37

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет

Кафедра электроэнергетических систем

Режимы работы сетей с изолированной нейтралью

Учебно – методическое пособие

Дисциплина "Перенапряжения

в электроэнергетических системах"

Специальность 100200 заочной

формы обучения

Киров 2002

УДК 621.311

Составитель: доцент кафедры электроэнергетических систем,

кандидат технических наук Ю.Ф. Васюра

Компьютерный набор, оформление - Т.А. Сапожникова

Подписано в печать Усл.печ.л. 2,9.

Бумага книжно-журнальная. Печать матричная.

Заказ № Тираж 100.

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610000, г. Киров, ул. Московская, 36

Изготовление - Кировский областной комитет государственной статистики,

Киров, ул. Горбачева, 40

© Вятский государственный университет, 2002

1 Введение. Заземление нейтралей высоковольтных сетей

Важнейшей задачей функционирования электроэнергетических систем и сетей является обеспечение ими высокой надежности электроснабжения потребителей электрической энергией. Одним из факторов, определяющих возможность решения этой задачи с наименьшими затратами, является правильный выбор режима заземления нейтралей сетей – нейтралей, установленных в них силовых трансформаторов, автотрансформаторов и генераторов, так как от этого главным образом зависит поведение сетей при наиболее часто происходящих авариях – замыканиях фаз на землю.

Причины возникновения замыканий фаз на землю в воздушных и кабельных сетях, генераторах, трансформаторах и др. весьма разнообразны. Они возникают вследствие электрических и механических повреждений изоляции; в результате развития дефектов в изоляторах и изоляционных конструкциях; при загрязнении и увлажнении изоляции; в результате обрывов проводов и тросов; разрывов токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещениях почвы; в результате частичных повреждений изоляции при монтаже и строительстве; при развитии частичных разрядов, резко изменяющих напряженность электрического поля на границах между элементами изолирующих конструкций; а также в результате воздействия грозовых и внутренних перенапряжений. В связи с этим способы и средства повышения надежности работы высоковольтных сетей в первую очередь должны быть направлены на поддержание определенных эксплуатационных уровней электрической прочности изоляции и на предотвращение условий для развития аварий, которые, например, могут способствовать переходу однофазных замыканий на землю в междуфазные короткие замыкания.

Замыкание одной из фаз на землю является преобладающим видом повреждений в сетях всех классов напряжений. В распределительных сетях 6 – 35 кВ эти повреждения составляют не менее 75 % общего числа повреждений. В сетях 110 и 220 кВ однофазные замыкания на землю составляют соответственно 80 и 90 % . В сетях высших классов напряжений (330 – 1150 кВ) повреждения междуфазной изоляции вообще исключительно редки.

Опасность замыкания одной из фаз на землю зависит, прежде всего, от степени воздействия на токоведущие, изоляционные и магнитопроводящие конструкции электрооборудования тепловыделения и ионизации, сопровождающих горение в месте замыкания электрической дуги, а также от возможных в этом режиме повышений напряжений в сети и величин возбуждаемых перенапряжений.

Заземляющие дуги могут быть разделены на две категории: дуги, свободно горячие в открытой атмосфере, - растягивающиеся дуги; и дуги, горящие в какой-либо изолирующей или полупроводящей закрытой среде, - нерастягивающиеся дуги.

К первой категории относятся дуги, возникающие в результате перекрытий нормальной, а также ослабленной изоляции электрооборудования или изоляционных расстояний при грозовых поражениях высоковольтных линий, в результате воздействия на электрооборудование коммутационных, резонансных или феррорезонансных перенапряжений, при набросах или механических повреждениях. Появление растягивающихся заземляющих дуг возможно также при обрывах токоведущих элементов электрических установок, когда дуги токов нагрузки обуславливают значительную ионизацию окружающего пространства.

Ко второй категории относятся главным образом дуги, возникающие при повреждениях непосредственно в кабельной изоляции, в концевых или соединительных кабельных муфтах, в изоляции машин и трансформаторов, в дугогасительных камерах выключателей, отключающих замыкания на землю, а также в щелевых дефектах вводов и изоляторов.

В зависимости от режима нейтрали в высоковольтных сетях применяются два способа гашения заземляющих дуг. Один из них рассчитан на немедленное отключение места повреждения или на его отключение и, затем, после восстановления диэлектрических свойств изоляции за время бестоковой паузы, повторное включение (АПВ). Второй – на ограничение протекающего через место замыкания тока на землю, обеспечивающее самопогасание заземляющей дуги или ее безопасное горение. Эффективность указанных средств дугогашения для питающих (110 кВ и выше) и распределительных сетей (3 – 35 кВ) не одинакова.

Сети 110 – 1150 кВ согласно Правил устройства электроустановок (ПЭУ) работают с эффективно заземленной нейтралью: “глухое” заземление всех нейтралей автотрансформаторов и всех или части нейтралей силовых трансформаторов. Иногда нейтрали трансформаторов этих сетей могут быть заземлены через сравнительно малые индуктивные сопротивления. Количество заземленных нейтралей и величины сопротивлений, через которые они могут быть заземлены в этих сетях должны быть такими, чтобы при возникновении в любой точке сети однофазного или двухфазного коротких замыканий на землю отношение наибольшего фазного напряжения частоты 50 Гц на “здоровых” фазах в точке замыкания к фазным напряжениям на этих же фазах в этой же точке, появляющимся после устранения замыкания (коэффициент несимметрии ) не превышало 1.4. С другой стороны число заземленных нейтралей в этих сетях должно быть таким, чтобы величины токов при однофазных и двухфазных коротких замыканий на землю в них по возможности не превышали величин токов трехфазного к.з. ( , ).

Ограничение напряжения несимметрии на здоровых фазах при замыканиях на землю в сетях с эффективно заземленной нейтралью позволяет создать в этих сетях более благоприятные условия для работы нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников и обеспечить лучшие (более эффективные) их защитные характеристики. Соответственно уровень электрической прочности изоляции электрооборудования в этих сетях, скоординированный с лучшими характеристиками ОПН и разрядников, может быть ниже, чем в сетях с изолированной нейтралью.

Однако в сетях с эффективно заземленной нейтралью замыкание одной из фаз на землю приводит к возникновению в месте повреждения однофазного короткого замыкания, сопровождающегося протеканием как в точке замыкания, так и по элементам сети больших токов, обуславливающих необходимость в немедленном отключении поврежденного участка, так как, в этих сетях где изоляционные расстояния достаточно велики, такое отключение, как правило, позволяет исключить переход однофазного в двух – или трехфазное короткое замыкание и обеспечить минимум повреждений электрооборудования, а также в большинстве случаев дает возможность после паузы, необходимой для деионизации канала дуги, осуществить АПВ поврежденного участка и восстановить нормальное электроснабжение потребителей.

Для оборудования и сооружений распределительных сетей 6 – 35 кВ характерны меньшие междуфазные расстояния (кабели, комплектные распределительные устройства, генераторы, двигатели, реакторы и т.п.). Воздействие на них токов короткого замыкания и мощных электрических дуг особенно опасно. Грозозащита этих сетей менее надежна. Внутренние перенапряжения более вероятны и разнообразны. Распределительные сети в большей степени, чем питающие, подвержены механическим повреждениям. Уровень эксплуатации их значительно ниже и поэтому замыкания одной из фаз на землю в этих сетях более часты, чем в сетях 110 – 1150 кВ. Вследствие этого для этих сетей ПЭУ предусматривает режим работы с изолированной нейтралью: нейтрали силовых трансформаторов и генераторов в этих сетях не должны присоединяться к заземляющим устройствам непосредственно. Они могут быть присоединены к последним только через устройства, имеющие большое сопротивление – приборы сигнализации, измерения, защиты, дугогасящие реакторы (резонансно заземленная нейтраль), высокоомные резисторы (резистивно заземленная нейтраль) и др.

В сетях с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не приводит к возникновению короткого замыкания и в большинстве случаев не требует отключения поврежденного участка. В этих сетях ток однофазного замыкания на землю определяется рабочим напряжением сети и емкостными проводимостями на землю всех ее элементов, электрически связанных с точкой замыкания. Чаще всего этот ток имеет небольшую величину и мало влияет на рабочие токи в токоведущих частях. Это дает возможность сохранять режим работы сети с однофазным замыканием на землю в течение нескольких часов. При этом оперативно или с использованием автоматики можно решать вопрос о поиске места замыкания и его устранении или о переводе потребителей электроэнергии аварийного участка на резервное питание.

В ряде случаев дуги малых емкостных токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью горят неустойчиво и способны к сомопогасанию, что может способствовать самовосстановлению нормальной работы этих сетей в таких режимах.

Однако, когда емкостные токи однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью сравнительно велики (десятки, сотни ампер), дуги замыканий могут гореть устойчиво длительное время, воздействуя на изоляцию, токоведущие и магнитопроводящие элементы сетей. Это создает условия для развития аварий – перехода однофазных замыканий на землю в двух – или трехфазные короткие замыкания. Предотвращение последствий длительного горения дуг емкостных токов может быть осуществлено переходом к режиму работы сетей с резонансно заземленной нейтралью. В этом случае включенное в нейтраль силового трансформатора или генератора высокоомное индуктивное сопротивление создает путь для протекания через точку замыкания фазы на землю также индуктивной составляющей тока. Накладываясь на емкостную составляющую, обусловленную проводимостями сети, индуктивная составляющая снижает суммарное значение тока замыкания и уменьшает его разрушающее воздействие, в том числе, создавая условия для самопогасания заземляющей дуги.

Таким образом, сети с изолированной и с резонансно заземленной нейтралью обеспечивают повышенную надежность электроснабжения потребителей без применения дополнительных средств автоматизации, локализующих поврежденный участок, но их работа сопряжена и с определенными недостатками. Электрооборудование, применяемое в этих сетях должно иметь более высокую электрическую прочность изоляции, так как рассчетный коэффициент несимметрии для них принимается равным 1,73. В этих сетях возможны более высокие кратности внутренних перенапряжений. ОПН и разрядники, разработанные для этих сетей в соответствии с , имеют худшие защитные характеристики, чем в сетях с эффективно заземленной нейтралью. Кроме того, в сетях с резонансно заземленной нейтралью значительную трудность представляет выявление и селективное отключение участка с замыканием одной фазы на землю.