Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а так­же с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождает­ся появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.

Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в се­ти и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю () в режиме, когда нейт­раль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЭДС фаз источника питания. На рис. 9.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью С ₀. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напря­жениям U _A, U _В, U _С, которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания Е _A, Е _В, Е _С. Векторы этих фазных на­пряжений образуют симметричную звезду (рис. 9.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: U _N= 0. Под действием фазных напряжений че­рез емкости фаз относительно земли C _A, C _В, C _С проходят то­ки, опережающие фазные напряжения на 90°:

I _A = U _A /- jX _C; I _В = U _В /- jX _C; I _С = U _С /- jX _C;

где X _C = . (9.1)

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3 I ₀ отсутствует (рис. 9.2, а).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (см. рис. 9.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (U _A = 0). Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным U _N= U _КN(рис. 9.1 и 9.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

U _N = U _КN = - Е _A. (9.2)

Напряжение неповрежденных фаз относительно земли по­вышаются до междуфазных значений = U _ВАи = U _СА. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что вид­но из рис. 9.1 и 9.2.

На рис. 9.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (, , U _N)^: точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал.

Токи при замыкании на землю. В месте повреждения К про­ходят токи, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз сети (9.1). Поскольку U _А= 0, то I _A(С)= 0. В двух других фа­зах под действием напряжений и появляются токи, опережающие на 90° эти напряжения:

I _В(С)= j U _ВА / X _C и I _С(С)= jU _СА / X _C. (9.3)

Ток I _з(С)в месте повреждения равен сумме токов в фазах В и С (рис.9.1): I _з(С)= (I _В(С) + I _С(С) ). Сучетом (9.3)

I _з(С) = j = j .

Поскольку U _ВА + U _СА = - 3 Е _A (рис. 9.2, б):

I _з(С)= - 3 Е _A / X _C = - j3 U _АФ / X _C. (9.4)

Таким образом, ток I _з(С)равен утроенному значению нор­мального емкостного тока фазы I _Ф(С)= U _Ф / X _C. Из рис. 9.2, б видно, что ток I _з(С)опережает от U _N на 90°. Ток I _з(С)может быть определен по формуле

I _з(С) = 3 I _СФ = 3 U _Ф / X _C =3 U _Ф С _уд l · 10⁻⁶,

где l - общая протяженность одной фазы сети; С _уд - емкость 1 км фазы относительно земли.

В воздушных сетях I _з(С) находится в пределах от долей до нескольких десятков ампер; в кабельных - от нескольких ампер до 200-400 А в сетях больших городов.

Токи и напряжения нулевой последовательности при замы­каниях на землю. При замыкании на землю в фазных напряже­ниях и токах появляются составляющие НП:

U _0К = ( + + ); (9.5)

I ₀ = ( + + ). (9.6)

Подставляя в (9.5) значения и ,получаем

U _0К = (U _ВА + U _СА) = - Е _A = U _N. (9.7)

Поскольку сопротивление проводов значительно меньше Х _С, во всех точках сети U ₀ = U _0К. Токи I ₀, возникающие под действием U _0К, замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются. Из распределения токов I ₀, показанно­го на рис. 9.3, следует:

I _0(C) = - j U _0К/ X _C = - j Е _A / X _C = - jU _Ф / X _C, (9.8)

где U _Ф- нормальное напряжение поврежденной фазы.

Из приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что емкостный ток в месте замыкания

I _з(С) =3 I _0(С). (9.9)

Токи 3 I _0(С) и I _з(С) совпадают по фазе и опережают вектор напряжения.

Компенсированная сеть. Рассмотрим сеть, нейтраль кото­рой заземлена через дугогасящий реактор ДГР, предназначен­ный для компенсации емкостных токов в месте повреждения (рис. 9.4). При замыкании на землю напряжения во всех точках такой сети имеют те же значения, что и в сети с изолирован­ной нейтралью. При наличии ДГР под действием напряжения U _0К= U _N= - Е _Авозникает индуктивный ток I дгр, который про­ходит по замкнувшейся на землю фазе А поврежденной ЛЭП W1 к месту замыкания К и по земле возвращается в ДГР:

I _ДГР = - Е _А/ Х _ДГР. Этот ток накладывается на емкостный ток I _з(С). Являясь индуктивным, I _ДГР противоположен по фазе I _з(С). Результирующий ток

I _з = I _ДГР + I _з(С) = Е _А/ Х _ДГР + 3 Е _А С ₀.

При полной компенсации, которую обычно стремятся обес­печить, I _ДГР = I _з(С) = 3 Е _А С ₀, и тогда результирующий ток I _з = 0.

Емкостный ток НП I _0(С) (рис. 9.4, а)проходит по всем непо­врежденным и поврежденной ЛЭП. Ток I _ДГР проходит только по поврежденному присоединению W1. Ток I ₀ в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка его изолиро­вана. В неповрежденных ЛЭП (w _п) сумма фазных емкостных токов при замыканиях на землю всегда отлична от нуля и равна 3 I _{0(С) w п}. Токи I _{0(С) w п} направлены к шинам, их значения определяются емкостями С ₀ ЛЭП:

= = . (9.10)

В поврежденной ЛЭП W1 на участке от шин подстанции до точки замыкания К ток 3 I _0п.л равен суммарному току = I _з(С) в месте повреждения за вычетом тока

3 I _0(С)п.л = 3 U _0K (С ₀ - С _0нп.л). (9.11)

Ток 3 I _0(С)п.л направлен от шин подстанции к месту замыка­ния, он всегда противоположен токам 3 I _0(С) в неповрежденных ЛЭП.

При наличии ДГР ток в начале поврежденной ЛЭП 3 I _0п.л равен разности токов I _ДГР дугогасящего реактора и суммарно­го емкостного тока неповрежденных ЛЭП:

3 I _0п.л = I _ДГР - 3 I _0(С)нп.л = - (3 U _0K С ₀ -3 U _0K С _{0 W1}). (9.12)

При полной компенсации I _ДГР = 3 I _0(С)нп.л и тогда

3 I _0п.л = . (9.13)

Следовательно, в компенсированной сети в начале повреж­денной ЛЭП (между шинами и точкой К) проходит остаточ­ный индуктивный ток ДГР, численно равный емкостному току поврежденной ЛЭП (W1 на рис. 9.4). Направление этого тока при полной компенсации будет совпадать с направлением тока в неповрежденных ЛЭП. Распределение токов I ₀, пока­занное на рис. 9.4, справедливо для любых значений , т. е. для всех гармоник (кроме кратных трем) токов I ₀и I _Ф.

Токи в сети с активным сопротивлением. Иногда параллель­но дугогасящему реактору включается резистор 1? (показано пунктиром на рис. 9.4). Тогда, кроме токов I _0(С) и I _ДГР появ­ляется третий ток I _R = U _0K/ R, совпадающий по фазе с U _0Kи сдвинутый на 90° по отношению к токам I _0(С)и I _ДГР. Таким образом, при наличии резистора R ток в месте повреждения

I _з = . (9.14)