3193

4) в сетях напряжением до 1 кВ емкостные сопротивления различных элементов электрической системы значительно превышают их индуктивные сопротивления и при расчетах последние обыкновенно не учитывают.

В таком случае полные проводимости проводов 3-х фазной 4-х проводной системы относительно земли в комплексной форме могут быть представлены в виде:

Ya=ga+j Ca

Yb=gb+j Cb

Yc=gc+j Cc (1.1)

Yo=go+j Co;

где: ga, gb, gc, gо – активные проводимости изоляции между фазными поводами (a, b, c) нулевым проводом (о) и землей; Ca ,Cb ,Cc ,Cо -эквивалентные емкости фаз относительно земли и емкость нулевого провода относительно земли

соответственно.

Комплексная проводимость нулевой точки трансформатора (генератора) относительно земли в зависимости от способа заземления нейтрали может учитывать:

-сопротивление заземляющего устройства rз (Yo=1 rз);

-сопротивление дугогасящей катушки zk = rk+j Lk

[Yo=1 (rk+ j Lk)].

Здесь: rk и Lk -соответственно активное сопротивление и индуктивность катушки.

-активное сопротивление; -реактивное индуктивное сопротивление дугогасящей

катушки L(Y0=1 j L).

Всистеме с изолированной нейтралью Yo=0

Всистеме 3-х фазных напряжений при симметричной нагрузке (ga=gb=gc и Ca=Cb=Cc) в нормальном режиме

11

напряжения фаз относительно земли U a,U b и U c симметричны, равны по модулю и равны фазному напряжению U ф, геометрические суммы токов утечки через

При нессиметрии нагрузки по активной (ga gb gc) или реактивной (Ca Cb Cc) составляющим, симметрия фазных напряжений нарушается. Напряжение смещения нейтрали U00' в этом случае определяется формулой:

здесь и далее с индексом “ ' ” отмечены величины напряжений для нессиметричных, в том числе аварийных режимов работы системы.

В соответствии с классической теорией нессиметричных режимов 3-х фазных цепей введем оператор a=еj2/3 , учитывающий сдвиг фаз.

Примем, что U a=Uф (фаза А – основная), тогда напряжение в фазе В отстает:U b=a2Uф, а напряжение в фазе С опережает: U c=aUф напряжение в фазе А на 2/3 или 120 электрических градусов.

Тогда, выражение (1.2) может быть записано в виде:

12

Напряжения фаз относительно земли при нессиметрии системы определяются из выражений:

Ua' Ua U00' Uф (1 а2) Yв (1 а) Yc Y0

Ya Yв Yc Y0

Uв' Uв U00' Uф (а2 1) Yа (а2 1) Yc а2 Y0

Ya Yв Yc Y0

(1.4)

Uс' Uс U00' Uф (а 1) Yа (а2 а) Yв а Y0

Ya Yв Yc Y0

Токи в фазах и нулевом проводе при нессиметрии нагрузки определяются исходя из следующих выражений:

а токи в фазах:

Ia' Ua'Ya Uф Ya (1 а2) Yв (1 а) Yc Y0

Ya Yв Yc Y0

Iв' Uв' Yв Uф Yв (а2 1) Yа (а2 1) Yc а2 Y0

Ya Yв Yc Y0

(1.6)

Выражения (1.3-1.6) являются основными расчетными соотношениями для анализа трехфазных систем во всех возможных нессиметричных режимах.

13

2.2. Системы с изолированной нейтралью

Рассмотрим режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе с рабочим напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью.

относительно земли. Расчетная схема замещения системы для нормального симметричного режима работы представлена на рис. 1.2а.

Данная расчетная схема характерезуется следующими значениями линейных и фазных напряжений:

UA=UВ=UC=Uф; U0=0 IСА=ICВ=ICC=IC

ICA IСВ ICC I0 0

В случае повреждения изоляции и последующем полном (металлическом) замыкании, например фазы А на землю (см. рис.1.2б) через место аварии К проходит ток, который замыкается через емкостные проводимости относительно земли «здоровых» фазных проводов, т.е. через YBC и YCC. Емкостная проводимость поврежденной фазы YCA шунтируется собственно замыканием и ток в фазе А справа от места замыкания равен нулю, если пренебречь очень малым током, который наводится токами ICB ICC на данном участке линии.

14

Рис. 1.2. Система с изолированной нетралью:

а) расчетная схема замещения в нормальном режиме работы; б) расчетная схема замещения при однофазном коротком замыкании на землю

Режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе можно представить в виде наложения двух состояний:

первое - нормальный режим работы, обуславливающий нормальную систему напряжений и токов;

15

второе - приложенное в месте замыкания ко всем фазам напряжения, равное по величине, но обратное по знаку напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, т.е. -

UA .

Фиктивная система напряжений (-UA ) вызывает фиктивный емкостный ток Ic0 , который, стекая в землю у

места аварии, тремя ветвями распределяется между емкостями и возвращается по неповрежденным проводам через обмотки трансформатора или генератора. Таким образом, ток, налагаясь на нормальные емкостные токи системы, усиливает их в неповрежденных фазах и компенсирует в поврежденной, создавая однофазную перегрузку трансформаторов и генераторов, и, следовательно, резкую асимметрию системы токов и напряжений.

Изложенное в предыдущем абзаце можно ясно представить по векторной диаграмме напряжений и токов при замыкания на землю фазы А (см. рис.1.3).

Напряжения всех фаз относительно земли UA' ,UB' ,UC'

при замыкании на землю фазы А определяются геометрической суммой напряжений фаз относительно земли в нормальном режиме работы UA,UB,UC и напряжения

смещения нейтрали U00' UA , т.е.

UA' UA U00' 0

UB' UB ( U A ) UB U A

UC UC ( UA) UC UA

Согласно векторной диаграмме:

напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в 3 раз и

16

становятся равными междуфазному напряжению системы, а напряжение поврежденной фазы А - нулю.

Рис.1.3. Векторная диаграмма токов и напряжений в системе с изолированной нейтралью в аварийном режиме

Емкостные токи фаз I'CA ,I'СВ ,I'CC при замыкании на землю фазы А также определяются геометрической суммой емкостных токов фаз в нормальном режиме I CA ,I СВ ,I CC и током смещения нейтрали IC' 0 ICA' , т.е.

ICA' ICA ( ICA' ) 0

ICB' ICB ( ICA) ICB ICA

ICC' ICC ( ICA) ICC ICA

17

Из векторной диаграммы следует, что ICB' 3 ICB ,

равен геометрической сумме емкостных токов «здоровых» фаз ICB' и ICC' , в аварийном режиме, т.е. согласно векторной диаграмме

IЗА (ICB' ICC' ) (YB UB' YC UC' ) j3 C UA,

т.к. здесь UB' UC' 3 UA.

Таким образом, емкостный ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю ”здоровой” фазы при нормальном режиме:

и зависит от напряжения установки (системы), частоты и емкости фазы относительно земли.

В случае неполного замыкания на землю (через некоторое переходное сопротивление, например дуги – rg) напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз - больше фазного, но меньше линейного, ток однофазного короткого замыкания на землю будет меньше, чем при полном замыкании.

Токи однофазного короткого замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью малы по сравнению с токами нагрузки и сами по себе неопасны для системы. Кроме того, в аварийном режиме работа приемников электроэнергии не нарушается, так как треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь

18

перемещается параллельно самому себе в положение, определяемое напряжением смещения нейтрали.

Возможность бесперебойного электроснабжения приемников в аварийном режиме однофазного замыкания на землю является основным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Однако это преимущество можно использовать без ущерба для срока службы изоляции лишь в тех случаях, когда работа установки

с замыканием на землю ограничена сравнительно небольшим периодом времени, необходимым для отыскания и устранения повреждения (не более двух часов), а ток замыкания на землю невелик. Длительная работа системы с замкнутой на землю фазой недопустима. Кроме того, при повреждении изоляции какой-либо другой фазы, возникает двухфазное короткое замыкание на землю, вызывающее протекание большого тока к.з., могущего привести к значительным повреждениям электроустановок. Потому в системах с изолированной нейтралью предусматривают специальные устройства контроля изоляции, а также специальные защитные и сигнальные устройства, работающие на отключение поврежденного участка, что также проводит к дополнительным, капитальным затратам.

Основными недостатками систем с изолированной нейтралью являются:

1)повышенные капитальные вложения, вызываемые требуемым уровнем изоляции электроустановок (увеличение напряжения неповрежденных фаз относительно земли до величины линейного напряжения);

2)возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появление перемежающихся дуг, имеющих при определенных условиях устойчивый характер и

вызывающих перенапряжения, превосходящие в 2,5 3,2 раза нормальное фазное напряжение, которое распространяется на всю электрически связанную сеть.

19

Возникновение электрической дуги в месте замыкания на землю может повредить электрооборудование и вызвать двухфазные и даже трехфазные короткие замыкания, а перенапряжения могут привести к пробою изоляции и образованию к.з. в частях установок с ослабленной изоляцией. Следствием этого является неизбежность действия релейной защиты, что влечет за собой увеличение числа аварийных отключений (в том числе и неповрежденных участков), приводящих иногда к полному “развалу” системы электроснабжения. Кроме этого, возникает опасное электромагнитное влияние на линии связи, значительно возрастают градиенты напряженности электромагнитного поля вблизи места повреждения и, следовательно, напряжения прикосновения и шага, на что система с изолированной нейтралью, обычно не рассчитывается.

Рассмотренные недостатки, значительно усложняют эксплуатацию систем с изолированной нейтралью, ограничивают область их применения системами, где емкостный ток однофазного короткого замыкания на землю не может привести к появлению устойчивых перемежающихся дуг. В соответствии со сказанным выше, согласно ПУЭ, системы с изолированной нейтралью рекомендуются при емкостных токах однофазного к.з. на землю не более 10 А при напряжении сетей 35 кВ; 15 А – для сетей от 15 до 20 кВ; 20 А – для сетей 10 кВ; 30 А – для сетей 6 кВ и 5 А в блоках «генератор – трансформатор» (на генераторном напряжении 6-20 кВ).

Если токи однофазного к.з. на землю превышают указанные выше значения, то применяют либо компенсацию емкостных токов путем введения в нейтраль дугогасящей катушки, либо заземление нейтрали.

20