Дуговые перенапряжения в сетях с различным способом заземления нейтралей и их ограничение

Ответ:Режим заземления нейтрали в значительной мере определяет характер электромагнитных переходных процессов при пробое изоляции фазы сети на землю и гашении заземляющей дуги, вероятность возникновения и степень опасности перенапряжений при дуговых прерывистых повреждениях. В электрических сетях 6–10 кВ принципиально возможны различные способы заземления нейтрали (изолированная, заземленная через дугогасящий реактор (ДГР), низкоомный или высокоомный резисторы) [10]. Для каждого из способов заземления предложены и находят применение различные средства ограничения емкостных токов и перенапряжений (ДГР, средства автоматизации их настройки, резисторы разного конструктивного исполнения и с различными характеристиками, ОПН). В сетях с указанными режимами заземления нейтрали большая часть ОЗЗ, прежде всего в начальной стадии развития повреждения, имеет неустойчивый дуговой прерывистый характер [3]. В этих условиях требуют решения и активно обсуждаются вопросы о том, какому способу заземления и при каких условиях отдать предпочтение, какие средства ограничения токов ОЗЗ и перенапряжений при этом использовать, как выбирать их параметры и др. В настоящее время в условиях постоянного ухудшения состояния изоляции электрооборудования систем электроснабжения собственных нужд ТЭС из-за отсутствия средств на замену и качественное восстановление изношенного электрооборудования актуальность этой проблемы еще больше возрастает. Поскольку надёжные средства защиты от дуговых перенапряжений отсутствуют, то успешное решение проблемы может быть найдено только в оптимизации режимов нейтрали сетей собственных нужд в сочетании с различными схемными решениями. Существует несколько моделей (теорий) возникновения и развития перенапряжений при дуговых прерывистых ОЗЗ [2]. Исследования, выполненные в действующих сетях 6–35 кВ [2], показали, что развитие процессов, приводящих к перенапряжениям при дуговых ОЗЗ, с разной вероятностью возможно по любой из указанных моделей. Наибольшее количество исследований было посвящено весьма распространенным перенапряжениям при дуговых замыканиях на землю в высоковольтных сетях, работающих с изолированной нейтралью. Основоположником исследований этих перенапряжений был немецкий инженер Петерсен, который в 1916 году разработал теорию, объясняющую физическую сущность процесса возникновений максимальных перенапряжений. В 1923 году два американских инженера Петерсон и Слепян предложили другую теорию, принципиально отличную от теории Петерсена. Позднее эти теории были дополнены результатами работы советских исследователей Н.М. Джуварлы и Н.Н. Беляковым, которые на основании теоретических и лабораторных исследований в отношении уровней максимальных перенапряжений и формы их развития, сделали свои предложения. В 1957 году Н.Н. Беляковым была опубликована теория возникновения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью [6]. Как известно, при замыкании фазы на землю в сети с изолированной нейтралью в установившемся режиме напряжение на неповрежденных фазах возрастает до линейного значения. Однако установившемуся режиму предшествует переходной процесс, кратность перенапряжений в котором как на здоровых, так и на поврежденных фазах может достигать значительно большей величины. Процесс осложняется тем, что в подавляющем большинстве случаев замыкание на землю происходит через дугу, возникающую в результате перекрытия или пробоя изоляции. При этом горение дуги не является устойчивым, а наблюдаются повторные горения и зажигания ее (перемежающаяся дуга), которые приводят к развитию переходных колебательных процессов и возрастанию перенапряжений. Величина перенапряжений зависит как от условия гашения дуги, так и от характера процесса возникновения электрической прочности дугового промежутка после её гашения. С момента замыкания на землю через дугу проходит ёмкостный ток рабочей частоты: и ток высокочастотных колебаний. Можно предположить, что гашение дуги происходит при прохождении через нуль тока высокочастотных колебаний (теория Петерсена) либо при прохождении тока рабочей частоты через нулевое значение (теория Петерса и Слепяна), а зажигается при максимуме напряжения на повреждённой фазе. Согласно теории Петерсена, максимальные перенапряжения на здоровых фазах в переходном режиме могут быть определены по формуле:

где U_ф – амплитуда фазного напряжения; – коэффициент, зависящий от соотношения междуфазных ёмкостей по отношению к земле С0 для исследуемой сети; – коэффициент, зависящий от ёмкости, индуктивности источника питания и активного сопротивления утечек через изоляцию сети;

– выражение, определяющее затухание амплитуды переходного процесса, связанного с утечками энергии через активные сопротивления сети. Максимальное напряжение на повреждённой фазе при этом может быть оценено по выражению: Согласно этой теории перенапряжения на неповреждённых фазах могут повышаться до 7,5U_ф, а на повреждённой фазе они достигают 3,7U_ф. По Петерсу и Слепяну гашение дуги происходит через полпериода после зажигания, когда свободные колебания затухают и мгновенные значения напряжения на неповреждённых фазах достигает своего максимального значения, а смещение нейтрали: максимальное значение перенапряжений на здоровых фазах составит а напряжение на повреждённой фазе в зависимости от момента её пробоя определяется из выражения Таким образом, согласно теории Петерса и Слепяна, в результате перезарядки емкостей проводов при зажигании и гашении дуги напряжение на исправном проводе достигает значений 3,5U_ф, а на повреждённом проводе – 2U_ф. Указанные значения перенапряжений хорошо согласуются с результатами расчётов для здоровой и повреждённой фаз, с учётом затухания и междуфазной ёмкости в реальных сетях [2]. Согласно теории Н.Н. Белякова для возникновения максимального перенапряжения совсем не обязателен ряд повторных зажиганий дуги. Достаточно рассмотреть лишь один цикл зажигание-гашение-зажигание. Предложенная Н.Н. Беляковым теория занимает промежуточное положение между теориями Петерсена и Петерса и Слепяна. Если по Петерсену процесс горения дуги должен прекратиться при первом же прохождении тока колебаний через нуль, а по Петерсу и Слепяну – при прохождении через нулевое значение тока промышленной частоты, то для возникновения максимальных перенапряжений по Н.Н. Белякову необходимо совпадение двух основных условий в одном цикле зажигание-гашение-зажигание дуги. Как показали исследования (Н.Н. Беляков), в реальных условиях возможны оба варианта поведения дуги, однако кратности перенапряжений определяются не столько тем, в какой момент происходит гашение дуги, сколько свойствами дугового промежутка и характером процесса нарастания его электрической прочности. По теории Н.Н. Белякова, в трёхфазной системе с учётом затухания высокочастотных колебаний максимальные перенапряжения на здоровых фазах не превышают значений (3,2–3,4)U_ф, а на повреждённой – U_пер.пф. = 2,2U_ф. Многочисленные эксперименты в реальных сетях 6–10 кВ подтвердили, что перенапряжения при дуговых замыканиях на землю не превышают указанных величин. Длительные перенапряжения такого порядка для сетей с изолированной нейтралью опасны только для ослабленной изоляции электрооборудования, которое может быть в системе. Следует заметить, что эти перенапряжения опасны не только своей амплитудой, но и длительностью, и высокочастотным характером процесса. Кроме того, они охватывают всю сеть в целом, что повышает вероятность перекрытия изоляции, которое может произойти не только у места замыкания, но и в удалённых точках. Одновременно с этим, как уже отмечалось, длительное существования дуги замыкания на землю обычно приводит к междуфазному короткому замыканию, сопровождающемуся отключением электроустановки. Поэтому в тех случаях, когда нельзя рассчитывать на самопроизвольное угасание дуги, необходима быстрая ликвидация дуги замыкания на землю, которая может быть достигнута путём ограничения тока через дуговой промежуток и уменьшения скорости восстановления напряжения. Таким образом, перенапряжениям при дуговых замыканиях фазы на землю традиционно уделялось большое внимание ведущими специалистами мировой энергетики. Исследования проводились как в реальных сетях, так и на математических моделях, и на физических моделях электрических сетей. За более чем полувековой период работы накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, реализация которого в практику позволила существенно повысить надёжность работы электрооборудования сетей рассматриваемого класса напряжения. Однако до настоящего времени в литературе имеется много противоречивых, а иногда и противоположных данных, полученными различными исследователями по рассматриваемой проблеме. Такие противоречия обусловлены сложностью и многообразием факторов, влияющих на характер переходных процессов и величину перенапряжений в разных по параметрам и режиму заземления нейтрали электрических сетях. Наиболее достоверные результаты могут быть получены при проведении опытов в реальных сетях, но возможности этого метода ограничены рядом объективных факторов, основными из которых являются: невозможность идентификации условий проведения экспериментов от опыта к опыту; сложность регистрации таких быстропротекающих и не периодически повторяющихся процессов, какие имеют место при однофазных замыканиях на землю; ограниченность объёма исследований, вызванной неизбежностью вывода из строя дорогостоящего электрооборудования при проведении большого числа опытов и т.д. Всё это не даёт возможность получить требуемого объёма информации, позволяющего дать правдивые ответы на большое число стоящих перед проблемой вопросов. Возможности математических методов моделирования переходных процессов при ОЗЗ ограничены громоздкостью схем замещения в случае удовлетворения требований учёта необходимых элементов сети и достаточности распределения их параметров, трудностью определения параметров схемы замещения отдельных элементов сети, чрезвычайной сложностью моделирования заземляющих дуг, большим объёмом расчётной части и т.д. Принятие всяких допущений при составлении схем замещения приводит к резкому снижению эффективности проводимых исследований.