз сети относительно земли и носит емкостной характер. Рассмотрим пути протекания и величину тока замыкания на землю в месте повреждения. Допустим, что в точке К произошло замыкание на землю фазы А (рисунок 7.12). Тогда ток в месте повреждения протекает по двум контурам:

- в одном конуре (точка К – земля – емкость С_В – провод фазы В – фаза В трансформатора – нейтраль N – фаза А трансформатора – провод фазы А до точки замыкания К) под действием междуфазного напряжения АВ:

- в другом (точка К – земля – емкость С_С – провод фазы С – фаза С трансформатора – нейтраль N – фаза А трансформатора – провод фазы А до точки замыкания К) - под действием междуфазного напряжения АС.

При этом ток в месте повреждения I_З равен векторной сумме токов I_С,В и I_С,С двух контуров и определяется выражением

 

, (7.4)

где U_ВА и U_СА – междуфазные напряжения фаз В и С относительно поврежденной фазы А. Векторная диаграмма напряжений и токов при замыкании на землю показана на рисунке 7.13.

Рисунок 7.13 – Векторная диаграмма напряжений и емкостных токов при металлическом замыкании на землю фазы А

 

Векторная сумма двух междуфазных напряжений U_ВА и U_СА по величине равна утроенному фазному напряжению относительно нейтрали и направлена противоположно вектору напряжения поврежденной фазы А

 

 

При этом для тока в месте замыкания из (7.4) получаем

 

(7.5)

 

Таким образом, ток замыкания на землю в месте повреждения всего лишь в три раза превышает емкостной зарядный ток одной фазы нормального режима. Это означает, что емкостной ток в месте повреждения несущественно отличается от зарядного тока линии и не может называться током короткого замыкания.

Векторная диаграмма напряжений и токов на рисунке 7.13 была получена для сети с одной линией на рисунке 7.12. Если электрическая сеть содержит несколько линий электропередачи, то векторная диаграмма и не изменится, только вместо емкостных токов I_С,В и I_С.С фаз В и С одной линий будут суммарные токи ΣI_С,В и ΣI_С.С фаз В и С всех линий электрической сети. При этом в знаменателе выражений (7.4) и (7.5) будет эквивалентное емкостное сопротивление всей электрической сети:

, (7.6)

 

где эквивалентное емкостное сопротивление всей электрической сети

, (7.7)

где ΣС_Ф – суммарная емкость всех линий электрической сети.

Пути протекания емкостных токов при ЗНЗ в сети с двумя линиями показаны на рисунке 7.14.

 

Рисунок 7.14. Пути протекания токов замыкания на землю в сети с двумя линиями

 

При замыкании на землю на линии Л2 в неповрежденных фазах каждой из линий Л1 и Л2 протекают емкостные токи I_сЛ1 и I_сЛ2, обусловленные емкостями С_Л1 и С_Л2 соответствующей линии. Ток в месте повреждения равен сумме емкостных токов всех линий сети.

В инженерной практике для вычисления емкостных токов в месте повреждения в сетях любой конфигурации применяется формула [24]

 

, (7.8)

 

где U_СР.НОМ – среднее номинальное напряжение сети; l_К (l_В) -суммарная длина кабельных (воздушных) линий сети. При суммарной длине КЛ l₁=1,0 км и длине воздушных линий сети 35 км ток замыкания на землю в сети напряжением 10 кВ составит всего 2.1 А

Так как ток замыкания на землю мал, то малы и емкостные токи в фазных проводах электрической сети. При этом токи в фазных проводах ЛЭП определяются в основном токами нагрузки и практически при замыкании на землю не изменяются. При этом практически не изменяются потери напряжения в сети, а, следовательно, не изменяются ни фазные напряжения сети по отношению к нейтрали, ни линейные напряжения сети. Отсюда следует следующее важное свойство сетей с изолированной нейтралью: при замыкании фазы на землю треугольник линейных напряжений в сети, в том числе и на вводах потребителя не изменяется.

Из перечисленных свойств сети с изолированной нейтралью следует, что при однофазных замыканиях на землю режим работы электроприемников в сети не изменяется. Поэтому замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью считается не аварийным, а лишь ненормальным режимом, при возникновении которого сеть и поврежденная линия могут оставаться включенными и в течение некоторого времени продолжать работу. Питание потребителя при этом не прерывается.

Таким образом, достоинствами сетей с изолированной нейтралью с точки зрения надежности электроснабжения являются:

- замыкание одной фазы на землю не приводит к образованию короткозамкнутых контуров, при этом при замыкании на землю не возникает токов короткого замыкания; - при замыкании фазы на землю треугольник линейных напряжений в сети, в том числе и на вводах потребителя, не изменяется, при этом токи, потребляемые электроприемниками из сети, также не изменяются;

- так как ни напряжения, ни токи электроприемников не изменяются, то питание потребителей при однофазных замыканиях на землю не прерывается, причем режим работы электроприемников электроэнергии при однофазных замыканиях на землю не изменяется.

Поэтому замыкание одной фазы на землю не является КЗ и не является аварийным режимом. Это ненормальный режим работы сети, при котором поврежденную линию можно не отключать релейной защитой.

Учитывая, что замыкание на землю является самым распространенным видом повреждения в распределительных сетях (доля этих повреждений в сетях 6-35 кВ составляет до 75% и более от общего числа повреждений), сохранение в работе поврежденной линии и бесперебойное электроснабжение при замыканиях на землю являются важнейшими достоинствами сетей с изолированной нейтралью. Поэтому в нашей стране они получили широкое распространение для распределительных сетей напряжением 6-35 кВ всех промышленных предприятий, в том числе для сетей нефтяных промыслов, НПС, нефтеперерабатывающих заводов и т.д.

В то же время сети с изолированной нейтралью имеют ряд недостатков. Рассмотрим их.