Перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях на

15. Перенапряжения при однофазных дуговых замыканиях
на землю в сетях с изолированной нейтралью и их ограничение
15.1. Общие сведения
Замыкания на линиях, однофазные и междуфазные, можно подразделить
на дуговые и металлические. При дуговых замыканиях соединение токоведущих частей между собой или землей происходит через малое сопротивление
дугового канала. Такие замыкания могут возникать вследствие воздействия
грозовых или внутренних перенапряжений (при сильном загрязнении гирлянд,
изоляторов), либо вследствие механических воздействий.
Возникновение дуговых перенапряжений обычно связано с перемежающимся характером дуги в месте замыкания.
Металлическое замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью
приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до U л  3U ф .
Если же замыкание на землю происходит через неустойчивую (перемежающуюся) дугу, горение которой сопровождается повторными погасаниями и зажиганиями, то как на здоровых, так и на поврежденной фазах сети возможно развитие перенапряжений.
Из опыта эксплуатации известно, что гашение открытой дуги в воздухе
обычно управляется током рабочей частоты, а дуга в масле может гаснуть и при
прохождении через нуль высокочастотного тока.
Исследования показали, что существенную роль в механизме развития
дуговых перенапряжений играет характер восстановления электрической прочности дугового промежутка после гашения дуги. От скорости восстановления
прочности дугового промежутка зависит возможная амплитуда смещения потенциала всей системы, а следовательно, и возможные перенапряжения.
Внутренние перенапряжения, как правило, не приводят к перекрытию
изоляции линий нормального уровня. Но в редких случаях такие перекрытия
242
возможны. Случаи перекрытия гирлянд вследствие их загрязнения наблюдаются в промышленных районах.
Дуговые замыкания механического происхождения происходят при касании проводов разных фаз или земли (или при соответствующем снижении изоляционных промежутков) в результате сильных порывов ветра, сброса гололеда, пляски проводов, а также набросов.
При металлическом замыкании переходное сопротивление в месте замыкания обычно очень мало. Чаще всего такие замыкания обусловлены непосредственным контактом проводящих частей и имеют устойчивый характер. Иногда
замыкания приобретают устойчивый характер в результате развития аварии,
например, при пережоге проводов во время дугового замыкания.
Из общего числа отключений линий электропередачи процент отключений, связанных с дуговыми замыканиями составляет 70…90%.
15.2. Перенапряжения в трехфазной сети
Рассмотрим возникновение перенапряжений в трехфазной сети. На рис. 1а
приведена расчетная схема трехфазной сети с изолированной нейтралью. На
этой схеме показаны фазные ЭДС ес, еь, еа, индуктивности и сопротивления фаз L
и R, а также емкости фаз на землю С и междуфазовые См.
Рис. 1. Исходная (а) и преобразованная (б) схемы сети
с изолированной нейтралью источника при замыканиях одной из фаз на землю
243
Пусть на фазе А возникает однофазное замыкание через неустойчивую
дугу. Тогда для расчета возникающих перенапряжений схему на рис. 3а можно представить в виде схемы на рис. 1б. После зажигания дуги на поврежденной фазе А емкости С и См неповрежденных фаз соединяются параллельно, как
это видно из рис. 1б и происходит перераспределение зарядов между емкостями.
Перераспределение свободных зарядов на емкостях С и См приводит к снижению амплитуды свободных колебаний напряжения в соответствии с соотношением С/(С+ См). Примерные значения соотношения С/(С+ См) для линий электропередачи 35 составляют 0,744.
Значения перенапряжения при повторном зажигании дуги можно определить по формуле:
T

C
U max  U к  U к  U н 
e 2,
C  Cм
(1)
где Uн – начальное значение напряжения на неповрежденных фазах в момент
повторного зажигания;
Uк – значение установившегося напряжения колебаний;
e

T
2
– коэффициент, учитывающий затухание высокочастотных колебаний,
который принимается обычно равным 0,9.
Если принять, что при перовом повторном зажигании в момент максимума напряжения поврежденной фазы в сети нет остаточных зарядов, то максимальное перенапряжение на поврежденной фазе, достигаемое в переходном
процессе, будет равно:
U max  1,5U ф  0,91,5U ф  0,5U ф   2,4U ф .
Кратковременные перенапряжения порядка 3Uф не опасны для нормальной изоляции при рабочих напряжениях до 35 кВ включительно. Однако длительные перенапряжения могут привести к тепловому пробою изоляции. Кроме
того, на процесс развития перенапряжений в сетях часто действуют дополнительные факторы, повышающие кратность перенапряжений. Замечено, в частности, что при неустойчивых дугах на неповрежденных фазах часто срабаты244
вают разрядники, имеющие пониженную кратность разрядного напряжения при
рабочей частоте. Работа разрядников может привести к появлению перенапряжений, опасных для изоляции. Действительно, если происходит гашение дуги
разрядником на неповрежденной фазе, а поврежденная фаза заземлена, то восстанавливающееся напряжение изменяется от нуля до 2Uл = 3,46Uф. Поэтому
каждый раз, когда происходит срабатывание разрядников, на изоляцию здоровых фаз воздействует перенапряжение 3,46Uф.
15.3. Перенапряжения при обрыве фазного провода
Существенное повышение перенапряжений происходит при дуговых замыканиях на землю, сопровождающихся обрывом фазного провода. На рис. 2:
ес, еь, еа – фазные ЭДС; С0 – емкость фазы на землю; Сп – емкость части поврежденной фазы, имеющей дуговое замыкание на землю, причем очевидно, что
Сп < С0.
Обрыв фазного провода может произойти в результате длительного горения и теплового действия заземляющей дуги. Эквивалентная однофазная
расчетная схема при обрыве провода приведена на рис. 3. Под действием
напряжения, равного 1,5Uф, на поврежденной фазе возникает напряжение относительно земли
1,5UфСэк/(Сэк +
Сп), а на неповрежденных фазах
1,5UфСп/(Сэк + Сп).
Рис. 2. Схема сети при
замыканиях на землю с обрывом
провода поврежденной фазы
Рис. 3. Расчетная однофазная
схема для сети по рис. 2
Тогда напряжение смещения нейтрали при погасании дуги может быть
подсчитано по формуле:
245
U см  1,5U ф
Cэк
U
 п. г ,
Cэк  Cп
2
(2)
где Uп.г. – пик гашения.
Величина пика гашения равна удвоенному значению (Uсм – Uф), т.е.
Uп.г. = 2(Uсм – Uф) (рис. 4).
Рис. 4. Процесс восстановления напряжения на поврежденной фазе
при погасании дуги
Напряжение смещения нейтрали может значительно превосходить фазное
напряжение, что приводит к большим перенапряжениям:
1,5U ф
C эк
 Uф .
C эк  Cп
(3)
Для иллюстрации этого на рис. 5 приведены кривые зависимости максимальных перенапряжений от отношения Сп/С0. Кривые построены для трехфазной сети по формуле (7) при допущении, что Uп. г = 0,4Uф. Из кривых следует,
что при малых отношениях Сп/С0, т.е. при отсоединении большей части емкости поврежденной фазы, возможны опасные для изоляции перенапряжения.
Рис. 5. Зависимости перенапряжений от отношения Сп/С0
(1. См = 0; 2. См = С0/3)
246
15.4. Перенапряжения в сети с дугогасящим заземляющим реактором
Для
линий
электропередачи
и
оборудования
распределительных
устройств представляют опасность тепловые и ионизирующие воздействия
электрических дуг, возникающих при замыканиях на землю.
Заземляющие дуги могут быть разделены на две категории: дуги, свободно горячие в открытой атмосфере, – растягивающиеся дуги; дуги, горящие в
какой-либо изолирующей или полупроводящей закрытой среде, – нерастягивающиеся дуги.
К первой категории относятся, например, дуги, возникающие в результате перекрытий нормальной, а также ослабленной изоляции или изоляционных
расстояний при грозовых поражениях высоковольтных линий, в результате
коммутационных или феррорезонансных перенапряжений, при набросах или
механических повреждениях. Появление заземляющих дуг возможно при обрывах токоведущих элементов электрической установки, когда дуги токов
нагрузки обусловливают значительную ионизацию окружающего пространства.
Ко второй категории относятся главным образом дуги, возникающие при
повреждениях в концевых или соединительных кабельных муфтах, непосредственно в кабельной изоляции, в изоляции машин и трансформаторов, в дугогасительных камерах выключателей, отключающих замыкания на землю, а также
в щелевых дефектах вводов и изоляторов.
Погасание заземляющей дуги наступает тем позднее, чем больше ток дуги. В эксплуатационных условиях заземляющие дуги обычно не имеют большого теплосодержания и высокой температуры (до 1000°С), поэтому воздействие
этих дуг на фарфоровую изоляцию и медные токоведущие части и, особенно, на
трансформаторную сталь, а также сталь статоров вращающихся машин не
опасно. Однако заземляющие дуги при токах, превышающих критические величины, становятся устойчивыми и могут расплавлять, например, токоведущие
части из алюминия. Открытые дуги могут растягиваться на значительные расстояния (несколько метров), быстро ионизируя вокруг себя значительный объ247
ем воздуха, что создает благоприятные условия для возникновения междуфазных коротких замыканий на линиях электропередачи и в распределительных
устройствах.
Испарение и разложение масла или пропиточной массы, выделение деионизирующих газов из обжигаемых дугой стенок изолирующего материала,
быстрое испарение влаги, содержащейся, например, в трещинах фарфоровых
изоляторов, приводит к возникновению ударных давлений в виде взрыва и к
продольно-поперечному обдуванию возникшей дуги. Это обусловливает расщепление дуги, интенсивный отбор тепла, резкое снижение ее температуры и
быстрое повышение сопротивления. Происходит принудительный обрыв тока
замыкания на землю.
Длительное горение заземляющих дуг с токами, превышающими критические значения, может привести к разрушению фарфоровых изоляторов междуфазной изоляции кабелей или витковой изоляции трансформаторов и способствовать возникновению коротких замыканий.
Компенсация емкостного тока замыкания на землю является бесконтактным 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…2,6 Uф (при степени расстройки компенсации 0…5%), безопасных для
изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;
- значительно снижает скорости восстанавливающихся напряжений на
поврежденной фазе, способствует восстановлению диэлектрических свойств
248
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 = IcUф = 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 электропередачи;
- обеспечивает высокую надежность работы высоковольтных линий без
грозозащитного троса;
- исключает ограничения по статической устойчивости при передаче
мощности по линиям электропередачи.
При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут
длительно работать с замкнувшейся на землю фазой.
В сети с изолированной нейтралью трансформаторов однофазное замыкание может существовать, если емкостной ток замыкания препятствует самопогасанию дуги в месте замыкания. При включении в нейтраль трансформатора реактора (рис. 6) через место замыкания вместе с емкостным током проходит индуктивный ток, обусловленный индуктивностью реактора Lк.
Рис. 6. Схема сети с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании на землю
Подбирая соответствующее значение индуктивности реактора Lк, можно
добиться равенства емкостной и индуктивной составляющих тока замыкания
(осуществить компенсацию емкостного тока замыкания). Компенсация наступит, если выполняется условие:
249
2 
1
,
Lк 3C0
(4)
где  = 314 рад–1 – промышленная частота.
Реактор в сети играет двойную роль. При компенсации снижение тока до
остаточного значения Iост, обусловленного активными потерями в сети, способствует самопогасанию дуги в месте замыкания. Кроме того, реактор резко снижает скорость восстановления напряжения на дуге.
Значение остаточного тока Iост можно определить по схеме замещения
(рис. 7). В этой схеме Lк – индуктивность замыкающего реактора; g – активная
проводимость, учитывающая активные потери в реакторе и сети; источник
напряжения имеет значение фазного напряжения Uф в трехфазной сети.
Рис. 7. Расчетная схема для определения восстанавливающегося напряжения
на дуговом промежутке при однофазном замыкании на землю
в сети с дугогасящей катушкой
Отношение токов в индуктивности Lк и емкости 3С0 носит название
настройки заземляющего реактора:
U ф jL 
 02
Iк
1
kн 



,
I C U ф / 1 /  3C 0   2 L  3C 0  2
где 0 
(5)
1
.
3Lк C0
Остаточный ток в дуге (рис. 7):
2
2
I ост  I a2  I C  I к   I a2  I С2 1  k н  ,
(6)
где Ia = Uфg – активная составляющая тока в месте замыкания;
IС = 3UфС0 – емкостная составляющая тока, равная току замыкания в отсутствии заземляющего реактора.
250
Как видно из (6), остаточный ток Iост тем меньше, чем ближе значение kн
к единице. При kн = 1 (точная настройка реактора) через место замыкания протекает только малый активный ток (g  0).
Погасание дуги происходит при прохождении тока Iост через нулевое значение. Этому соответствует разрыв цепи между зажимами 1 и 2 (рис. 7), при
котором потенциал точки 2 изменяется с промышленной частотой ; потенциал
точки 1 с частотой 0 собственных колебаний контура Lк – 3С0. Напряжение,
восстанавливающееся на поврежденной фазе, равно разности потенциалов точек 1 и 2 и описывается следующим соотношением:


uв t   U ф sin t     e t sin 0t    ,
(7)
где  – фазовый угол напряжения в момент погасания дуги;
 – коэффициент затухания свободных колебаний.
Так как  мало и множитель e t близок к единице, то при достаточно точной настройке (kн  1) напряжение uв(t) нарастает медленно, так как   0.
Малый остаточный ток и малая скорость восстановления напряжения
способствуют гашению тока дуги замыкания на землю, что очень важно при
грозовых перекрытиях изоляции на линиях электропередачи. Самоликвидация
грозовых перекрытий улучшает электрозащитные характеристики линий. Однако в тех случаях, когда самоликвидация дуги невозможна, как, например, в
случаях пробоя или разрушения изоляторов, падения проводов на землю и т.д.,
дуга замыкания на землю не гаснет и может приобрести неустойчивый перемежающийся характер с повторными гашениями и зажиганиями. В этих случаях
на емкостях неповрежденных фаз при очередном гашении дуги могут сохраниться остаточные заряды, приводящие к появлению напряжения смещения
Uсм. Переход напряжения поврежденной фазы от нулевого значения к кривой
Uсмcos(t)+ Uфcos(t) происходит в результате колебаний, при которых формируется первый максимум напряжения на дуге:
U п. г  L
di
.
dt i 0
251
Дальнейшее нарастание напряжения в силу резонансной настройки заземляющего реактора происходит сравнительно медленно.
Повторное зажигание на поврежденной фазе при больших мгновенных
значениях напряжения возможно, однако вероятность его возникновения мала.
Это обусловлено тем, что должно произойти совпадение достаточно редких
условий: устойчивое нарушение изоляции (например, обрыв или падение провода) и повторное зажигание в самый неблагоприятный момент времени, что
сопровождается большими перенапряжениями на неповрежденных фазах.
Из изложенного следует, что необходимо стремиться к точной резонансной настройке дугогасящей катушки. Однако на практике катушка обычно
настраивается с некоторой перекомпенсацией. Причина этого состоит в следующем. Точная настройка затруднена в следствие естественной погрешности в
определении емкостного тока и ступенчатого характера регулировки катушки.
Расстройка же в сторону недокомпенсации недопустима вследствие возможности появления больших перекосов фазных напряжений. Поэтому правилами
технической эксплуатации допускается только перекомпенсация с расстройкой
не превышающей 5%.
По установившейся практике электрические сети напряжением до 35 кВ
включительно имеют незаземленную нейтраль. Если в такой сети произойдет дуговое замыкание на землю, то через дугу будет протекать емкостной ток, величина
которого определяется рабочей емкостью всех трех фазах по всей сети.
Как известно из курса ТОЭ, ток замыкания в любой линейной сети можно
определить, включая в месте замыкания источник напряжения, равного напряжению фазы до замыкания, т.е. Uф, и полагая все остальные источники напряжения нулевыми. Величины индуктивных сопротивлений, пренебрежимо малы
по сравнению с емкостными. Емкостной ток замыкания на землю равен:
Iз = Uф3Сф,
(8)
где Сф – емкость фаз на землю.
Путем симметрирования фаз – транспозицией на линиях или на подстанциях добиваются равенства емкостей Сф всех трех фаз системы. Для воздушных
252
линий удельный емкостной ток замыкания на землю, т.е. ток на 1 км линии и
1 кВ номинального напряжения, равен в среднем
ICуд = 3 мА/кмкВ.
Удельный ток в кабельных линиях лежит в пределах 60…250 мА/кмкВ в
зависимости от сечения и напряжения кабеля. Большие цифры относятся к кабелям большего сечения и меньшего напряжения.
Малый ток в дуге создает весьма благоприятные условия для ее самопогасания и восстановления первоначального состояния сети. Исследованиями в
сети и опытом эксплуатации определены предельные значения емкостного тока
IС, при которых еще обеспечивается самопогасание дуги замыкания на землю.
Эти значения приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Значение емкостных токов замыкания на землю Iз.пред,
при которых в сети должна устанавливаться дугогасящая катушка.
Рабочее напряжение, кВ
35
15…20
10
6
Iз.пред, А
10
15
20
30
Если IС > IСпред, то возникает устойчивая дуга однофазного замыкания на
землю, которая ведет к термическому разрушению изоляторов, пережогу провода и обычно перебрасывается на междуфазные промежутки, т.е. ведет к междуфазным коротким замыканиям с автоматическим отключением участка сети.
По этой причине дуговые замыкания на землю стремятся погасить в начале их
возникновения. Для этой цели служит дугогасящая катушка, включаемая в
нейтраль трехфазной сети (рис. 6). Катушка настраивается в резонанс на суммарную емкость сети на землю (3Сф). Это означает, что индуктивность катушки
должна примерно удовлетворять условию:
Lк 
1
,
 3Cф
2
0
(9)
где  = 314 с–1, а 0 – круговая частота собственных колебаний;
253
Сф – емкость фазы по отношению к земле.
По определенному значению емкостных токов для сети выбирается мощность реактора:
Q = nICUф,
(10)
где n – коэффициент, учитывающий развитие сети в ближайшие 5 лет (n = 1,25).
Выбор мощности с большими запасами может привести к неполному использованию дугогасящих катушек и затруднить установку наиболее целесообразных настроек. Малые запасы мощности могут привести к необходимости
работы сети при режимах недокомпенсации, при которых возможно появление
опасных напряжений смещения нейтрали.
Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили устанавливать возможно полную
компенсацию емкостного тока сети при возможных конфигурациях сети и отключениях отдельных линий.
254