Учебное пособие 800484

2.3. Системы с компенсированной нейтралью

Для уменьшения емкостных токов однофазного замыкания на землю между нейтралью источников или приемников электроэнергии и землей включаются компенсирующие устройства: заземляющие катушки с настроенной индуктивностью или трехфазные заземляющие трансформаторы. Наибольшее распространение получили заземляющие катушки, называемые также дугогасящими которые состоят из сердечника и обмотки, размещенных в кожухе, заполненной трансформаторным маслом. Индуктивность катушки Lk регулируется изменением числа витков или величины зазора сердечника.

Активное сопротивление катушки rk по сравнению с индуктивным мало.

Принцип компенсации емкостных токов с помощью дугогасящей катушки и заземляющих трансформаторов практически одинаков. Поэтому, рассмотрим аварийный режим в системе свыше 1кВ с компенсацией емкостных токов однофазного к.з. на землю с помощью дугогасящей катушки /2/. Расчетные схемы в нормальном и аварийном режимах работы приведены на рис.1.4.

21

rз

а)

Ico

б)

Рис. 1.4. Система с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку:

а) расчетная схема замещения в нормальном режиме; б) расчетная схема замещения в аварийном режиме

Условия нормального режима аналогичны приведенным выше для изолированной нейтрали, ток в катушке Ik равен нулю. Как и ранее, рассмотрим замыкание на землю фазы А, напряжения поврежденной и «здоровых» фаз В и С относительно земли и емкостные токи в фазах изменяются также как в системе с изолированной нейтралью, т.е.

векторную диаграмму на рис. 3). При этом, дугогасящая

22

катушка оказывается под фазным напряжением (U00’=Uф) и через место замыкания на землю протекает емкостный ток замыкания на землю IЗА, и индуктивный ток катушки IL ,

которые отличаются по фазе на 180 и, следовательно, компенсируют друг друга. Поэтому при резонансной

результирующий ток в месте замыкания на землю IЗ.А.рез должен быть равен нулю, т.е.

Однако точно выполнить условие (1.8) очень сложно по следующим причинам:

1)даже при полной компенсации емкостного тока замыкания на землю, через место аварии течет, так называемый остаточный ток Ia.0 обусловленный активной проводимостью катушки, активными токами утечки и прочими причинами, которые в основном зависят от состояния изоляции сети;

2)периодические включения и отключения отдельных линий системы приводят к постоянным изменениям величины емкостного тока сети IC, что требует постоянной регулировки индуктивности катушки для выполнения условий полной компенсации;

3)для четкого срабатывания устройств релейной защиты, реагирующей на однофазные замыкания на землю необходимо, чтобы величина Iз.рез. была не менее величины тока срабатывания защиты (в противном случае требуется применение более сложных релейных защит, селективно работающих от токов переходного процесса при замыкании на землю в сетях с полной компенсацией установившегося емкостного тока).

23

Результирующий ток замыкания на землю фазы в системе с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку может быть определен из уравнения:

Рис. 1.5. Система с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку. Векторная диаграмма в аварийном режиме

24

При хорошей (резонансной или близкой к ней) настройке катушки результирующей ток однофазного замыкания на землю не превосходит предельных значений с точки зрения устойчивой дуги, т.е. исключается возможность существования устойчивой дуги, что является основным преимуществом рассматриваемого способа заземления заземления нейтрали по сравнению с изолированной нейтралью. Кроме того, системы с компенсацией емкостных токов при однофазном замыкании на землю характеризуются следующими положительными факторами:

1)при развитии замыкания на землю предупреждается на ранней стадии развивающийся пробой изоляции электроустановок;

2)переходящие замыкания на землю ликвидируются, причем 70-90% таких замыканий ликвидируются без отключения; медленно возрастает напряжение в месте повреждения до Uф, что способствует возрастанию электрической прочности изоляции;

3)при устойчивых замыканиях на землю, ток, проходящий через место замыкания, снижается до нескольких процентов емкостного, разрешается работа приемников на период устранения повреждения, т.е. число отключений у потребителя и время перерывов в энергоснабжении минимальны;

4)градиенты напряженности электромагнитного поля вблизи места повреждения значительно снижены, что обеспечивает безопасность людей;

5)отсутствие больших электромагнитных влияний.

К недостаткам систем, заземленных через дугогасящую катушку, можно отнести:

1) повышенные капитальные затраты, вызываемые повышенными требованиями к уровню изоляции электроустановок (аналогично системам с изолированной нейтралью);

25

2)сложность эксплуатации систем с компенсированной нейтралью из-за необходимости постоянно вести наблюдение за состоянием компенсации и трудности в определении места повреждения, если оно не развилось;

3)возможность повышения напряжения “здоровых” фаз относительно земли больше линейного и существование перенапряжений, если нет точной настройки и дуга устойчива;

4)увеличение капитальных вложений и эксплутационных расходов в связи с установкой дугогасящих аппаратов по сравнению с системой с изолированной нейтралью;

5)сложность релейной защиты и, следовательно, повышенные затраты (капитальные и эксплутационные).

Согласно ПУЭ дугогасящие катушки применяются в установках напряжением 35 кВ при токах однофазного к.з. на землю более 10 А и в установках 6-10 кВ при токах к.з. более 30 А. Во всех сетях

скомпенсированной нейтралью с помощью симметрирования емкостей фаз поддерживают значения U00’ в пределах не

более (0.005 0.0075) Uф, что позволяет удерживать напряжение между нейтралью и землей в пределах

(0,1 0,15)Uф.

26

Напряжение «здоровых» фаз относительно земли UB' иUC' (см. рис.1.6б) определяются геометрической суммой нормальных фазных напряжений UB иUC небольших

дополнительных составляющих, обусловленных падениями напряжений в соответствующих фазных обмотках трансформаторов (или генераторов) и подводящих проводов.

Однако, величины UB' иUC' менее 0,8 Uл. В контуре,

изображенном на рис1.6 течет ток Iз.а., приводящий в действие релейную защиту, которая отключает поврежденный элемент.

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали заключаются в следующем:

1)устраняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и связанные с ними последствия;

2)облегчается работа изоляции при замыканиях на землю и переходных и переходных процессах, что дает возможность либо снижения уровня изоляции (а следовательно, экономии в затратах), либо повышения надежности работы установок вследствие большего запаса прочности в изоляции, при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали;

3)обеспечивается выполнение четкой, надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты;

4)облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет некоторые недостатки, которые заключаются в следующем:

1)любое однофазное замыкание на землю является полным однофазным коротким замыканием и релейная защита немедленно отключает поврежденный коротким замыканием участок т.е. нарушает бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бестоковых пауз применения быстродействующих устройств АПВ и выполнения систем с резервированием для наиболее

28

ответственных потребителей (повышение затрат, дополнительные капиталовложения и т.п.);

2)значительное электромагнитное влияние на линии связи, что приводит к увеличению затрат на защиту последних;

3)некоторое удорожание релейной защиты в связи с устройством её в трёхфазном исполнении;

4)токи к.з. могут достигать очень больших значений (превышать токи трехфазных к.з.) при замыканиях на землю,

иявляться причиной динамических разрушающих усилий, распространяющихся на значительную часть системы (разрывы оболочек кабелей, разрушение гирлянд изоляторов на воздушных ЛЭП и т.п.);

5)при больших токах к.з. уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работающие станции – выйти из синхронизма);

6)опасность поражения людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из-за токов к.з. при однофазном замыкании на землю;

7)значительное увеличение затрат на заземления. Уменьшение токов однофазного к.з. в системе с

глухозаземленной нейтралью достигается за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы, либо введения в нейтраль токоограничивающего сопротивления (активного R или индуктивного L).

Разземление нейтралей у части трансформаторов системы преследует цель уменьшить ток однофазного к.з. до величины тока трехфазного к.з., определяющего необходимую отключающую способность выключателей.

При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление хр (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкостного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин, ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замыкания на землю.

29

Напряжение неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8 1,0) Uл (уровень изоляции, как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повышают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.

При заземлении нейтрали через активное сопротивление R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю ( но меньше, чем при заземлении нейтрали через хр), а напряжения «здоровых» фаз относительно земли могут быть выше, чем в системе с изолированной нейтралью (1,73 1,9) Uф. При правильно выбранной величине R устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземленной нейтрали. С точки зрения коммутационных перенапряжений

системы с нейтралью, заземленной через R, аналогичны системам с глухозаземленной нейтралью. Заземление нейтрали через активное сопротивление (см. рис. 1.1) является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процессах на землю, т.к. R шунтирует емкость фазы обмотки генератора (трансформатора), обуславливая апериодический разряд с постоянной времени T=RC. Наилучшие результаты здесь могут быть получены при величине R равной или близкой к xc=1/3 C.

Токоограничивающие активное и реактивное сопротивление, заземляющие нейтраль выбирают такой величины, при которой ток замыкания фазы на землю превышает возможный максимальный ток нагрузки.

Система с нейтралью, заземленной через активное сопротивление по сравнению с системой, нейтраль которой заземлена через xp, имеет следующие недостатки:

1) для достижения одной и той же степени ограничения тока замыкания на землю требуется большая величина

30