Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

В сетях, работающих с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку (сети с малыми токами замыкания на землю), замыкания одной фазы на землю не вызывает короткого замыкания, т.к. э.д.с. повреждённой фазы не шунтируется появившимся соединением с землёй. Возникающий в месте повреждения ток замыкается через ёмкость проводов относительно земли и имеет небольшую величину, например, несколько десятков ампер.

Векторная диаграмма токов и напряжений этого режима представлена на

рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Векторные диаграммы токов и напряжений при замыкании на землю фазы А в сети с изолированной нейтралью.

 

При замыкании на землю одной фазы фазное напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз U_В и U_С увеличиваются в раз и становятся равными междуфазным напряжением. (U’_В и U’_С) Через место повреждения проходит ток I_ЗА, замыкающийся через ёмкости неповрежденных фаз В и С. Ёмкость поврежденной фазы зашунтирована местом замыкания и поэтому ток через неё не проходит.

Величина тока в месте замыкания на землю: I_ЗА = ,

где Х_С = - суммарное сопротивление цепи замыкания на землю;

ƒ = 50 Гц – частота сети переменного тока;

С - ёмкость одной фазы сети относительно земли.

Так как при замыкании на землю фазы А напряжения фаз В и С относительно земли равны по величине междуфазному напряжению и сдвинуты на угол 60⁰, то:

U’_В + U’_С = 3 U_ФА и I_ЗА = 3 U_ФА ωС = 3 U_ФА 2πf C;

Линейные напряжения при этом виде повреждения остаются неизменными, поэтому оно не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов. Однако этот вид повреждения создаёт ненормальный режим, вызывая перенапряжения, что может привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповреждённых фаз и перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное к.з.

 

Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t =¦ (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

 

 

Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока.

 

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции.

Опасное для изоляции повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью.

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение ("качание") тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з.

В нормальных условиях угловые скорости wа и wв, с которыми вращаются век­торы э.д.с. Е_А и Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма частота вращения роторов генераторов Г_А и Г_В, а также частота вращения векторов их э.д.с. становятся различными.

Если предположить, что частота вращения ротора генератора Г_А стала большей, чём генератора Г_В, то и электрическая ско­рость w_А > w_В

В результате этого вектор Е_А (рисунок 5) будет вращать­ся относительно вектора Е_В с угловой скоростью скольжения w_С = w_А - w_В, а разница ΔЕ = Е_А - Е_В будет менять свою величину в зависимости от значения угла δ.

Полагая, что |Е_А|=|Е_В|=Е, из векторной диаграммы на рисунке 5 находим:

;

Таким образом, действующее значение ΔЕ меняется по закону синуса и достигает максимальной величины при δ =180°, а минимальной – при δ = 0.

Под влиянием э.д.с. ΔЕ в сети, соединяющей генераторы Г_А и Г_В появляется ток качания:

, где

Z_АВ = - эквивалентное сопротивление цепи, по которой протекает ток I_кач.

Ток качаний изменяется по закону синуса от нуля при δ = 0, когда э.д.с. генераторов совпадают по фазе, до максимального значения I_кач.max = 2Е / Х_АВ при δ =180°, когда э.д.с. генераторов противоположны по фазе. Однако в действительности при δ = 0 ток I_кач отличен от нуля, т.к. обычно Е_А ≠ Е_В.

 

Распределение напряжения при качаниях в сети представлено на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях.

В точке С, называемой электрическим центром качаний напряжение снижается до нуля, а в остальных точках сети напряжение остаётся больше нуля, нарастая от центра качаний С к источникам питания А и В.

Возрастание тока вызывает нагрев оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу потребителей системы.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.

Требования, предъявляемые к релейной защите.

Релейная защита выполняется в виде автономных устройств, устанавливаемых на элементах энергосистемы. Устройства релейной защиты реагируют на к.з. и ненормальные режимы и действуют на отключение выключателей защищаемых элементов.

Релейная защита должна срабатывать при повреждениях в защищаемой зоне (при внутренних повреждениях) и не должна срабатывать при повреждениях вне защищаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при отсутствии повреждений.

Защиты подразделяют на основные и резервные.

Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.

Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.

 

Основные требования к защите от к.з.:

Быстродействие.

Быстрое отключение повреждённого оборудования или участка электроустановки уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповреждённой части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом. Последнее условие является главным.

Допустимое время отключения к.з. по условию сохранения устойчивости зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является величина остаточного напряжения на шинах электростанций и узловых подстанций энергосистемы. Чем меньше остаточное напряжение, тем хуже условия устойчивости, тем быстрее нужно отключать к.з. ПУЭ рекомендуют определять остаточное напряжение на шинах электростанций и узловых подстанций при трёхфазных к.з. в интересующей нас точке сети. Если остаточное напряжение получается меньше 60% номинального, то для сохранения устойчивости следует применять быстродействующую защиту.

Полное время отключения повреждения t_откл складывается из времени работы защиты t_з и времени действия выключателя t_в, разрывающего ток к.з. t_откл = t_з + t_в.

Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время действия 0,02-0,1 с.