Сети с резонансно заземленными нейтралями

9.3.1. Длительно допускаемый ток замыкания на землю

Длительно допускаемым током замыкания на землю Iдоп называется ток, который, протекая в течение 2 часов, не вызывает перехода в междуфазное КЗ.

Для линий электропередачи и оборудования распределительных устройств представляют опасность тепловые и ионизирующие воздействия электрических дуг, возникающих при замыкании на землю.

Длительное горение дуги с токами, превышающими критические значения, может привести к разрушению фарфоровых изоляторов, междуфазной изоляции кабелей или витковой изоляции трансформаторов и способствовать возникновению КЗ.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является средством дугогашения. По сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, правильно используемая компенсация емкостных токов в сетях имеет следующие преимущества:

– уменьшает ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе – до активных составляющих и высших гармоник), обеспечивает надежное дугогашение (предотвращает длительное воздействие заземляющей дуги) и безопасность при растекании токов в земле;

– облегчает требования к заземляющим устройствам;

– ограничивает перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2,5-2,9 U_Ф(при степени расстройки компенсации 0...0,5 %), безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

– значительно снижает скорости восстанавливающихся напряжений на поврежденной фазе, способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

– предотвращает набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, чем сохраняется качество электроэнергии у потребителей (Q = I_С U_ФV = 0 при резонансной настройке);

– предотвращает развитие в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали), если выполняются ограничения в отношении применения плавких предохранителей на линиях электропередач;

– обеспечивает высокую надежность работы высоковольтных линий без грозозащитного троса;

– исключает ограничения по статической устойчивости при передаче мощности по линиям электропередач.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой.

Принцип компенсации емкостных токов замыкания на землю показан на схеме рис. 9.9 (в действительной сети к месту замыкания на землю токи подтекают по всем фазам линий через обмотки нагруженных питающих и питаемых трансформаторов, образуя точки токоразделов в сети и земле).

а б в

Рис. 9.9. Cхемы сети при замыкании на землю и векторные диаграммы токов емкостного и активного в сети (а); тока в дугогасящей катушке (ток компенсации) (б); результирующего тока в месте повреждения (в)

Распределенные емкостные и активные проводимости сети на землю равны, соответственно:

и . (9.13)

Последние обусловлены активными утечками в изоляции и потерями в дугогасящей катушке (рис. 9.9 а).

Ток дугогасящей катушки (рис. 9.9 б) возникает в результате воздействия на нее напряжения смещения нейтрали U_Н = – U_А. Он равен:

, (9.14)

где L_К – индуктивность дугогасящей катушки;

r_о – сопротивление, эквивалентное активным потерям дугогасящей катушки.

При целесообразно используемой компенсации не менее 85 % замыканий на землю ликвидируется в сети без ущерба для энергоснабжения потребителей.

Длительная работа сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью допускается при емкостных токах замыкания на землю, не превышающих следующие значения:

Таблица 9.1

Указанные значения токов соответствуют требованиям [3]. Однако исследования опасности воздействия заземляющих дуг и перенапряжений, а также опыт эксплуатации показали, что в сетях 6 и 10 кВ целесообразно применять дугогасящие катушки тогда, когда емкостные токи замыкания на землю достигают, соответственно, 20 и 15 А. В блочных схемах генератор – трансформатор (на генераторном напряжении), а также в сетях 6-35 кВ с повышенными требованиями к безопасности обслуживания (сети торфоразработок и т. п.) дугогасящие аппараты применяются, если емкостные токи замыкания на землю достигают 5 А.

9.3.2. Дугогасящие катушки

Дугогасящая катушка представляет собой индуктивность, предназначенную для гашения дуги емкостного тока замыкания на землю и ограничения перенапряжений при повторных зажиганиях заземляющей дуги.

По способам регулирования тока компенсации дугогасящие катушки разделяются на три основных вида:

а) с переключением ответвлений обмотки;

б) с изменением зазоров в магнитной системе;

в) с изменением индуктивности подмагничиванием постоянным током.

Дугогасящие катушки подключаются к нейтрали трансформаторов или генераторов разъединителями (рис. 9.10). Изолирующий ввод катушки, предназначенный для заземления, соединяется с общим заземляющим контуром через трансформатор тока.

В схеме на рис. 9.10 а предусмотрена возможность подключения двух дугогасящих катушек к нейтрали любого из трансформаторов, если один из них отключен от сети по каким-либо причинам. В схеме на рис. 9.10 б мощность каждой дугогасящей катушки выбрана из расчета компенсации емкостного тока замыкания на землю сети, питаемой от соответствующей секции шин. Для подключения дугогасящих катушек использованы трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда – треугольник.

Разъединитель между нейтралью трансформатора и дугогасящей катушкой устанавливается для ее отключения и включения при необходимости изменить настройку. Установка этого разъединителя обязательна, так как отключение ненагруженного трансформатора с дугогасящей катушкой разъединителем Р может привести к возникновению перенапряжений в сети (рис. 9.10 б).

Объединение нейтралей трансформаторов через нулевую шину
(рис. 9.10 а) недопустимо, так как при раздельной работе этих трансформаторов со стороны сети при наличии в ней замыкания на землю напряжения на нейтрали U₀ одинаково изменяют фазные напряжения разделившихся частей сети, вследствие чего становится невозможным определение части сети, в которой произошло замыкание на землю. Для одной из частей сети будет иметь место эффект мнимого замыкания на землю, избавиться от которого можно только отключением трансформатора. Кроме того, при повреждении изоляции трансформатора, питающего сеть с мнимым замыканием на землю, отключение его действием газовой или дифференциальной защиты от шин и от источника питания не предотвращает протекание тока через место повреждения, так как на нейтрали имеется напряжениеU₀.

Выключатель со стороны питающей сети устанавливается тогда, когда трансформатор, к нейтрали которого подключена дугогасящая катушка, предназначен для питания нагрузки. Например, такой трансформатор целесообразно использовать для питания собственных нужд. Выключатель заменяется разъединителем, если трансформатор предназначен только для подключения дугогасящей катушки. Обмотки такого трансформатора нормально обтекаются намагничивающими токами. Токи нулевой последовательности появляются в них лишь при замыкании на землю в сети.

Дугогасящие катушки могут подключаться к нейтралям генераторов или синхронных компенсаторов. При этом должны быть приняты меры, предотвращающие срабатывание защиты генератора (компенсатора) при замыкании на землю в сети или же при возникновении в ней какой-либо несимметрии проводимостей фаз на землю. Это достигается пропусканием заземляющей шины дугогасящей катушки через магнитопровод ТНП
(рис. 9.10 в и г) или же выполнением схемы дифференциальной защиты от замыканий на землю. На магнитопровод ТНП устанавливается дополнительная обмотка, включаемая в цепь трансформатора тока в нейтрали генератора, через который протекает ток дугогасящей катушки.

В схеме блока генератор-трансформатор (рис. 9.10 д) дугогасящая катушка устанавливается непосредственно у генератора (в ячейке вывода генератора). Для таких дугогасящих катушек применяются упрощенные схемы контроля и сигнализации.

в г д

Рис. 9.10. Типовые схемы подключения дугогасящих катушек к нейтралям трансформаторов и вращающихся электрических машин:
а – двойная дугогасящая катушка подключается к трансформатору
(при ремонте одного из трансформаторов обе катушки подключаются
к работающему трансформатору); б – Т-1 не имеет нагрузки, Т-2 имеет нагрузку, поэтому он подключается к шинам через выключатель Q;
в – дугогасящая катушка располагается вблизи генератора или синхронного компенсатора (в камере силовой генератор или синхронный
компенсатор электрически связан с распределительной сетью;
г – дугогасящая катушка установлена в ячейке далеко от генераторов;
д – дугогасящая катушка подключена к нейтрали генератора, работающего по схеме блока

Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили осуществлять полную компенсацию емкостного тока сети при любых конфигурациях сети.

9.3.3. Настройка дугогасящих катушек

Схема простейшей резонансно-заземленной сети приведена на
рис. 9.11. Нейтраль заземлена через дугогасящую катушку с индуктивностью L_Н и активным сопротивлением R_Н.

Рис. 9.11. Схема замещения электрической сети с заземлением нейтрали
через дугогасящую катушку

В случае замыкания фазы на землю через переходное сопротивление R_П в месте повреждения, по сравнению с незаземленной сетью, появляется ток, обусловленный дугогасящей катушкой:

. (9.15)

Максимальный индуктивный ток дугогасящей катушки при металлическом замыкании на землю будет равен:

.

Тогда . (9.16)

Индуктивная составляющая тока в месте замыкания на землю зависит от настройки дугогасящей катушки. Возможны три режима настройки: а) резонансный, когда ; б) недокомпенсации ( ) и
в) перекомпенсации ( ).

Наиболее эффективна резонансная настройка, при которой получается минимальный ток в месте замыкания на землю, и, как следствие, обеспечиваются наилучшие режимы работы сети. При резонансной настройке реактивная мощность остается такой же, как и до замыкания на землю, т. е. замыкания на землю не отражаются ни на потребителях, ни на источниках питания. Однако резонансная настройка не всегда возможна: во-первых, из-за того, что катушки типа ЗРОМ имеют ступенчатое регулирование индуктивности; во-вторых, из-за того, что параметры сети в процессе эксплуатации могут изменяться вследствие режимных и аварийных отключений.

Перекомпенсация характеризуется резким снижением реактивной нагрузки при зажигании заземляющей дуги и таким же увеличением нагрузки при погасании дуги. При недокомпенсации происходит резкое увеличение нагрузки при зажигании заземляющей дуги и снижение ее при погасании дуги.

Дуга лучше всего погасает при резонансной настройке. При отклонении от резонанса условия гашения ухудшаются и поэтому вынужденные расстройки рекомендуется принимать в пределах %. Отклонения от резонансной настройки можно допускать лишь в крайних случаях. Так, иногда невозможно добиться резонансной настройки на катушках со ступенчатым регулированием, имеющих малое число ответвлений.

Таким образом, при выборе настроек дугогасящих устройств должны выполняться следующие условия:

– настройка должна быть резонансной;

– допускаются расстройки в сторону перекомпенсации, при которых в сетях 6-10 кВ избыточный ток дугогасящих катушек не превышает 5 А, а степень расстройки не более 5 % . При большой разнице токов смежных ответвлений катушек временно допускается настройка с избыточным индуктивным током до 10 А;

– в сетях 35 кВ при емкостных токах не менее 15 А разрешается увеличивать степень расстройки до 10 %;

– смещение нейтрали во всех режимах сети не должно приводить к повышениям напряжений фаз относительно земли, опасным для изоляции.

Предельными называются следующие напряжения смещения нейтрали (по отношению к нормальному фазному напряжению сети):

допускаемые длительно – не менее 15 % ;

допускаемые в течение 1 часа – не более 30 % ;

аварийные – 100 % , ограничиваемые временем работы компенсирующих устройств (обычно 2 ч).

Последние рекомендации исходят из следующего: во-первых, при самом неблагоприятном фазном сдвиге, когда напряжение смещения нейтрали оказывается в противофазе с одним из фазных напряжений, напряжение двух фаз уменьшается примерно на 9,5 %, а напряжение одной фазы возрастает на 15 % , что допустимо для изоляции длительно. Во-вторых, в течение 1 ч удается отыскать и устранить причины, обусловившие повышение напряжения на нейтрали (найти и ликвидировать обрыв провода или растяжение жилы кабеля, подключить отключенную линию, изменить настройку и т. д.). Наконец, аварийное смещение возникает при замыканиях на землю или при отсутствии замыкания в неполнофазном режиме.

Выбрав ответвления катушек по условию полной или почти полной компенсации тока замыкания, проверяют смещение нейтрали, рассматривая с этой целью при всех эксплуатационных – нормальных и аварийных – схемах сети возможные случаи появления емкостной несимметрии. Если в нормальном состоянии воздушной сети напряжение несимметрии не выше существующей нормы (0,75 % U_Ф), то рассматриваются только аварийные режимы. В кабельных сетях, где нормальной несимметнии нет, рассматриваются только аварийные случаи.

9.3.4. Выводы

Основным достоинством резонансно-заземленных сетей является то, что наиболее вероятные виды нарушения изоляции – замыкание фаз на землю – не развиваются в междуфазные КЗ, что позволяет оставить поврежденный участок сети на время, достаточное для его отыскания и отключения без перерыва питания потребителей. Статистика показывает, что примерно 70 % всех замыканий на землю в компенсированных сетях не сопровождается развитием в междуфазные КЗ. При наличии автоматической настройки эта цифра повышается до 80-90 % .

Кроме того, дугогасящие катушки ограничивают перенапряжение при дуговых замыканиях на землю до 2,2U_Ф против 4,2 для незаземленных сетей. Однако поскольку коэффициент эффективности заземления нейтрали резонансно-заземленных сетей остается таким же, как и у незаземленных сетей, то здесь также применяются 115 % разрядники и должен иметь место соответствующий им уровень изоляции. Таким образом, изоляция незаземленных и резонансно-заземленных сетей получается относительно дорогой. Поэтому рациональная область незаземленных и резонансно-заземленных сетей – это область относительно небольших напряжений. В нашей стране исторически сложилось так, что граница этой области лежит на уровне 35 кВ, а в практике других стран – в диапазоне от 20 до 110 кВ.

Если ток замыкания на землю не превышает , то сеть оставляют работать с незаземленными нейтралями, в противном случае нейтрали обмоток машин, установленных в узловых точках сети, заземляют через дугогасящие катушки. Защита от замыканий на землю выполняется специального типа и с действием на сигнал.

Малый ток замыкания на землю, с одной стороны, облегчает конструктивное выполнение заземлений, но, с другой стороны, значительная продолжительность режима замыкания на землю заставляет предъявлять более жесткие требования безопасности.