Недостатки электрических сетей с изолированной нейтралью.

 

1. В нормальном режиме потенциал нейтрали трансформатора равен потенциалу земли. При этом напряжение нейтрали по отношению к земле равно нулю (рисунок 7.15, а). При металлическом замыкании на землю фазы А потенциал земли становится равным потенциалу фазы А и на векторной диаграмме точки «А» и «З» совпадают (рисунок 7.13 и 7.15 б). При этом напряжение фазы А относительно земли снижается до нуля (U_А =0). Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным U_NЗ = -U_АN т.е. напряжение нейтрали становится равным по величине и обратным по знаку напряжению заземлившейся фазы в доаварийном режиме. Напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле повышаются до междуфазных U_В = U_ВА, U_С = U_СА. Это означает, что напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле при металлических однофазных замыканиях на землю повышается в раз.

Рисунок 7.15 – Изменение напряжений при замыкании на землю

Повышение фазных напряжений неповрежденных фаз по отношению к земле до линейных, во-первых, приводит к повышению требований к изоляции: фазную изоляцию всех видов электрооборудования необходимо рассчитывать не на фазное, а на междуфазное напряжение. Это вызывает удорожание сети, особенно существенное при напряжениях 35 кВ и выше. Во-вторых, повышение фазных напряжений до линейных повышает вероятность второго пробоя изоляции уже в неповрежденных фазах сети, в том числе в обмотках трансформаторов и электродвигателей. При этом возникает так называемое двойное замыкание на землю, представляющее собой по сути двухфазное КЗ через землю.

2. Замыкания на землю, как правило, дуговые. Температура дуги достигает 1000 и более градусов. При этом в месте повреждения выделяется большое количество тепла, что может привести к тепловому разрушению изоляции других фаз и однофазное замыкание может перейти (развиться) в междуфазное КЗ. Особенно опасно это явление в случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу, например, в КЛ.

3. При пробое изоляции КЛ или изоляции электрических машин замыкание часто имеет характер следующих друг за другом пробоев изоляции с погасанием дуги в моменты перехода мгновенных значений тока дуги через ноль. Процесс горения дуги сопровождается испарением металла проводящей жилы и разложением изоляционных материалов. При погасании дуги продукты испарения металла и разложения изоляции оседают в месте повреждения. При сравнительно небольших токах (доли ампера, единицы ампер) в месте повреждения преобладают продукты разложения изоляции. При погасании дуги они оседают и изоляционная прочность промежутка фаза – земля в месте повреждения может восстановиться и оказаться достаточной для предупреждения следующего пробоя. Место повреждения при этом может исчезнуть. Такое явление называют заплывающим пробоем.

Если же температура дуги высока, то в месте повреждения содержится значительное количество продуктов испарения металла. При погасании дуги они оседают и металлизируют осевшие продукты разложения изоляции. При этом изоляция в месте повреждения оказывается ослабленной и снова пробивается, как правило, при амплитудных значениях напряжения или близких к амплитудным. Такую дугу в месте повреждения называют перемежающейся. Повторные зажигания перемежающейся дуги могут повторяться каждый полупериод промышленной частоты. Переходные процессы, сопровождающие каждое зажигание, накладываются друг на друга. При этом в электрической сети могут возникать опасные так называемые «дуговые» перенапряжения с амплитудой, превышающей номинальное фазное напряжение сети по одним данным [24] в (4…6) раз, по другим, полученным Беляковым Н.Н. [28], в 3,5 раза. Дуговые перенапряжения, возникающие в процессе дуговых замыканий, могут привести к возникновению междуфазных замыканий и двойных замыканий на землю, которые в свою очередь, вызывают серьезные повреждения кабелей и электрических машин.

На ВЛ дуга в месте повреждения может быть открытой и закрытой. Открытая дуга возникает в виде перекрытия по внешней поверхности изолятора, например, при его увлажнении во время дождя. Открытые дуги неустойчивы и, как правило, быстро гаснут. Закрытая дуга горит в трещинах внутри изоляторов. Причина ее, как правило, в попадании влаги внутрь изолятора. В зависимости от величины тока дуга либо горит длительно, либо высокая температура дуги приводит к быстрому разрушению изолятора. В этом случае дуговое замыкание может переходить в металлическое.

4. В месте замыкания фазы на землю земля приобретает потенциал фазы φ_З = φ_Ф. При удалении от места повреждения вследствие растекания тока в земле потенциал земли φ_З снижается примерно обратно пропорционально расстоянию L от места замыкания (рисунок 7.16).

 

Рисунок 7.16 – Распределение потенциала земли вблизи места повреждения

 

Разность потенциалов двух точек земли, расположенных на расстоянии 1 м. называется напряжением шага. Вблизи места повреждения напряжение шага U_Шможет быть опасным для жизни и человека, и животных. Смертельно опасным напряжение шага может быть на расстоянии 8 м от места замыкания. Напряжение шага снижается практически до нуля на расстоянии 20 м от места замыкания. Зону на расстоянии более 20 м от места замыкания называют зоной нулевого потенциала.

5. При замыкании фазы на землю на нейтрали по отношению к земле появляется напряжение, которое называют смещением нейтрали. Величина его при металлических замыканиях равна фазному напряжению. Смещение нейтрали приводит к появлению в сети напряжения нулевой последовательности и к недопустимому ухудшению качества электрической энергии во всей электрически связанной сети, в том числе и в сети сторонних потребителей.

6. Небольшая величина токов в месте повреждения усложняет выполнение селективной сигнализации и в ряде случаев делает ее просто не возможной. Более того, небольшая величина токов в месте повреждения практически исключает определение расстояния до места повреждения под напряжением (без отключения линии) и существенно затрудняет поиск места повреждения на трассе.

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

- напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле при металлических однофазных замыканиях на землю повышается в раз, Это, во-первых, вызывает удорожание сети, особенно существенное при напряжениях 35 кВ и выше. Во-вторых, повышение фазных напряжений до линейных повышает вероятность второго пробоя изоляции уже в неповрежденных фазах сети;

- замыкания на землю, как правило, дуговые. Температура дуги достигает 1000 и более градусов. Процесс горения дуги сопровождается испарением металла проводящей жилы и разложением изоляционных материалов. При этом однофазное замыкание со временем может перейти (развиться) в междуфазное КЗ;

- в электрической сети могут возникать опасные дуговые перенапряженияс амплитудой, превышающей в (4…6) раз номинальное напряжение сети;

- вблизи места повреждения появляется напряжение шага, опасное для жизни и человека, и животных. За последствия для человека и животных, попавших под напряжение шага, отвечает ответственный за электрохозяйство предприятия (главный энергетик);

- небольшая величина токов в месте повреждения усложняет выполнение селективной сигнализации; практически исключает определение расстояния до места повреждения под напряжением(без отключения линии) и существенно затрудняет поиск места повреждения на трассе;

- смещение нейтрали приводит к недопустимому ухудшению качества электрической энергии по напряжению нулевой последовательности.

Главными недостатками сетей с изолированной нейтралью считают появление опасного для жизни напряжения шага, перенапряжения, возникающие в процессе дуговых замыканий, которые могут привести к серьезным повреждениям кабелей и электрических машин [26], и отсутствие удовлетворительных устройств селективной релейной защиты и устройств определения расстояний до места повреждения.

Опасность для жизни напряжения шага можно снизить двумя способами. Первый -– быстро отключить поврежденную линию. Но при этом теряется главное достоинство сетей с изолированной нейтралью – возможность не прекращать электроснабжение потребителей. Второй способ – снизить напряжение шага до безопасных значений. Для снижения напряжения шага необходимо снизить ток в месте повреждения,

Для снижения дуговых перенапряжений необходимо снизить ток в месте повреждения до значений, при которых дуга гаснет в момент перехода через ноль и больше не восстанавливается. Идея снижения токов замыкания на землю реализована в сетях с нейтралью. заземленной через дугогасящий реактор.

Для выполнения селективных с достаточной чувствительностью устройств релейной защиты и эффективных средств определения места повреждения необходимо, наоборот, увеличить ток в месте повреждения. Эта идея реализована в сетях с нейтралью, заземленной через активное сопротивление.