5.4. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью

Этот вид перенапряжений по продолжительности можно отнести к установившимся перенапряжениям, но причина их возникновения вызвана частой коммутацией (прерыванием) дуги в месте замыкания сети на землю.

В сетях 6-35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, при однофазных замыканиях на землю короткого замыкания не происходит. По линиям протекают небольшие по величине емкостные токи и на приемниках такой режим никак не сказывается. Согласно Правилам (ПУЭ) линию с поврежденной изоляцией разрешается не отключать в течении 2 часов (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Схема замещения при дуговом замыкании на землю

При металлическом замыкании на землю одной фазы, в здоровых фазах данной линии и всех остальных, гальванически связанных линиях, увеличивается напряжение относительно земли до линейного значения за счет несимметрии (см. п. 5.3). В случае неплотного контакта с землей в точке замыкания появляется электрическая дуга, которая при переходе тока замыкания на землю через нуль гаснет, а затем вновь зажигается. Такую неустойчивую дугу называют перемежающей дугой.

Емкости проводов линий в здоровых фазах относительно земли при перемежающей дуге периодически подзаряжаются аналогично тому, как мы рассматривали в предыдущем случае при отключении емкости (см. п. 5.3.6). В результате напряжения в здоровых фазах относительно земли увеличиваются до такой величины, при которой происходит интенсивное стекание остаточных зарядов в землю через сопротивления утечки по изоляторам линии, то есть пока процесс не уравновесится.

Существуют 3 теории развития перенапряжений при дуговых замыканиях на землю, которые отличаются друг от друга в основном моментом времени гашения дуги.

По теории Петерсена (20 годы) гашение дуги происходит при переходе через нуль высокочастотного тока переходного процесса разряда емкости, то есть также как и в п. 5.3.6. По теории Петерса и Слепяна дуга гаснет при переходе через нуль емкостного тока замыкания на землю промышленной частоты. По теории Белякова (СССР) – при переходе через нуль суммарного емкостного и высокочастотного токов и в зависимости от напряжения смещения нейтрали при однофазном замыкании.

По Петерсену максимальные перенапряжения достигают 7-ми кратного значения , по Белякову – 4-х кратного значения. Опыт эксплуатации показал, что перенапряжения, равные появляются с вероятностью не более 3-5 % (сказываются потери на корону).

Дуговые перенапряжения воздействуют на всю сеть в целом и опасны не только величиной, но и длительностью. Пробой изоляции в здоровых фазах может произойти в любой точке сети, гальванически связанной с поврежденной линией. Такие виды повреждений характерны для высоковольтных электродвигателей, подключенных к сетям 6-10 кВ.

Для ограничения дуговых перенапряжений применяется 2 способа: классический – нейтраль сети заземляют через дугогасящую катушку Петерсена и более современный – резистивное заземление нейтрали.

По первому способу (см. пунктирные линии на рис. 5.12, б) индуктивный ток дугогасящей катушки в месте замыкания на землю проходит навстречу емкостному току . При равенстве этих токов наступает резонанс, при котором восстанавливающееся напряжение в точке замыкания на землю после погасания дуги медленно нарастает и дуга если и зажигается, то через очень большие промежутки времени, достаточные для полного стекания в землю остаточного заряда линии через сопротивления утечки. Дугогасящие катушки (зеземляющие реакторы) типа ЗРОМ рекомендуется применять в сетях, у которых значение суммарного емкостного тока замыкания на землю превышают 10, 20, 30 А, соответственно при номинальных напряжениях 35, 10, 6 кВ.

По второму способу в нейтраль сети включают бетеловый резистор (активное сопротивление). При этом применяют либо высокоомное сопротивление резистора, величина которого выбирается достаточной для быстрого стекания остаточного заряда линии при перемежающей дуге, либо низкоомное сопротивление порядка 100-180 Ом, которое не только нейтрализует остаточный заряд линии, но и создает активный ток замыкания на землю около 40 А, достаточный для четкого срабатывания релейной защиты от замыкания на землю.

Следует отметить, что остаточный заряд линии при перемежающей дуге накладывается на переменное напряжение источника питания. Поэтому трансформатор напряжения, подключенный к шинам подстанции, оказывает большое сопротивление переменному току и стекание остаточных зарядов линии в землю через его активное сопротивление не происходит.