7.8.1. Особливості режимів у мережах з ізольованими або компенсованими нейтралями під час виникнення однофазних замикань на землю

Як відомо, в Україні всі мережі напругою від 1000 В до 35 кВ включно працюють з ізольованими або заземленими через дугогасильний реактор нейтралями. Як свідчить досвід експлуатації, у таких мережах кількість однофазних замикань на землю становить 75 – 90 % від загальної кількості усіх пошкоджень. Однофазні замикання на землю можна розділити на дві групи:

– стійкі замикання. Це замикання, для яких характерний стійкий гальванічний зв’язок пошкодженої фази з землею. Цей зв’язок може бути чисто металічним або через стійку дугу;

– нестійкі замикання на землю, які найчастіше зустрічаються в таких мережах. Для цих пошоджень є характерним поява дуги з наступним її самопогасанням. Цей процес може носити однократний характер або

У таких мережах під час виникнення однофазних замикань на землю струм замикання не перевищує кількох або кількох десятків ампер. Тому в таких мережах дуже важко виконати струмовий селективний чутливий захист від замикань на землю.

У лініях 6–35 кВ в нормальному режимі крім струмів навантаження протікають струми, зумовлені розподіленою вздовж ліній ємністю щодо землі. Якщо не враховувати міжфазних ємностей та поздовжніх параметрів лінії (активного та індуктивного опорів лінії), що відповідає режиму неробочого ходу лінії, то заступна схема такої лінії буде мати вигляд (рис. 7.71, а), а векторні діаграми напруг та струмів, які їй відповідаю, показані на рис. 7.71, б.

Як видно з векторної діаграми, струми мають суто ємнісний характер і випереджують відповідні фазові напруги на кут 90. Величина цих струмів, наприклад, для фази А визначається з виразу

,

(7.103)

де – еквівалентна ємність фази А щодо землі; – кутова частота, яка для частоти 50 Гц дорівнює 314.159 рад/с; – напруга фази А щодо землі.

а

б

Рис. 7.71. Заступна схема ненавантаженої лінії (а) та векторні діаграми струмів та напруг (б)

Після виникнення металічного замикання на землю (без перехідного опору в місці замикання) та завершення перехідного процесу, зумовленого перерозрядом еквівалентних ємностей, настає новий усталений режим. Для нього характерними є такі особливості. Оскільки одна фаза заземлена (наприклад, фаза А на рис. 7.2, а), то нейтраль щодо землі буде мати потенціал, який дорівнює потенціалу пошкодженої фази доаварійного режиму, тобто дорівнюватиме фазній напрузі. Напруги непошкоджених фаз В та С щодо землі зростуть до значень лінійних напруг. Ємнісні струми непошкоджених фаз так само зростуть в разів. Ємнісний струм пошкодженої фази зросте в три рази порівняно з доаварійним режимом. Вирази для розрахунку цих струмів мають вигляд

	(7.104)

де – струм замикання в пошкодженій фазі.

Векторна діаграма для усталеного режиму після замикання фази А на землю показана на рис. 7.72, б).

а б

Рис. 7.72. Розрахункова схема лінії після однофазного замикання (а)

та векторна діаграма струмів та напруг (б)

Систему векторів фазних напруг можна розкласти на симетричні складові (рис. 7.73). Як видно з розкладу після виникнення однофазного замикання на землю, у системі напруг крім прямої послідовності є напруга нульової послідовності, величина якої дорівнює напрузі непошкодженої фази щодо землі доаварійного режиму.

Рис. 7.73. Векторна діаграма та симетричні складові напруг

під час однофазного замикання на землю

Аналогічно можна розкласти і фазові струми на симетричні складові. У місці замикання є тільки струм замикання. Тому його можна розкласти на складові струмів прямої, оберненої та нульової послідовностей (рис. 7.74).

Рис. 7.74. Векторна діаграма та симетричні складові струмів в місці однофазного замикання на землю

Струми всіх послідовностей є рівні за величиною і становлять 1/3 від струму замикання .

Біля шин підстанції, від яких живиться ця лінія, фазні струми так само можна розкласти на симетричні складові. Результуюча векторна діаграма струмів та векторні діаграми симетричних складових струмів зображена на рис. 7.75. Як видно з рис. 7.75, в струмах відсутня нульова послідовність. Струм прямої послідовності становить за величиною 2/3 від струму замикання, а струм оберненої послідовності – 1/3 від струму замикання. Це твердження є справедливим тільки для однієї лінії. У випадку кількох ліній ситуація буде дещо інша.

Рис. 7.75. Векторна діаграма та симетричні складові струмів біля шин під час однофазного замикання на землю в лінії

Для нульової послідовності можна скласти розрахункову схему та пока­зати на ній розподіл струмів нульової послідовності під час однофазного зами­кання на землю (рис. 8.6). Як видно з розрахункової схеми, струми нульової послідовності замикаються лише через еквівалентні ємності фаз щодо землі.

Рис. 7.76. Розрахункова схема нульової послідовності лінії

під час однофазного замикання

Розглянемо складніший випадок, коли від шин підстанції відходить три лінії і на одній з них є замикання на землю. У цьому випадку розподіл струмів нульової послідовності буде таким, рис. 7.77. На лінії, де є пошкодження, будуть протікати струми нульової послідовності, зумовлені еквівалентними ємностями щодо землі двох непошкоджених ліній. В цьому випадку напрямок цих струмів буде від шин у лінію. На непошкоджених лініях будуть протікати струми нульової послідовності, зумовлені власними ємностями цих ліній, а напрямок їх буде від лінії до шин.

Згідно з ПВЕ, в мережах, у разі збільшення струму замикання вище 30 А для мереж 6 кВ, та більше 10 А для мереж 35 кВ, необхідно встановлювати компенсувальні пристрої. Вони являють собою котушки індуктивності і вста­новлюються в нейтралях трансформаторів підстанцій. Це можуть бути, наприк­лад, експлуатації, під час однофазних замикань на землю є досить високий порівняно з некомпенсованими мережами рівень струмів вищих гармонічних складових, і він є найбільшим саме в пошкодженій лінії.

Рис. 7.77. Струморозподіл нульової послідовності мережі під час однофазного замикання на одній з ліній

Для мереж з ізольованою або компенсованою нейтраллю характерною особливістю є можливість виникнення ферорезонансних явищ. У таких мережах може існувати як паралельний ферорезонанс (резонанс струмів), так і послідовний резонанс (резонанс напруг). Ці два види ферорезонансу вини­кають за рахунок наявності нелінійних елементів мережі, якими є вимірювальні трансформатори напруги та силові трансформатори. Індуктивність намагнічен­ня трансформаторів може змінюватись у значних межах, тому можливе виник­нення ферорезонансу на основній частоті, вищих від основної та нижчих від основної частотах.

Спонукальним фактором резонансу струму є однофазне замикання на землю. У цьому випадку резонуючий контур утворює вітка намагнічення трансформатора напруги, в якого всі обмотки заземлені, та паралельно до неї еквівалентна ємність всієї електрично зв’язаної мережі, в основному це ємності ліній щодо землі.

Причиною виникнення послідовного ферорезонансу є неповнофазні ре­жими, які можуть виникати внаслідок обриву провідника лінії, неповнофазного ввімкнення вимикача тощо. У цьому випадку контур резонансу утворюється послідовно з’єднаною віткою намагнечування силового трансформатора та еквівалентною ємністю електрично зв’язаної мережі.

У таких режимах трансформатори напруги переходять у стан глибокого насичення, що призводить до зростання в десятки разів струму намагнічення, а значить і струму, який протікає в первинній обмотці трансформатора напруги (до 4 А). Це своєю чергою зумовлює термічне перевантаження первинної обмотки трансформатора напруги та виходу його з ладу. Як показує досвід експлуатації, саме за такою причиною в мережах 6–35 кВ кожного року виходить з ладу до 10 % трансформаторів напруги.

Отже, у мережах з ізольованою або компенсованою нейтраллю під час однофазних замикань на землю виникають такі особливості:

 виникає напруга нульової послідовності, величина якої під час металіч­ного замикання на землю дорівнює напрузі пошкодженої фази доаварійного режиму. Але напруга нульової послідовності може виникати і в інших режимах. Так, під час поздовжньої несиметрії, зумовленої, наприклад, неодночасним замиканням всіх фаз вимикачем під час комутацій. Також напруга нульової послідовності може виникати під час зовнішніх збурень, наприклад, під час зовнішнього к.з. з подальшим селективним вимкненням його своїм захистом. Напруга нульової послідовності може виникати і під час ферорезо­нансних явищ, зумовлених комутаціями в мережі. Тому під час застосування захистів від замикань на землю, в яких використовується факт наявності напруги нульової послідовності, ці фактори необхідно враховувати;

 виникає струм нульової послідовності, який щодо напруги нульової послідовності має суто ємнісний характер – випереджує напругу нульової послідовності на кут 90. У пошкодженій лінії величина цього струму визнача­ється ємностями всього обладнання (лінії, шини тощо), які мають електричний зв‘язок з пошкодженою лінією. Цей струм в ушкодженій лінії протікає від шин у лінію. У непошкоджених лініях величина цього струму зумовлена власними ємностями цих ліній щодо землі і напрямок його є від лінії до шин. Величина цього струму є незначною (в некомпенсованих нейтралях вона може досягати до 30 А). Це все є характерним для мереж з ізольованими нейтралями. У мережах з компенсованими нейтралями характер розподілу струму нульової послідовності під час виникнення однофазного замикання на землю має інший характер. Так, величина цього струму в пошкодженій лінії може бути близькою до нуля, або внаслідок перекомпенсації струм у пошкодженій лінії може протікати від лінії до шин.

 виникають гармонічні складові в струмі нульової послідовності. Рівень їх є значним щодо струму основної частоти, особливо в мережах з компенсо­ваними нейтралями. Слід відмітити, що величина його є найбільшою в пошко­дженій лінії порівняно з непошкодженими. Крім цього рівень вищих гармоніч­них складових суттєво зростає під час однофазних замикань через дугу;

 існує виникнення ферорезонансу як паралельного, так і послідовного, в результаті якого багатократно зростають струми в первинних обмотках транс­форматорів напруги, що призводить до їхніх пошкоджень.