Замыкание фазы на землю в сети с изолированной нейтралью

Режим изолированной нейтрали используют при напряжении до 1 кВ только в электроустановках с повышенными требованиями безопасности (взрывоопасные установки и др.). При напряжении 6...35 кВ такой режим нейтрали рекомендован ПУЭ во всех электроустановках.

Причина широкого распространения режима работы с изолированной нейтралью заключается в том, что в такой сети замыкание одной фазы на землю не является КЗ. Сеть с изолированной нейтралью может эксплуатироваться до нескольких часов с замыканием фазы на землю. Ток замыкания на землю получается во много раз меньше, чем ток междуфазных КЗ. Это главное достоинство сети с изолированной нейтралью. В такой сети обычно нет необходимости в применении специальных быстродействующих защит от замыкания на землю, т. е. не требуются дополнительные затраты на выполнение и эксплуатацию защиты.

Однако при замыкании на землю обнаруживается такой недостаток сети, как возникающие перенапряжения на поврежденных фазах относительно земли.

На рис. 1, а приведена упрощенная схема с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А. В месте замыкания проходит ток замыкания на землю Í_з.з. Он обусловлен емкостями фаз сети С_В, С_С относительно земли. Значение этого тока невелико и обычно не превышает 100 А.

Рис. 1. Упрощенная схема с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А

В нормальном режиме (рис. 1, б) напряжения фаз относительно земли одинаковы и составляют U_Ф = U_Л /√3, где U_Л — линейное напряжение. При замыкании фазы А на землю потенциал фазы А становится равным нулю, т. е. потенциалу земли (рис. 1, в). Напряжения поврежденных фаз В и С относительно фазы А останутся такими же, как и в нормальном режиме, потому что линейные напряжения не изменяются. Таким образом, напряжения фаз В и С относительно земли возрастают до линейных, U’_В = U’_C = U_Л (увеличиваются в √3 раз), т. е. коэффициент замыкания на землю равен √3. При этом увеличивается возможность перехода замыкания на землю в двойное, которое является коротким замыканием и сопровождается большим током.

В сети с изолированной нейтралью изоляция фаз относительно земли выбирается по линейному напряжению, чтобы сеть могла длительно работать с замыканием на землю.

Правила технической эксплуатации (ПТЭ) электрических станций и сетей Российской Федерации допускают работу воздушных и кабельных линий с замыканием на землю при изолированной нейтрали сети до устранения повреждения. При этом к отысканию места повреждения следует приступать немедленно и ликвидировать повреждение в кратчайший срок из-за опасности поражения током людей и животных.

Фазные напряжения в сети с изолированной нейтралью при замыканиях на землю могут превышать линейные напряжения, что обусловлено возникновением так называемой перемежающейся электрической дуги. Термин «перемежающаяся» означает, что электрическая дуга горит неустойчиво: загорается на некоторое время, затем гаснет и, спустя интервал времени, загорается вновь. Переходные процессы, возникающие в электрической схеме сети (рис. 1, а) с учетом перемежающейся дуги, приводят к появлению перенапряжений, которые могут достигать (3,0+3,5)11, где U — амплитуда фазного напряжения в нормальном режиме. Такое часто приводит к пробою изоляции, особенно электродвигателей напряжением выше 1 кВ.

Наличие перенапряжений, обусловленных перемежающейся электрической дугой, является основным недостатком сети с изолированной нейтралью. Этот недостаток объясняет обилие предложений по оптимизации режима нейтрали городских электрических сетей.

Основным способом снижения перенапряжений при замыкании на землю, согласно ПТЭ, является компенсация емкостного тока замыкания на землю, что достигается с помощью специальных дугогасящих реакторов (катушек индуктивности), которые включают между нейтралью сети и заземлителем. В соответствии с ПТЭ, компенсация i_{3 3} производится, если его значение больше приведенных ниже:

Некомпенсированные токи в месте замыкания на землю могут обеспечить неустойчивое горение электрической дуги, т. е. в итоге привести к появлению перенапряжений. Особенно опасно замыкание на землю в сетях с воздушными линиями на железобетонных и металлических опорах, т. к. ток I_З.З может вывести из строя заземляющие устройства и несущие металлические части опор. Поэтому в сетях напряжением 6—35 кВ с воздушными линиями на указанных опорах допустимое значение тока замыкания на землю составляет 10 А.

Ток в месте замыкания на землю вычисляется по приближенной формуле

где U — линейное напряжение, кВ; l_В — суммарная длина воздушных линий сети, км; l_К — суммарная длина кабельных линий сети, км.

Метод последовательных интервалов позволяет установить предельное время отключения КЗ, учесть действие регуляторов возбуждения, изменение реакции якоря во времени и т.д.

Рассмотрим уравнение движения ротора генератора

.

Решение этого уравнения в форме δ = f(t) дает картину изменения угла во времени и позволяет установить, остается ли генератор в синхронизме.

Однако это уравнение нелинейно и не может быть решено в общем виде (за исключением частного случая Р_max = 0). Задачу приходится решать методами численного интегрирования уравнений. Одним из них является рассматриваемый метод последовательных интервалов. Для этого весь процесс качания генератора разбивается на ряд небольших интервалов времени Δt и для каждого из этих интервалов последовательно вычисляется приближенное значение приращения Δδ.

В момент КЗ отдаваемая генераторами мощность падает и возникает некоторый избыток мощности ΔР₍₀₎. Для достаточно малого интервала времени Δt можно допустить, что избыток мощности в течение этого интервала остается неизменным. Тогда по формулам равномерно ускоренного движения можно определить приращение скорости генератора Δv₍₁₎ и угла Δδ₍₁₎ в течение первого интервала:

; .

Относительная скорость машины в момент КЗ равна нулю, и поэтому относительная скорость v₍₁₎ в конце первого интервала равна приращению скорости в течение этого интервала, т.е. v₍₁₎ = Δ v₍₁₎.

Ускорение α₍₀₎ определяется

,

следовательно,

, (14.1)

здесь угол и время выражены в радианах.

В практических расчетах удобнее пользоваться выражением угла в градусах

(14.2)

и времени в секундах

. (14.3)

Используя (14.2) и (14.3) и принимая во внимание, что , получаем:

(14.4)

где угол выражен в градусах, а время и постоянная инерции – в секундах.

Обозначая далее , окончательно получаем:

. (14.5)

Зная приращение угла в первом интервале, можно найти абсолютное значение угла в конце этого интервала времени или, что то же самое, в начале следующего интервала: .

Для нового значения угла δ₍₁₎ можно определить избыток мощности ΔР₍₁₎ во втором интервале времени по формуле

.

Избыток мощности ΔР₍₁₎ создает во втором интервале пропорциональное ему ускорение α₍₁₎. При вычислении приращения угла Δδ₍₂₎ в течение второго интервала (а также и всех последующих) помимо действующего в этом интервале ускорения α₍₁₎ необходимо учесть также уже имеющуюся в начале интервала относительную скорость ротора:

. (14.6)

Поиск по сайту: