Замыкание фазы на землю в сетях, работающих с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов

В трехфазной электрической сети, работающей с изолированной нейтралью, о замыкании фазы на землю узнают по показаниям вольтметров контроля изоляции. Вольтметры подключаются к зажимам основной вторичной обмотки трехфазного трехобмоточного трансформатора напряжения серии НТМИ, каждая фаза которого имеет отдельный броневой магнитопровод, рассчитанный на длительное повышение индукции. При металлическом замыкании фазы на землю (рис. 10.1, а) обмотка трансформатора напряжения поврежденной фазы сети оказывается замкнутой накоротко и показание ее вольтметра снизится до нуля. Две другие фазы будут находиться под линейным напряжением. Индукция в магнитопроводах этих фаз возрастет в √3 раз, и вольтметры покажут линейные напряжения.

В точке замыкания фазы на землю проходит ток, равный геометрической сумме емкостных токов неповрежденных фаз:

где I_с - ток замыкания на землю, А;

С - емкость сети, Ф;

w=2pf - угловая частота, с^-1.

Чем протяженнее сеть, тем больше ее емкость и, следовательно, тем больше ток замыкания на землю.

Замыкание фазы на землю не изменяет симметрии линейных напряжений и не нарушает электроснабжения потребителей. Однако опасность замыкания фазы на землю состоит в том, что в месте повреждения обычно возникает перемежающаяся заземляющая дуга, длительное горение которой при большом емкостном токе приводит к тепловому эффекту и значительной ионизации окружающего пространства, что создает благоприятные условия для возникновения междуфазных КЗ. Прерывистый характер горения заземляющей дуги приводит к опасным перенапряжениям (до 3,2U_Ф), распространяющимся по всей сети. Если при этом на отдельных участках сети изоляция окажется пониженной (например, вследствие загрязнения и увлажнения), то дуговые перенапряжения могут привести к междуфазным перекрытиям и аварийным отключениям оборудования. Но даже при отсутствии дуговых перенапряжений само по себе повышение до линейного напряжения двух фаз уже может привести к пробою дефектной изоляции.

Назначение дугогасящих реакторов. Задача эксплуатации состоит в том, чтобы уменьшить ток замыкания на землю и тем самым обеспечить быстрое погасание заземляющей дуги. Для этого необходимо, чтобы емкостные токи замыкания на землю не превышали следующих значений:

Эти токи соответствуют требованиям ПТЭ. Однако опыт показывает, что для обеспечения надежного самопогасания дуги в сетях 6 и 10 кВ емкостные токи целесообразно снизить до 20 и 15А соответственно. В случае превышения указанных значений токов в нейтраль обмотки трансформатора включается дугогасящий реактор (рис. 10.1, б), уменьшающий (компенсирующий) емкостный ток через место повреждения до минимальных значений.

Индуктивный ток дугогасящего реактора I_Р возникает в результате воздействия на него напряжения смещения нейтрали U₀=-U_A, появляющегося на нейтрали при замыкании фазы на землю. Ток равен:

где L_P и L_T - индуктивности дугогасящего реактора и трансформатора соответственно, Гн;

U_Ф - фазное напряжение.

С компенсацией емкостных токов воздушные и кабельные сети могут некоторое время работать с замыканием фазы на землю.

Рис. 10.1. Замыкание фазы на землю в сети с изолированной нейтралью (а) и с компенсацией емкостных токов (б):

1 - трансформатор, питающий сеть; 2 - измерительный трансформатор напряжения;

3 - дугогасящий реактор; КV - реле напряжения

Выбор настройки дугогасящих реакторов. При I_P=I_C=0 емкостная составляющая тока в месте замыкания на землю полностью компенсируется индуктивным током реактора - наступает резонанс токов. Дугогасящие реакторы, как правило, имеют резонансную настройку, что облегчает гашение дуги. Отклонение от резонансной настройки называют расстройкой компенсации. На практике допускается настройка с перекомпенсацией (I_P>I_C), если реактивная составляющая тока замыкания на землю не более 5 А, а степень расстройки не превышает 5%. Настройка с недокомпенсацией (I_P<I_C) может применяться в кабельных и воздушных сетях, если любые аварийно возникшие несимметрии емкостей фаз не приводят к появлению напряжения смещения нейтрали, превышающего 0,7U_Ф.

Ток замыкания на землю определяется расстройкой компенсации, активными утечками по изоляции и некомпенсируемыми токами высших гармоник. При резонансной настройке ток замыкания минимален, и, как показывает опыт, перенапряжения в сети не превышают 2,7U_Ф.

При эксплуатации воздушных сетей нередко отступают от резонансной настройки, чтобы устранить искажения фазных напряжений на шинах подстанций, ошибочно принимаемые персоналом за неполные замыкания на землю. Дело в том, что в любой воздушной сети 6-35 кВ всегда имеется несимметрия емкостей фаз относительно земли, которая зависит от расположения проводов на опорах и распределения по фазам конденсаторов связи. Это вызывает появление на нейтрали некоторого напряжения несимметрии U_НС. Степень несимметрии (и₀=U_НС/U_Ф)×100 обычно не превышает 1,5%. Для сетей 10 кВ она, например, составляет около 100В и практически в нормальном режиме работы сети не сказывается на показаниях вольтметров, измеряющих напряжения фаз.

Включение в нейтраль дугогасящего реактора существенно изменяет потенциалы нейтрали и проводов сети. На нейтрали появляется напряжение смещения нейтрали U₀, обусловленное наличием в сети несимметрии. Это напряжение будет приложено к выводам дугогасящего реактора. При резонансной настройке напряжение смещения нейтрали может достигнуть значений, соизмеримых с фазным напряжением. Оно приведет к искажению фазных напряжений и даже появлению сигнала "земля в сети", хотя замыкание на землю в это время отсутствует. Расстройкой дугогасящего реактора удается отойти от точки резонанса (колебательный контур образуется индуктивностью реактора и суммарной емкостью фаз сети), снизить напряжение смещения нейтрали и выровнять показания вольтметров. При отсутствии замыкания на землю в сети смещение нейтрали допускается не более 0,15U_Ф. Однако с точки зрения гашения дуги оптимальной все же является резонансная настройка. Всякая расстройка компенсации ведет к увеличению тока, проходящего в месте повреждения в режиме работы сети с замыканием на землю, и поэтому не рекомендуется. При большом смещении нейтрали должны приниматься меры, направленные на снижение несимметрии емкостей в сети. В кабельных сетях применяется исключительно резонансная настройка, так как емкости фаз кабелей симметричны и напряжение несимметрии там практически отсутствует.

Обслуживание дугогасящих реакторов. Ток дугогасящих реакторов различных типов регулируется ручным переключением ответвлений с отключением реактора от сети, плавным изменением зазора в магнитной системе, производимым электродвигательным приводом без отключения реактора от сети, изменением индуктивности реактора подмагничиванием постоянным током без отключения реактора от сети.

В двух последних случаях настройка производится автоматами настройки компенсации (АНК), которые приводят в действие исполнительные элементы регулирования только в нормальном режиме работы, когда в сети отсутствует замыкание на землю.

Автоматизированная нормально компенсированная сеть должна иметь:

- дугогасящие реакторы с ручным переключением ответвлений, предназначенные для компенсации емкостных токов главным образом в базисной части регулирования;

- подстроечные дугогасящие реакторы с плавным изменением тока компенсации без отключения реактора от сети. Регулирование тока должно осуществляться диспетчером с помощью АНК и устройств телемеханики;

- дугогасящие реакторы с автоматическими регуляторами (оптимизаторами) тока компенсации (система АНКЗ), вступающими в работу сразу же после возникновения замыкания на землю и приводящими сеть к режиму резонансной настройки, чтобы ликвидировать дугу в месте повреждения.

Рис. 10.2. Схема подключения дугогасящих реакторов к питающим сеть трансформаторам (а) и к вспомогательным трансформаторам (б)

Перестройка дугогасящих реакторов персоналом подстанций производится по распоряжению диспетчера, выбирающего настройку в связи с предстоящим изменением конфигурации сети. При этом он руководствуется таблицей выбора настройки, составленной для конкретных участков сети на основании результатов измерений токов замыкания на землю, емкостных токов, токов компенсации и напряжений смещения нейтрали сети.

Если реактор перестраивается вручную, то персонал убеждается по сигнальным устройствам в отсутствии замыкания на землю в сети и отключает его разъединителем. После установки и фиксации заданного ответвления реактор подключается разъединителем к сети. Ручное переключение ответвлений без отключения реактора от сети не допускается по условию безопасности, так как в процессе перестройки не исключено возникновение замыкания на землю и появление на реакторе фазного напряжения.

Рис. 10.3. Схема сигнализации замыкания на землю с применением разделительного фильтра (РФ):

1-3 - отходящие кабельные линии

Дугогасящие реакторы устанавливаются на питающих сеть подстанциях и подключаются к нейтралям трансформаторов через разъединители (рис. 10.2, а). При соединении трансформатора по схеме звезда-треугольник реакторы подключают к нейтралям вспомогательных трансформаторов (рис. 10.2, б), в качестве которых наиболее часто используются трансформаторы собственных нужд. Мощность трансформатора собственных нужд выбирается с учетом подключенной к нему нагрузки и индуктивного тока, дополнительно загружающего трансформатор в режиме замыкания сети на землю.

Для перевода реактора с одного трансформатора на другой его сначала отключают разъединителем от нейтрали одного трансформатора, а затем подключают разъединителем к нейтрали другого. Объединять нейтрали трансформаторов через нулевую шину не следует, поскольку при раздельной работе трансформаторов на не связанные между собой участки сети при замыкании на землю в одном из них напряжение на нейтрали U₀ одинаково изменит фазные напряжения на шинах подстанции обоих участков, и установить участок, где произошло замыкание на землю, без отключения трансформатора от сети станет невозможным.

Сигнальные устройства и отыскание замыканий на землю. Выше было указано, что сети с компенсацией емкостных токов могут эксплуатироваться при наличии замыкания на землю. Но так как длительное повышение напряжения на двух фазах и прохождение небольших токов проводимости на землю увеличивают вероятность аварии, а в случае обрыва и падения провода на землю создается опасность для жизни людей и животных, то отыскание и устранение повреждения должны производиться как можно быстрее. О происшедшем в сети замыкании на землю персонал узнает по работе сигнальных устройств, а фаза, получившая соединение с землей, устанавливается по показаниям вольтметров контроля изоляции.

В сигнальном устройстве реле контроля изоляции подключаются к выводам дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения НТМИ, соединенной по схеме разомкнутого треугольника. При нарушении изоляции фазы на землю на зажимах этой обмотки появляется напряжение нулевой последовательности 3U₀, реле KV срабатывает и подает сигнал (см. рис. 10.1).

В сетях с компенсацией емкостных токов схемы сигнализации и контроля работы дугогасящих реакторов подключаются либо к трансформатору тока реактора, либо к его сигнальной обмотке.

К сигнальной обмотке реактора подключаются также лампы контроля отсутствия замыкания в сети, устанавливаемые непосредственно у привода разъединителя. Лампы вклю­чаются без предохранителей, и поэтому изоляция их цепей должна обладать достаточной надежностью. Схемы сиг­на­ли­за­ции, как правило, имеют цепи электромагнитной блокировки, запрещающей отключение разъединителей реактора при замыкании на землю.

По полученным сигналам на подстанциях нельзя сразу определить электрическую цепь, на которой произошло замыкание на землю, так как все отходящие линии имеют между собой электрическую связь на шинах. Для определения электрической цепи, имеющей замыкание на землю, пользуются избирательной сигнализацией поврежденных участков, основанной на использовании токов переходного процесса замыкания или токов высших гармоник, источником которых являются нелинейные цепи.

В настоящее время наибольшее распространение на подстанциях, питающих кабельную сеть, получили устройства с разделительным фильтром типов РФ и УСЗ (в стационарном исполнении - УСЗ 2/2; в переносном, применяемом совместно с токоизмерительными клещами, - УСЗ-3). Указанные устройства реагируют на высшие гармоники, содержащиеся в токе 3I₀. Их уровень пропорционален емкостному току сети и в поврежденной линии всегда значительно выше, чем в токах нулевой последовательности неповрежденных. Именно это и служит признаком повреждения на той или другой линии.

Устройство типа РФ работает в диапазоне частот 50 и 150Гц. В компенсированных сетях, как правило, используется диапазон 150Гц. Для контроля уровня высших гармоник на под­станциях для каждой линии составляют таблицы показаний прибора на частоте 150 Гц, снятые в нормальном нагрузочном режиме при отсутствии однофазного замыкания на землю. Эти показания должны систематически про­веряться. С ними сравниваются показания прибора при отыскании поврежденного присоединения. В случае большой недокомпенсации или при отсутствии компенсации в сети прибор переключается на диапазон 50 Гц.

Стационарные устройства устанавливаются на щитах управления или в коридорах распределительных устройств и при помощи кнопок, переключателей или шаговых искателей при появлении в сети замыкания на землю поочередно подключаются персоналом к трансформаторам тока нулевой последовательности (ТТНП), установленным на каждой кабельной линии (рис. 10.3).

Поврежденным считается присоединение, на котором при измерении стрелка прибора отклонится на большее число де­лений, чем при измерениях на всех других присоединениях.

В Мосэнерго разработано и внедрено в эксплуатацию устройство типа КСЗТ-1 (модернизированный вариант КДЗС) автоматического поиска кабельной линии с устойчивым замыканием фазы на землю. Оно путем поочередного измерения на ТТНП определяет кабельную линию с поврежденной изоляцией по максимальному уровню в ней тока высших гармоник. Информация по каналу ТС в виде условного кода передается на диспетчерский пункт, где дешифратором преобразуется в число, составляющее наименование линии.

При отсутствии ТТНП на кабельных линиях для отыскания поврежденного присоединения пользуются токоизмерительными клещами в качестве измерительного трансформатора тока. При замерах устройство УСЗ устанавливается на клещи вместо токосъемного амперметра.

Если устройства избирательной сигнализации на подстанции отсутствуют или не дают желаемых результатов, отыскание поврежденного присоединения производится путем перевода отдельных присоединений с одной системы (сек­ции) шин на другую, работающую без замыкания на землю, или путем деления электрической сети в заранее предусмотренных местах. Эти операции должны производиться таким образом, чтобы при делении сети отдельные ее части были полностью компенсированы. Для отыскания повреждения иногда пользуются поочередным кратковременным отключением линий с включением их в работу от АПВ или вручную.

Одновременно с отысканием места повреждения в сети должны производиться осмотры работающих реакторов и трансформаторов, к нейтралям которых они подключены. Это вызвано тем, что продолжительность непрерывной работы реакторов под током нормируется заводами для отдельных ответвлений от 2 до 8 ч. Если отыскание замыкания на землю затягивается, персонал обязан вести тщательное наблюдение за температурой верхних слоев масла в баке реактора, записывая показания термометра через каждые 30 мин. Максимальное повышение температуры верхних слоев масла при этом допускается до 100°С. Если реакторы установлены на подстанциях, обслуживаемых оперативными выездными бригадами (ОВБ), то после отыскания и отключения повредившейся линии производится осмотр реакторов с записью показаний их термометров и возвращением в исходное положение всех указанных реле и сигнальных устройств.