1.2. Влияние режима нейтрали сети на уровень перенапряжений

В зависимости от номинального напряжения нейтраль может быть изолирована или заземлена. При номинальном напряжении 6 кВ, 10 кВ, 15 кВ, 20 кВ, 35кВ нейтраль трансформатора делается изолированной, а при напряжении 110 кВ применяется заземленная или эффективно заземленная нейтраль электрической сети. В сетях напряжением 220 кВ и выше применяется глухозаземленная нейтраль.

В сетях с изолированной нейтралью для того чтобы напряжение на нейтрали было равно нулю необходимо соблюсти условие, которое заключается в том, что углы между векторами напряжений фаз должны быть равны 120 ^º (рис.1.2). Но это условие не всегда соблюдается, так как емкости разных фаз могут быть не равны. В зависимости от расположения проводов над поверхностью земли, рельефа местности будет изменяться и емкость относительно земли.

Рис. 1.2. Векторная диаграмма напряжений в симметричной сети с изолированной нейтралью

При увеличении протяженности ЛЭП емкость возрастает, и наоборот. Величина емкостного тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) напрямую зависит от протяженности ЛЭП и может варьироваться от 2 до 30А.

Наличие несимметрии фаз на ЛЭП приводит к изменению диаграммы напряжений, т.е. углы между векторами изменяются, вследствие чего напряжение на нейтрали становится неравным нулю.

Рис.1.2. Несимметрия фаз в сети при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ)

Достоинства изолированной нейтрали сети заключаются в том, что:

1) при однофазном замыкании на землю потребитель не отключается автоматически и продолжает получать электроэнергию по двум здоровым фазам;

2) можно сэкономить на релейной защите и автоматике, так как в случае однофазного замыкания на землю при небольшом токе однофазного замыкания можно надеяться на самопогасание дуги и полное восстановление электрической прочности изоляции воздушной ЛЭП.

Линии напряжением до 35 кВ включительно не защищаются тросом по всей длине линии. Трос подвешивается только на подходе к подстанции. Длина этого защитного подхода может быть 1 – 2 км. Во время грозового сезона однофазные замыкания на линиях часто возникают из-за удара молнии в провода воздушных ЛЭП, вследствие чего может возникнуть перекрытие изоляторов.

При попадании молнии в ЛЭП образуется канал разряда молнии, проводимость которого становится соизмеримой с проводимостью провода. В этот момент через канал начинает протекать ток молнии. Процесс протекания тока молнии длится лишь несколько десятков микросекунд а потом по каналу протекает сопровождающий ток однофазного замыкания на землю величиной всего в несколько ампер или десятков ампер. Сопровождающий ток, протекающий через канал, изменяется по синусоидальному закону. Происходит быстрое охлаждение канала разряда, что ведет к его деионизации т.е. проводимость канала уменьшается.

Рис.1.3. Однофазное перекрытие изоляции при ударе молнии

В тот момент, когда ток проходит через нулевое значение, происходит самопогасание дуги, ионизационный процесс прекращается и электрическая прочность изоляционного промежутка самовосстанавливается. Вероятность самопогасания дуги напрямую зависит от величины емкости линии. Если емкость имеет большое значение, ток однофазного замыкания на землю также возрастает и полной деионизации изоляционного промежутка не происходит. В этом случае возникает так называемая перемежающаяся дуга, которая приводит к дуговым перенапряжениям, при этом дуга то гаснет, то вновь загорается и служит своего рода контактором. Этот случай является самым тяжелым для оборудования подстанций или станций. Тем не менее режим изолированной нейтрали обеспечивает надежное снабжение потребителей, так как в этом случае потребитель не чувствует замыканий на линии.

При замыкании на землю одной фазы (режим ДПЗ), напряжение в оставшихся здоровых фазах будет равно (рис. 1.4). Уровень внутренних перенапряжений в таких сетях относительно высокий, так как напряжение на здоровых фазах определяет установившиеся перенапряжения, на которые накладываются свободные колебания.

Рис. 1.4. Векторная диаграмма напряжений при ОЗЗ на фазе 3.

Режим ДПЗ оказался очень актуальным в пятидесятые годы прошлого века, так как длины линий в послевоенные годы были небольшими, а значение тока емкостного не превышало 5 А.

При попадании молнии в деревянную опору, опора расщепляется и в некоторых случаях может обломиться и провод может упасть на землю. В этом случае возникает режим ДПЗ, который удобен тем, что не происходит прерывания снабжения потребителей.

Этот режим также хорош тем, что не требовал отключения ОЗЗ сразу же после пробоя изоляции одной из фаз кабеля, так как при отключении трудно найти место ОЗЗ в кабеле. В режиме ДПЗ место замыкания сначала определяли с помощью специальных приборов и только потом отключали кабельную линию и ремонтировали.

Но после того как длины линий со временем стали увеличиваться, а соответственно и возрастала емкость линий, ситуация стала меняться. Те режимы, которые были хороши для коротких линий, стали непригодны для длинных линий. Необходимо было искать новые способы повышения надежности электроснабжения потребителей. Широко стали применяться дугогасящие реакторы (ДГР), которые способствовали уменьшению тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).

На рис. 1.5. показан случай однофазного замыкания на землю в сети с дугогасящим реактором.

Рис. 1.5. Обрыв фазы с замыканием на землю

Режим точной настройки ДГР ( ) существует при равенстве емкостного тока однофазного замыкания на землю и индуктивного тока, протекающего через ДГР. Этот режим самый выгодный по остаточному току (ток небольшой и легко гасится).

Рассмотрим варианты разной степени настройки ДГР.

Режим точной

настройки К = 1

Рис. 1.6. Векторные диаграммы токов в сети с ДГК

Рекомендуется режим точной настройки или перекомпенсации не более 5%. При недокомпенсации (I _L  I _C, К < 1 ) напряжение нейтрали очень большое (больше 1,5U_ф) за счет резонансного процесса в контуре (рис. 1.7). При перекомпенсации (I _L  I _C, К > 1 ) напряжение на нейтрали меньше.

ДГР