Электрическая схема замещения сети с изолированной нейтралью для определения тока ОЗЗ Нагрузка в режиме ОЗЗ не обтекается током замыкания. Её влияние сводится лишь к небольшому падению напряжения на сопротивлении сети → пренебрегаем сопротивлениями нагрузки. Фазные емкости Cф оказывают току на частоте 50 Гц сопротивление, значительно превышающее сопротивление сети → пренебрегаем сопротивлением источника. 1 Определение тока замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью Ток замыкания определяется геометрической суммой токов неповрежденных фаз, которые опережают приложенные к фазным емкостям напряжения UAB и UAC на 90º: I з I B cos30 I C cos30 Ток в фазе C совпадает по модулю с током в фазе B: IC I B ω CфU AB ω Cф 3U ф Ток замыкания на землю: I з 3ω CфU ф При ОЗЗ треугольник линейных напряжений сохраняется → возможно продолжать электроснабжение потребителей 2 При малых значениях тока замыкания на землю, энергии, выделяемой в дуге, оказывается недостаточно для ее устойчивого горения, и канал дуги распадается, при этом устраняется и замыкание на землю. Предельные значения токов замыкания, при которых устойчивое существование дугового замыкания еще затруднено, нормированы Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и определяют область применения сетей с изолированной нейтралью. Если расчетный ток замыкания Iз превышает нормированные значения, то такая сеть должна эксплуатироваться в режиме нейтрали, заземленной через дугогасящий реактор. 3 Допустимые токи однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью Номинальное напряжение, кВ Допустимый ток (ПУЭ), А Протяженность Протяженность кабельных сетей, км воздушных сетей, км 6 30 9,2÷92 1530÷1840 10 20 3,7÷37 610÷740 20 15 1,4÷14 230÷280 35 10 0,5÷5 85÷105 Для линий на металлических и железобетонных опорах независимо от класса напряжения допустимый ток составляет 10 А В сетях генераторного напряжения – 5А Ток замыкания на землю может быть выражен через протяженность сети lc: I з 3ω CфU ф 3ω Сфlс U ф Погонная емкость Сф составляет: для кабельных сетей 0,1÷1,0 мкФ/км; для воздушных сетей 0,005÷0,006 мкФ/км. 4 В настоящее время кабели 6–35 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют однофазную или трехфазную конструкцию (с пофазно экранированными жилами). В обоих случаях каждая токоведущая жила имеет индивидуальный медный экран, а значит у линий, построенных такими кабелями, отсутствует межфазная емкость Cм. Следовательно, емкость прямой последовательности C1 = C0 + 3Cм и емкость нулевой последовательности C0 равны друг другу, и становится понятно, почему кабельные заводы указывают в своих каталогах одно значение C1 = C0, называемое «рабочей емкостью кабеля». Емкость кабеля прямо пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости его изоляции. Поскольку у изоляции из сшитого полиэтилена ε = 2,4 о.е., а у бумаги, пропитанной маслом, ε = 4,2 о.е., то может показаться, что для современных кабелей рабочая емкость должна быть вплоть до 2-х раз меньше, чем у кабелей предыдущих поколений. Однако, если разобраться, емкость современных линий, не меньше, а даже больше! 5 Дело в том, что емкость зависит не только от , но и от сечения жилы кабеля, и от толщины его изоляции. Сейчас предельное сечение жилы трехфазного кабеля 6–35 кВ достигает 240 мм2, что не сильно отличается от сечений трехфазных кабелей с бумажно-масляной изоляцией. Вместе с тем, появление и развитие однофазных кабелей дало возможность практически неограниченного роста сечения жилы, и известны линии, где оно достигает 1500–2000 мм2, а это на порядок выше того, что было возможно в сетях, построенных трехфазными кабелями с бумажно-масляной изоляцией. Также у новых кабелей иные рабочие напряженности электрического поля в изоляции, а значит и другая ее толщина. Указанные факторы приводят к тому, что больше недопустимо использовать известную со времен СССР эмпирическую формулу для тока в кабельной сети где Uном — номинальное напряжение сети (в кВ), lсум — суммарная длина кабельных линий (в км), Iозз — ток замыкания (в А). 6 На Рисунке даны результаты расчетов тока замыкания на землю по устаревшему эмпирическому выражению (5) и по точной формуле (1), куда были подставлены значения рабочих емкостей кабелей классов 10, 20, 35 кВ различного сечения жилы, заимствованные из каталога фирмы АВВ 7 Суммарная длина кабелей в сети при вычислениях принята равной 1 км, также полагалось, что все кабели имеют одинаковое сечение жилы. Представленная зависимость Iозз от сечения жилы могла быть также получена, если из каталога взять не рабочую емкость кабеля, а приведенный там же «емкостный ток на фазу» Iсф, который затем утроить Iозз = 3 · Iсф. Например, согласно рисунку для кабельной сети 10 кВ протяженностью 1 км по старой формуле имеем ток замыкания всего 1 А, тогда как по каталогу для обычных сейчас кабелей сечением жилы 630 мм2 с изоляцией из сшитого полиэтилена имеем ток замыкания 4 А. Как видно, несмотря на малую диэлектрическую проницаемость полиэтилена, емкостные токи в современных кабельных сетях 6–35 кВ могут быть в разы выше, чем были ранее. Указанный факт следует учитывать тем специалистам, кто занимается расчетами параметров данных сетей. 8 Допустимые токи однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью Откуда взялись допустимые значения токов ОЗЗ? Все разновидности ОЗЗ можно разделить на 2 группы: устойчивые – имеется устойчивая гальваническая связь поврежденной фазы с землей либо связь через переходное сопротивление; неустойчивые (дуговые перемежающиеся) – последовательность самоустраняющихся пробоев изоляции. Характер дугового разряда в месте повреждения будет во многом определяться величиной тока замыкания: при малом токе дуга горит неустойчиво, гаснет при переходе тока через ноль, и после нескольких повторных зажиганий (ПЗ) гаснет окончательно; при большом токе дуга горит устойчиво, при переходе тока через ноль электрическая прочность промежутка не успевает восстановиться из-за большой остаточной проводимости канала разряда; при промежуточном значении тока наблюдаются многократные погасания и зажигания дуги Допустимое значение тока – минимальное значение тока, вызывающее устойчивое горение дуги. 9 Осциллограммы параметров сети с изолированной нейтралью в режиме «металлического» ОЗЗ (без учета Lc) 10 Как было установлено, в установившемся режиме ОЗЗ напряжение на поврежденной фазе становится равным нулю, а на здоровых фазах – линейному напряжению. Наличие в сети индуктивностей приводит к тому, что этот режим устанавливается в ходе колебательного переходного процесса, который можно рассмотреть с помощью схемы. 11 Переходный процесс содержит две стадии. Сначала, в момент замыкания tз ключа К, емкость Cф фазы A разряжается через сопротивление в месте замыкания Rз, а междуфазные емкости Cмф, подключенные к фазе А, оказываются соединенными параллельно с емкостями Cф неповрежденных фаз. Напряжения на этих емкостях почти мгновенно уравниваются и приобретают значения UB,нач и UС,нач, которые можно найти из уравнения баланса зарядов. Для фазы B суммарный заряд на фазной и междуфазной емкости до замыкания ключа составлял после коммутации эти емкости соединяются параллельно, и откуда, с учетом того, что заряд не может мгновенно измениться, получаем: 12 13 Если замыкание происходит как показано на рисунке – в момент времени, когда напряжение в фазе A минимально, то, в силу малости падений напряжения на активном сопротивлении сети Rс и ее индуктивности Lс (сопротивления сети много меньше емкостных), можно записать: Вторая стадия переходного процесса связана с повышением фазных напряжений до линейных значений в установившемся режиме замыкания. В зависимости от переходного сопротивления в месте замыкания этот процесс может носить колебательный или апериодический характер. В большинстве случаев в сетях реализуется колебательный процесс, характеризующийся угловой частотой ω1 и коэффициентом затухания α1. Напряжение на неповрежденных фазах B и C можно представить в виде суммы напряжения нового установившегося режима, к которому стремится переходный процесс, и свободной составляющей: 14 15 16 17
