Однофазні замикання на землю в мережах із ізольованою нейтраллю. Причини пошкодження вл

Розподільні мережі 6-35 кВ працюють у режимі із ізольованою нейтраллю. Електропостачання споживачів здійснюється за трипровідною системою, за засобами повітряних або кабельних ліній. Такий режим роботи нейтралі дозволяє підвищити надійність живлення споживачів за певних видів пошкоджень в електричних мережах.

Так, наприклад, при однофазному замиканні на землю (такі пошкодження займають найбільший відсоток серед інших), в мережах з ізольованою нейтраллюаварійного відключення пошкодженого фідера немає. Лінійна напруга залишається такою ж як і до замикання однієї фази на землю.

Однак при однофазних замиканняв мережах із ізольованою нейтралі відбуваються процеси, що впливають на режим роботи електричної мережі в цілому. Напруга на пошкодженій фазі, залежно від виду замикання, прагне до нуля. У випадках коли вимірювальні прилади показують, що напруга на фазі дорівнює нулю, кажуть, що це «повна земля», а замикання називається «металевим».

Симетрія лінійних напругпри цьому не порушується, а ось фазні напруження, двох "здорових" фаз піднімаються до рівня лінійних. Наочно такий перерозподіл напруг можна побачити на векторній діаграмі трикутника напруги. При зменшенні вектора напруги, наприклад, ф. А, вектор напруги ф. Вта ф. Зпрагнуть векторів напруг ВАі СА.

Величина струму, що протікає у місці замикання, знаходиться у прямій пропорційній залежності від величини ємності лінії та прикладеної напруги. Ємність лінії залежить від її протяжності та розгалуженості. Цей струм має невеликі значення, проте небезпека такого режиму полягає в періодичному запаленні дуги, що перемежується.

При горінні дуги, по-перше, збільшується фазна напруга, по-друге з'являються аперіодичні складові струмів, які негативно впливають на стан ізоляції повітряних та кабельних ліній. Крім того, ємнісний характер дуги супроводжується виділенням теплоти, що породжує сприятливі умовидля переходу однофазного замикання міжфазне.

Підвищення фазної напруги "здорових" фаз до рівня лінійної напруги, загрожує пробоєм ослабленої фазної ізоляції інших ліній, підключених до цих шин. Тому, згідно з правилами техніки експлуатації електричних мереж, до відшукання та відключення пошкодженого фідера необхідно приступати негайно.

Для обмеження струмів замикання на землю в мережах із ізольованою нейтраллю застосовують дугогасні реактори(ДГР). Інакше їх називають котушка, що дугогасить, або котушка Петерсена. Підключення котушки здійснюється до нейтралі трансформатора, підключеного до шин компенсованої мережі. Принцип гасіння дуги заснований на взаємній компенсації струмів ємнісного та індуктивного характеру.

З порушенням симетрії фазних напруг, у нульовому виведенні трансформатора котушки з'являється потенціал, величина якого залежить від характеру замикання на землю: що нижча напруга на фазному дроті, то вище напруга в нейтралі, а відповідно напруга прикладена до котушки. Теоретично, найідеальнішої компенсації ємнісного струму замикання на землю, можна досягти резонансним налаштуванням ДГР.

При такому налаштуванні струм котушки буде дорівнює ємнісному струму замикання на землю, і знаходиться в протифазі, при цьому досягається повна компенсація струму замикання. На практиці резонансного налаштування ДГР досягти виходить не завжди, однак і не завжди є потреба в такій компенсації.

Справа в тому, що ємності фаз повітряних лінійрозрізняються із-за розташування у просторі, відносно один одного. Лінії, що живлять споживачів з однофазними електроприймачами можуть бути завантажені нерівномірно, це призводить до порушення симетричності системи та появи потенціалу в нульовому провідникутрансформатора котушки.

Такі несиметричні режимиможуть призвести до надмірної роботи дугогасних реакторів, і навіть виникнення резонансних контурів. Для виключення подібних ситуацій допускається робота мережі в недокомпенсованому режимі.

Компенсація струмів замикання на землю передбачається за таких рівнів струмів: 6 кВ - 30 А, 10 кВ - 20 А, 35 кВ - 10 А. При нижчих рівнях струмів однофазного к.з. вважається, що дуга не спалахує, або гасне самостійно, застосування компенсації в цьому випадку не обов'язково.

Припустимо у точці К (рис. 6.9) у мережі з глухозаземленной нейтраллю відбувається однофазне КЗ фази А на землю.

Для однофазного КЗ необхідно мати схеми заміщення прямої, зворотної та нульової послідовностей, з яких визначаються величини,,,.

Рівняння (6.10) доповнюються такими трьома граничними умовами:

Рис. 6.9. Принципова схемаоднофазного КЗ

Симетричні складові струму у пошкодженій фазі з урахуванням граничних умов:

(6.20)

тобто. .

Таким чином, струми у фазах: ;;. Струм, що протікає через землю: .

Напруга для пошкодженої фази А:

Симетричні складові напруг у місці КЗ:

(6.22)

Фазна напруга в місці КЗ:

Вирази (6.20) та (6.21) дозволяють побудувати векторні діаграми струмів та напруг (рис. 6.10). На векторній діаграмі напруги (рис.6.10б) кут θ між напругами непошкоджених фаз залежить від відношення між ними змінюється в межах 60° ≤ θ ≤ 180° . Нижня межа відповідає , Верхня - при. Прикут θ дорівнює 120 °.

Рис. 6.10. Векторні діаграмиструмів (а) та напруг (б) однофазного короткого замикання

Підставимо в рівняння (6.21) симетричні складові напруг (6.10):

звідки з урахуванням рівняння (6.20) отримаємо:

(6.24)

Комплексна схема заміщення, що відповідає виразу (6.24), має вигляд (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Комплексна схема заміщення однофазного КЗ

Висновки з аналізу однофазного КЗ

6.9. Двофазне коротке замикання на землю

Припустимо у точці До(рис. 6.12) у мережі з глухозаземленою нейтраллю відбувається двофазне КЗ на землю між фазами Ві Зта землею.

Для розрахунку До(1,1) необхідно мати схеми заміщення прямої, зворотної та нульової послідовностей, з яких визначаються величини опорів прямої, зворотної та нульової послідовностей.

Рівняння (6.6) доповнюються трьома граничними умовами:

Cиметричні складові напруг фази А з урахуванням граничних умов:

(6.26)

тобто. , звідки .

Рис. 6.12. Принципова схема двофазного КЗ на землю

З вихідних рівнянь (6.10):

Оскільки струм фази А, то, підставляючи рівняння (6.27) в останній вираз, маємо:

.

З останнього виразу отримаємо:

Підставляючи отримане значення виразу (6.28) у формули (6.27), після перетворень маємо:

(6.29)

Схема заміщення при двофазному КЗ До(1,1), що відповідає виразу (6.29), представлена ​​на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Комплексна схема заміщення ланцюга при двофазному КЗ на землю

Струми у пошкоджених фазах:

(6.30)

Модуль виразів у квадратних дужках у рівняннях (6.30) складає:

Отже, абсолютна величина струмів у пошкоджених фазах Ві Ззапишеться як ;.

Залежно від відносин між і значення m(1,1) знаходиться в межах 1,5 ≤ m (1,1) ≤ .Нижня межа настає при , а верхня – при, що дорівнює 0 або ∞.

Струм, що протікає через землю (і паралельним їй шляхом), буде:

. (6.32)

Вираз (6.28) можна подати у такому вигляді:

(6.33)

Напруга непошкодженої фази у місці КЗ

Векторні діаграми струмів та напруг у місці двофазного КЗ на землю наведено на рис. 6.14. На векторній діаграмі струмів кут θ може змінюватись у межах 60º ≤ θ ≤ 180 º, прагнучи до нижньої межі при та до верхньої при.

Рис. 6.14. Вектор діагр напряж(а)і струмів(б)при двоф КЗ на землю

Висновки із аналізу двофазного КЗ на землю:

Напруження пошкоджених фаз у місці КЗ дорівнюють нулю і значно нижчі від нормальних значень у всій СЕС.

Напруга непошкодженої фази не змінюється і дорівнює номінальній напрузі.

У системі електропостачання протікають струми КЗ усіх послідовностей.

Однією з основних причин порушення нормальної роботи електричних установокє короткі замикання. Коротке замикання (к.з.) - будь-яке, не передбачене нормальними умовами роботи, електричне з'єднання між фазами, а системах із заземленою нейтраллю (або чотирипровідних) - з'єднання однієї чи кількох фаз із землею (чи нульовий провід).
Замикання може бути через електричну дугу або безпосередньо (без перехідного опору). В електричних мережах залежно від режиму нейтралей можливі такі види коротких замикань та замикань на землю: трифазне коротке (симетричне замикання всіх трьох фаз); двофазне (несиметричне замикання двох фаз); двофазне на землю (несиметричне замикання); однофазне коротке (несиметричне замикання в мережах із заземленою нейтраллю); однофазне на землю (у мережах із ізольованою нейтраллю).
Струми короткого замикання відключаються релейним захистом найкоротший термін. Зазвичай вони існують не більше 5 с, однак їх необхідно враховувати, оскільки через термічний та електродинамічний вплив струмів можливі серйозні пошкодження електрообладнання та провідників, що викликають відмову основного обладнання електроустановок, аварії на електростанціях та підстанціях, а також системні аварії. Особливо небезпечні короткі замикання на шинах станцій та підстанцій, які часто відбуваються через забруднення ізоляції та її пробою, порушення роботи релейного захисту та комутаційної апаратури. Внаслідок цього на підстанціях можливі вибухи та пожежі, які призводять до важким наслідкамта тривалих перерв в електропостачанні. При коротких замиканняліній електропередачі та відключення їх релейним захистом також на тривалий час може бути перервано електропостачання (особливо у сільській місцевості на лініях без резервного харчування), що завдає великої економічної шкоди.
При замикання на землю в мережах із ізольованою нейтраллю допускається робота до відшукання місця ушкодження. Режим замикання на землю також небезпечний, оскільки супроводжується перенапругою, що призводить до режимів двофазного (подвійного) замикання на землю та відключення споживачів. Крім того, при цьому режимі виникає небезпека ураження людей та тварин, а в місці торкання дроту землі – небезпека пожежі через електричну дугу.
У системі електропостачання повітряні мережі напругою до 1000 менш надійні. Поряд із міжфазними в мережах можуть бути однофазні короткі замикання «фаза – нуль» та «фаза – земля». Ці пошкодження також небезпечні, оскільки можливі короткі міжфазні замикання.
Встановлено, що у мережах із заземленою нейтраллю однофазні короткі замикання становлять 65%, двофазні на землю – 20, двофазні – 10, трифазні – лише 5%. У мережах із ізольованою нейтраллю найбільша кількість пошкоджень спостерігається при замиканнях на землю та двофазних коротких замиканнях
Короткі замикання в електричних мережах пояснюються різними причинами: порушенням їх ізоляції через атмосферні та комутаційні перенапруження, а також її старінням, механічними пошкодженнями, пошкодженнями, викликаними тваринами та птахами, начерками на дроти сторонніх предметів, проїздом під лініями негабаритних механізмів. стрілою, комбайнів тощо), падінням опор, схльостуванням проводів при вітрі, ожеледиці, «танці проводів» тощо. Часто причиною пошкоджень цих мереж можуть бути також неправильні дії обслуговуючого персоналу, наприклад, помилкові відключення роз'єднувачами ланцюга зі струмом, включення роз'єднувачів на закоротку, помилкові перемикання в головних схемах і схемах релейного захисту та автоматики, включення ліній на короткі замикання через незняття заземлювачів ремонтних роботахі т.п. Що краще організована експлуатація електроустановки, то рідше бувають у ній короткі замикання. Однак виключити їх повністю не можна, тому вживають заходів, щоб вони не спричиняли пошкоджень обладнання та тривалих порушень його роботи. Під час коротких замикань через великі струми іноді підвищується температура струмоведучих частин, і відбуваються пошкодження провідників та ізоляції. При цьому електродинамічні зусилля можуть зруйнувати електроустаткування. Зниження напруги в мережі при короткому замиканні викликає зменшення моменту електродвигунів споживачів, їх гальмування і навіть повну зупинку, а також порушення роботи окремих ділянок мереж, що веде до відключень споживачів. При короткому замиканні виникає сильний електромагнітний вплив на лінії зв'язку та системи залізничних блокувань.
Отже, щоб мінімізувати негативні наслідки від коротких замикань, треба навчитися визначати струми к. з. Розрахунки струмів необхідні: для порівняння, оцінки та вибору основних схем електричних з'єднань підстанцій; вибору електричних апаратів; оцінки поведінки споживачів за аварійних умов; проектування та налаштування пристроїв релейного захисту та автоматики; проектування заземлювальних пристроїв; визначення впливу струмів до. на лінії зв'язку; вибору розрядників; аналізу аварій
Для оцінки теплового та електродинамічного впливу струму к. з., а також для визначення ступеня зниження напруги слід знати максимально можливі струми к. з. у цій точці мережі. Для розрахунків дії релейного захисту та забезпечення її успішної роботи у найскладніших умовах визначають також і мінімальні струми к. з.
В даний час рівень струмів к. з. для мереж суттєво підвищився. Для мереж 35 кВ і більше обмежується параметрами вимикачів, трансформаторів, провідників та іншого електрообладнання, умовами забезпечення стійкості енергосистеми, а для мереж 3-20 кВ - параметрами електричних апаратів і струмопроводів, термічною стійкістю кабелів, стійкістю рухового навантаження.
Для обмеження струмів к. з. використовують секціонування мереж, встановлюють трансформатори з розщепленими обмотками нижчої напруги, струмообмежувальні реактори Застосування кожного способу має бути економічно обґрунтовано.
Секціонування мереж є ефективним засобом, Що дозволяє зменшити рівні струмів к. з. у 1,5...2 рази. У розподільчих мережах 10 кВ широко застосовується роздільна робота секцій шин, які отримують харчування різних трансформаторів підстанції. Однак у цьому випадку є недоліки: різні рівні напруги за секціями, нерівномірне завантаження трансформаторів тощо.
У силових трансформаторах потужністю 25 МВА і вище використовують розщеплення обмотки нижчої напруги на дві, що дозволяє збільшити опори трансформаторів в режимі к. з. приблизно 2 разу.
Реактори служать обмеження струмів к. з. у потужних електроустановках, а також для підтримки на збірних шинах значної залишкової напруги. Їх застосовують в основному в електричних мережах напругою 6-10 кВ, рідше 35 кВ та вище.

У вітчизняних енергосистемах електричні сітінапругою 6-35 кВ працюють, як правило, із ізольованою нейтраллю або з нейтраллю, заземленою через великий індуктивний опір дугогасного реактора (ДГР), а також із заземленням через великий активний опір. На відміну від мережі з глухозаземленной нейтраллю, однофазне замикання в мережі з ізольованою нейтраллю не супроводжується появою великих струмів КЗ, оскільки струм пошкодження замикається на землю через дуже великі опориємностей фаз мережі.

Розглянемо характер зміни напруги і струмів у мережі та їх векторні діаграми в нормальних умовах і при однофазному замиканні на землю (К3(1)) у режимі, коли нейтраль мережі ізольована, замкнена через реактор, що дугогасить, або через активний резистор. Для спрощення приймаємо, що навантаження мережі відсутнє. Це дозволяє вважати фазні напруги у всіх точках мережі незмінними та рівними ЕРС фаз джерела живлення. На рис.9.1 наведена радіальна мережа із ізольованою нейтраллю з джерелом живлення (генератором або понижувальним трансформатором) та однією еквівалентною ЛЕП, що умовно представляє всю мережу. Розподілена ємність фаз щодо землі замінена еквівалентною зосередженою ємністю З 0. Опір Rі XЛЕП не враховуються. Місткість джерела живлення також не враховується внаслідок її малого значення.

У нормальному режимінапруги проводів А,Ві Зпо відношенню до землі рівні відповідним фазним напругам U A, U B, U C, які за відсутності навантаження рівні ЕРС джерела живлення Е А, Е В, Е C.Вектори цих фазних напруг утворюють симетричну зірку(Рис.9.2, а), а їх сума дорівнює нулю, внаслідок чого напруга в нейтралі N відсутня: U N = 0. Під дією фазних напруг через ємності фаз щодо землі ЗА, ЗВ, ЗПроходять струми, що випереджають фазну напругу на 90°:

Сума ємнісних струмів, що проходять по фазах у нормальному режимі, дорівнює нулю, і тому 3 I 0відсутня (рис.9.2, а).

Металеве замикання на землю однієї фази в мережі із ізольованою нейтраллю.Допустимо, що пошкодилася фаза А(див. рис.9.1), тоді її фазна напруга щодо землі знижується до нуля ( U A = 0). Напруга нейтраліU N(1) по відношенню до землі стає рівним U N = U KN (рис.9.1 та 9.2, б), тобто. напруги, що дорівнює за значенням і зворотного за знаком заземленої фази:

(9.2)

Напруга непошкоджених фазщодо землі підвищуються до міжфазних значень U B(1)= U BA та U З(1)= U СA. Міжфазна напруга залишається незмінною, що видно з рис.9.1 і 9.2.

На рис.9.2, бпобудована векторна діаграма напруг проводів і нейтралі мережі по відношенню до землі ( U B(1), UЗ 1), U N): точки А,В,Зпредставляють потенціали проводів, точка Nвідповідає нейтралі джерела живлення, точка Апов'язана із землею і має нульовий потенціал.

Струми при замиканні на землю.У місці пошкодження Допроходять струми, що замикаються через ємності непошкоджених фаз мережі (9.1). Оскільки U A = 0, то I A(C) = 0. У двох інших фазах під дією напруг U" Bi U" З'являються струми, що випереджають на 90° ці напруги:

Струм I з(C) у місці пошкодження дорівнює суміструмів у фазах Ві З(Рис.9.1): I з(C) = ( I B(C) + I C(C)). З урахуванням (9.3)

Оскільки U BA + U CA = - 3 ЕА(рис.9.2, б):

Таким чином, струм I з(C) дорівнює потрійному значенню нормального ємнісного струму фази I ф(C) = Uф / X C . З рис.9.2 б видно, що струм Iз(C) випереджає від U N на 90 °. Струм Iз(C) може бути визначений за формулою

Де l- загальна довжина однієї фази мережі; Зуд - місткість 1 км фази щодо землі.

У повітряних мережах Iз(C) знаходиться в межах від часток до декількох десятків ампер; у кабельних – від кількох ампер до 200-400 А мережах великих міст.

Струми та напруги нульової послідовності при замиканнях на землю.При замиканні на землю у фазних напругах та струмах з'являються складові НП:

(9.5)

(9.6)

Підставляючи(9.5) значення U " В і U " З , отримуємо

(9.7)

Оскільки опір проводів значно менший ХЗ, у всіх точках мережі U o= U oK. Струми I 0, що виникають під дією U oK, замикаються через ємність фаз і заземлені нульові точки генераторів та трансформаторів, якщо такі заземлення є. З розподілу струмів I 0, показаного на рис.9.3 слід:

Де Uф – нормальна напругаушкодженої фази.

З наведеного розгляду можна зробити висновок, що ємнісний струм у місці замикання

(9.9)

Струми 3 I 0(C) та Iз(C) збігаються по фазі і випереджають вектор напруги.

Компенсованамережа.Розглянемо мережу, нейтраль якої заземлена через дугогасний реактор ДГР, призначений для компенсації ємнісних струмів у місці пошкодження (рис.9.4). При замиканні на землю напруги у всіх точках такої мережі мають ті ж значення, що й у мережі із ізольованою нейтраллю. За наявності ДГР під дією напруги U oK = U N = - Е Виникає індуктивний струм IДГР, який проходить по фазі, що замкнулася на землю Апошкодженої ЛЕП W1 до місця замикання Доі по землі повертається до ДГР:

I ДГР = -ЕА /ХДГР Цей струм накладається на ємнісний струм I з(С) - Будучи індуктивним, I ДГР протилежний за фазою I з(С) – Результуючий струм

При повній компенсації, яку зазвичай прагнуть забезпечити, IДГР = I з(С) = 3 ЕА ωС 0,і тоді результуючий струм Iз=0.

Ємнісний струм НП I 0(С) (рис.9.4, а) проходить по всіх неушкоджених та пошкоджених ЛЕП. Струм I ДГР проходить лише по пошкодженому приєднанню W1. Струм I 0в обмотках генератора відсутня, оскільки нульова точка його ізольована. У непошкоджених ЛЕП ( wп) сума фазних ємнісних струмів при замиканні на землю завжди відмінна від нуля і дорівнює 3 I 0(C) Wп. Токи I 0(C) Wп спрямовані до шин, їх значення визначаються ємностями С0ЛЕП:

У пошкодженій ЛЕП W1 на ділянці від шин підстанції до точки замикання Дострум 3 I 0п.л дорівнює сумарному струму ∑3 I 0(С)∑ = Iз(С) у місці пошкодження за вирахуванням струму

Струм 3 I 0(С)п.л спрямований від шин підстанції до місця замикання, він завжди протилежний струмам 3 I 0(С) у непошкоджених ЛЕП.

За наявності ДГР струм на початку пошкодженої ЛЕП 3 I 0п.л дорівнює різниці струмів IДГР дугогасного реактора та сумарного ємнісного струму непошкоджених ЛЕП:

При повній компенсації IДГР = ∑3 I 0(С)нп.л і тоді

(9.13)

Отже, у компенсованій мережі на початку пошкодженої ЛЕП (між шинами та точкою До) проходить залишковий індуктивний струм ДГР, чисельно рівний ємнісного струму пошкодженої ЛЕП ( W1 на рис.9.4). Напрямок цього струму при повній компенсації співпадатиме з напрямком струму в непошкоджених ЛЕП. Розподіл струмів I 0, показаний на рис.9.4, справедливо для будь-яких значень ω , тобто. для всіх гармонік (крім кратних трьох) струмів I 0і Iф

.

Струми в мережі з активним опором. Іноді паралельно дугогасний реактор включається резистор R(Показано пунктиром на рис.9.4). Тоді, крім струмів I 0(С)і I ДГР, з'являється третій струм I R = U оK/ R, що збігається по фазі з U оK і зрушений на 90° по відношенню до струмів I 0(С)і I ДГР. Таким чином, за наявності резистора Rструм у місці пошкодження

(9.14)

При замиканні на землю через перехідний опірнапруга пошкодженої фази U A= I 3Rп = U oK , а напруга в нейтралі U N = - E A + U K, тобто. воно виявляється меншим, ніж за металевому замиканні. Відповідно зменшуються напруження непошкоджених фаз щодо землі, а також струми I 0 та I 3. У ємності пошкодженої фази утворюється струм

У розрахунках зниження струму та напруги НП, обумовлене опором Rп,враховується коефіцієнтом повноти замикання β = UОК / Uф . При металевому замиканні β = 1, оскільки U oK= Uф. При неповному замиканні на землю U oK = β UФ, струм I 0= β Uф/ Х C, а струм

Таблиця 1.5

Основні нормативно-правові питання діагностичного контролю високовольтного електрообладнання можна вирішити з урахуванням існуючого ГОСТ 27.002-89.

Замикання, що виникають в електричних мережах, машинах та апаратах, відрізняються великою різноманітністю, як на вигляд, так і за характером пошкодження.

Для спрощення розрахунків та аналізу поведінки релейного захисту при ушкодженнях виключаються окремі фактори, що не суттєво впливають на величини струмів і напруг. Зокрема, як правило, не враховується при розрахунках перехідний опір у місці замикання і всі пошкодження розглядаються як «глухе» або, як то кажуть, «металеве» з'єднання фаз між собою або землю для мережі із заземленою нейтраллю. Опір всіх трьох фаз вважаються однаковими.

1.2.1 Види коротких замикань

Основні види замикань наведено на рис. 1.21. Міжфазні короткі замикання - трифазні та двофазні ( а, б, в) − виникають як у мережах із заземленою, так і в мережах із ізольованою нейтраллю. Однофазні короткі замикання можуть відбуватися тільки в мережах із заземленою нейтраллю ( г). У мережах із ізольованою нейтраллю відбуваються однофазні замикання на землю (ОЗЗ) ( д).

Основними причинами, що викликають пошкодження на лініях, є перекриття ізоляції під час грози, схльостування та обриви проводів при ожеледиці, начерки, перекриття забрудненої та зволоженої ізоляції, помилки персоналу та ін.

1.2.1.1 Трифазне КЗ

Симетричне трифазне коротке замикання – найпростіший для розрахунку та аналізу вид пошкодження. Він характерний тим, що струми та напруги у всіх фазах рівні за величиною як у місці КЗ, так і в будь-якій іншій точці мережі:

I A = I B = I C; U A = U B = U C.

Векторна діаграма струмів і напруги при трифазному КЗ наведена на рис. 1.22.

Оскільки розглянута система симетрична, струм, що проходить у кожній фазі, відстає від ЕРС, що створює його, на однаковий кут φ КЗвизначається співвідношенням активного та реактивного опорів ланцюга короткого замикання:

Для ліній до 35 кВ цей кут зазвичай менше 45 °.

Напруга у місці короткого замикання дорівнює нулю, а будь-якій іншій точці мережі може бути визначено, як показано на рис. 1.22, в. Так як всі фазні і міжфазні напруги в місці трифазного короткого замикання рівні нулю, а в точках, віддалених від місця КЗ на невелику відстань, незначні за величиною, вид пошкодження, що розглядається, представляє найбільшу небезпеку для роботи енергосистеми з точки зору впливу на стійкість паралельної роботи генераторів і працювати електродвигунів.

1.2.1.2 Двофазне замикання

Замикання двох фаз.При двофазному КЗ струми та напруги різних фаз неоднакові. Розглянемо співвідношення струмів та напруг, характерні для двофазного КЗ між фазами В та С (рис. 1.23). У пошкоджених фазах у місці КЗ проходять однакові струми, а у непошкодженій фазі струм відсутній

I A = 0; I B =-I C.

Міжфазна напруга U bcу місці КЗ дорівнює нулю, а фазна напруга визначається за формулою:

U B = U C = E/2, U BC = 0.

Так само як і при трифазному КЗ, струми, що проходять у пошкоджених фазах, відстають від ЕРС, що створює їх (в даному випадку Е ВСабо паралельний йому вектор U ВСна кут φ КЗвизначається співвідношенням активних та реактивних опорівланцюга).

Відповідні векторні діаграми на місці КЗ побудовані на рис. 1.23. У міру віддалення від місця КЗ фазна напруга U В , U Зта міжфазна напруга U ВСзбільшуватимуться, як показано на рис. 1.23 штриховими лініями для точки n.

З погляду впливу на стійкість паралельної роботи генераторів і роботу електродвигунів аналізований вид ушкодження становить значно меншу небезпеку, ніж трифазне коротке замикання.

Коротке замикання двох фаз на землю в мережі із заземленою нейтраллю. У мережах із заземленою нейтраллю двофазне КЗ на землю значно небезпечніше, ніж двофазне коротке замикання. Це пояснюється більш значним зниженням міжфазних напруг у місці короткого замикання, так як одна міжфазна напруга зменшується до нуля, а два інших – до величини фазної напруги неушкодженої фази (рис. 1.24).

Співвідношення струмів та напруг у місці КЗ для цього виду пошкодження мають такий вигляд:

I A = 0; U B = U C = 0.

Цей вид пошкодження для мереж із ізольованою нейтраллю практично не відрізняється від двофазного короткого замикання. Струми, що проходять в місці КЗ і в гілках схеми, що розглядається, а також міжфазні напруги в різних точкахмережі мають ті самі значення, що і при двофазному КЗ.

1.2.1.3 Однофазне коротке замикання

Однофазне коротке замикання в мережі із заземленою нейтраллю. Однофазне коротке замикання може мати місце лише в мережах із заземленою нейтраллю (у Росії, як правило, із заземленою нейтраллю працюють мережі напругою 110 кВ і вище). Векторні діаграми струмів та напруг у місці однофазного КЗ фази А наведено на рис. 1.25, аформули, що визначають їх основні співвідношення:

UA =0; I B = I C = 0.

Однофазні короткі замикання, що супроводжуються зниженням до нуля у місці пошкодження однофазної напруги, становлять меншу небезпеку для нормальної роботи енергосистеми, ніж розглянуті вище міжфазні КЗ.

Однофазне замикання на землю у мережі з малим струмом замикання на землю. У мережах з малими струмами замикання на землю, до яких відносяться мережі 2-35 кВ, що працюють із ізольованою нейтраллю або з нейтраллю, заземленою через дугогасну котушку або резистор, замикання однієї фази на землю супроводжуються значно меншими струмами, ніж короткі замикання.

При замиканні на землю однієї фази фазна напруга пошкодженої фази (U Aна рис. 1.26, а) щодо землі стає рівним нулю, а напруги непошкоджених фаз U Bі U Cзбільшуються в 1,73 рази і стають рівними міжфазним U B (1)і U C (1)на рис. 1.26, б.

Під дією напруг U B (1)і U C (1)через місце ушкодження проходить струм I З A, що замикається через ємності непошкоджених фаз і С. Ємність пошкодженої фази зашунтована місцем замикання, і тому струм через неї не проходить. Величина струму в місці замикання на землю визначається таким виразом:

де X ∑− сумарний опір ланцюга замикання на землю.

Оскільки активні та індуктивні опори генераторів, трансформаторів і кабельних ліній набагато менші, ніж ємнісний опір мережі, їх можна знехтувати. Тоді

де С – ємність однієї фази мережі щодо землі.

Оскільки при замиканні фази А на землю напруги фаз і З щодо землі рівні за величиною міжфазної напруги і зсунуті на кут 60°, то

U B (1) + U C (1)= 3U фА .

В результаті

I ЗА = 3U фА ωС.

Місткість мережі в основному визначається довжиною приєднаних ліній. Для повітряних ліній можна приймати такі питомі значення ємнісних струмів: 6 кВ-0,015 А/км; 10 кВ-0,025 А/км; 35 кВ-0,1 А/км.

ОЗЗ є найчастішим видом ушкоджень у мережах 6-35 кВ (75-90% від загальної кількостіелектричних ушкоджень). Вони нерідко призводять до великих аварій, що супроводжуються значними збитками.

1.2.2 Види ушкоджень під час ОЗЗ

При ОЗЗ можливі пошкодження, які з погляду захисту можна поділити на кілька основних категорій:

Короткочасні пробої;

- «металеві», бездугові ОЗЗ;

ОЗЗ через великі перехідні опори;

Дугові ОЗЗ;

Обриви ПЛ, що не супроводжуються тривалими ОЗЗ.

Короткочасні пробої.Більшості «стійких» ОЗЗ передують короткочасні нестійкі пробої ізоляції тривалістю від 1 до 10 мс, що супроводжуються значними за тривалістю безструмовими паузами (від 1 до 17 хвилин). Час від першого короткочасного пробою до стійкого ОЗЗ становить від 1 хвилини до 10 діб і більше.

Бездугове ОЗЗ.Таке замикання з'являється у разі виникнення надійного гальванічного зв'язку пошкодженої фази із землею (наприклад, із заземленим корпусом електроустановки). При цьому напруги та струми нульової послідовності можна вважати синусоїдальними та максимальними за величиною. З погляду захисту бездугове ОЗЗ – найпростіший режим функціонування.

ОЗЗ через великі перехідні опори.Зв'язок фази із землею через неметалеві предмети (наприклад, через дерев'яні частини конструкції, при падінні дроту на сухий ґрунт тощо) іноді призводить до ОЗЗ з великим перехідним опором. Так, в експерименті, при падінні дроту ЛЕП 35 кВ на пісок відзначався перехідний опір, який протягом декількох секунд змінювався приблизно від 7 до 5 кОм. У Польщі нормована величина такого опору становить 13,5 кОм, у Канаді – 7,5 кОм. Такі великі величиниперехідних опорів можуть суттєво ускладнити вимоги до захисту повітряних ліній від ОЗЗ, оскільки зі зростанням перехідного опору зменшуються як напруги нульової послідовності, так і струми нульової послідовності.

Дугове замикання.Спостерігається при пробоях та перекриттях фазної ізоляції. При цьому часто спостерігається «переривчаста» форма кривої струму в дузі. Така дуга називається перемежовується. При цьому струм у реле захисту при ОЗЗ може на якийсь час перериватись і містить велику кількість високочастотних складових.

У деяких випадках у струмі та напрузі нульової послідовності можуть виникати також субгармонічні складові.

Дуга, що виникає при ОЗЗ, може іноді перериватися на значний час, що перевищує кілька періодів промислової частоти. Виходячи з аналізу залежності тривалості безструмової паузи, пов'язаної з повільним зарядом ємності пошкодженої фази після згасання дуги, від параметрів мережі, слідує, що введення заземлювального резистора істотно зменшує тривалість такої паузи, що позитивно позначається на поведінці захисту від замикань на землю.

Значний вміст високочастотних складових у струмах нульової послідовності як пошкодженої, так і непошкоджених ПЛ може призвести до неселективної роботи захисту. Струми нульової послідовності, наприклад, непошкоджених ПЛ можуть у кілька разів перевищувати власні ємнісні струми при металевих ОЗЗ. Це пояснюється тим, що високочастотні складові в напрузі нульової послідовності, які, зокрема, генеруються дугою, значною мірою посилюються в ємнісних струмах ліній, оскільки ємнісний опір зменшується пропорційно зростанню частоти. В результаті струми в непошкоджених лініях можуть суттєво перевищити ємнісні струми, визначені за металевого ОЗЗ, за якими ведеться розрахунок уставок захисту.

Обриви ПЛ, що не супроводжуються тривалими ОЗЗ.Іноді в мережах 6–35 кВ виникають пошкодження, що не призводять до тривалого перебігу струму нульової послідовності, але як би «суміжні» з ОЗЗ, наприклад, обрив шлейфу на ПЛ. Якщо шлейф висить, не торкаючись опори, то струм нульової послідовності відсутня, і нормальний захист від ОЗЗ не діє. При розгойдуванні вітром шлейф може короткочасно замикатися на опору, що призведе до "клювань" захисту, але її спрацьовування зазвичай не відбувається через короткочасність такого замикання.

Особливості ОЗЗ в залежності від конструкції лінії та режими роботи мережі.Великий вплив на поведінку захисту від ОЗЗ надає схема мережі, режими її роботи і конструктивне виконання ліній. Вочевидь, що з ОЗЗ процеси по-різному протікають у мережах з повітряними чи кабельними лініями.

ОЗЗ у кабелях із пластмасовою ізоляцією при досить великих ємнісних струмах мережі часто призводить до стійкого горіння дуги. За тих же умов ОЗЗ у кабелі з паперовою ізоляцією, просоченою масляно-каніфольною мастикою, зазвичай призводить до розкладання олії та бурхливого виділення газів. Турбулентний рух газів в газовому міхурі, що утворився, призводить до згасання дуги, подальше запалення якої відбувається лише після «розсмоктування» газів, що утворилися.

Відповідно, при різних значенняхструму ОЗЗ та різних фазах розвитку процесу тривалість горіння дуги та тривалість безструмових пауз можуть змінюватись. У зв'язку з цим, наприклад, перехід у кабельних мережах від миттєво діючих захистів від ОЗЗ до захисту, що мають витримку часу, може призвести до відмов у тих випадках, коли тривалість горіння дуги стає меншою за витримку часу захисту.

У випадках ОЗЗ на ПЛ за наявності суттєвих безструмових пауз, характерних для дуги, що перемежується, захисту від ОЗЗ, що мають стандартну схемузабезпечення витримки часу можуть відмовити, оскільки під час безструмової паузи вони «скидають» замір за часом, – реле (або блок) витримки часу повертаються у вихідний стан. Для безперебійного функціонування захисту у разі необхідно забезпечити «запам'ятовування» деякий час факту запуску захисту. Якщо протягом встановленого часу запам'ятовування струм нульової послідовності з'явиться знову, захист повинен спрацьовувати.

У випадках ОЗЗ на дволанцюгових ПЛ між двома ланцюгами однієї ПЛ, підключеними до різних секцій, існує зв'язок через міжланцюгові ємності. При ОЗЗ на одному з ланцюгів напруга нульової послідовності виникає на обох секціях збірних шин, і струми нульової послідовності протікають через лінії, приєднані до однієї секції збірних шин підстанції, так і до іншої. Якщо не врахувати цю особливість при розробці та проектуванні захисту, можливі неселективні відключення непошкоджених ліній при ОЗЗ в мережі.

У деяких мережах 35 кВ повітряні лінії зручності експлуатації виконані без транспозиції фазних проводів. У цьому виникає несиметрія фазних ємностей щодо землі, що зумовлює зміщення нейтралі мережі, т. е. появі напруги і струмів нульової послідовності за відсутності ОЗЗ. Установка в нейтралі заземлювального резистора зменшує цю напругу, проте в захисті від ОЗЗ з'являється додатковий струм, який слід враховувати при розрахунку уставок.

Якщо в мережах 6-10 кВ, як правило, вдається встановити кабельні трансформатори струму нульової послідовності, що мають малий небаланс у нормальному режимі, то в мережі 35 кВ зазвичай для захисту від ОЗЗ доводиться використовувати фільтри з трьох трансформаторів струму, небаланс яких може бути в деяких випадках дуже великий. Якщо не враховувати його під час розрахунку уставок, то можливі неселективні спрацьовування.

Режими експлуатації.Струми нульової послідовності можуть змінюватися в процесі експлуатації з наступних причин:

В результаті відключення окремих ліній та перемичок у схемі, наприклад, у процесі експлуатації;

Під час увімкнення ліній, приєднаних до шин підстанції або розподільного пункту, після ремонту. При цьому можуть істотно змінюватися також кути між струмом і напругою нульової послідовності в пошкодженій лінії;

При заміні частини повітряних ліній кабельні;

За наявності дугогасного реактора, включеного паралельно заземлювального резистори, експлуатаційний персонал не завжди використовує його автопідстроювання, навіть якщо вона є. При цьому можливі режими суттєвої перекомпенсації, що ускладнює роботу більшості відомих захистів від ОЗЗ.

Вплив трансформатора напруги під час ОЗЗ.Насправді неодноразово спостерігалися випадки спрацьовування захистів неушкоджених ліній після відключення лінії з ОЗЗ. Одною з можливих причинтакого неселективного спрацьовування є те, що трансформатор напруги (ТН) у процесі ОЗЗ накопичує енергію, якою після відключення пошкодженої лінії починає обмінюватися з ємностями непошкоджених ліній. При цьому за напрямом та величиною струмів у цих лініях вони потрапляють у зону спрацьовування захисту, внаслідок чого захист від ОЗЗ діє на відключення неселективно. Наявність заземлювального резистора допомагає й у разі, оскільки накопичена в ТН енергія швидко виділяється в резисторі. Додатковим заходом, що дозволяє відбудуватися від таких неселективних спрацьовувань, є запровадження витримки часу спрацьовування захисту.

Наслідки ОЗЗ.Замикання фази на землю в мережах напруги 6-35 кВ можуть призвести до таких неприємних наслідків:

У мережі з'являються перенапруги близько 2,4–3,5 кратних порівняно з фазним, що може призвести до пробою ізоляції непошкоджених фаз та переходу ОЗЗ у «двомісне» або подвійне замикання на землю за своїми характеристиками, близьке до двофазних КЗ. Ризик виникнення таких подвійних замикань помітно виріс останнім часом у зв'язку зі старінням ізоляції електричних машинта апаратів багатьох енергетичних об'єктів та відсутністю коштів на їх модернізацію та заміну;

Можливі явища ферорезонансу, від яких у мережах, що розглядаються, найчастіше виходять з ладу трансформатори напруги. Іноді пошкоджуються і слабко навантажені силові трансформатори, що працюють у режимі, близькому до холостого ходу;

Небезпека ураження людей та тварин електричним струмом− на ПЛ ОЗЗ часто відбувається при обриві дроту та падінні його на землю. Особливо велика така небезпека, якщо ПЛ проходить густонаселеними районами, наприклад, містом;

Пробої ізоляції обмотки статора двигунів на метал статора часто відбуваються через дугу і можуть призвести до значних пошкоджень не тільки самої обмотки, але і заліза статора (викликати «пожежа заліза»). "Періжж" ізоляції призводить до появи небезпечних виткових або міжфазних коротких замикань. При цьому «вторинні» пробої ізоляції, що виникають після появи в мережі 3-10 кВ ОЗЗ, відбуваються саме на двигунах, оскільки якість їх ізоляції зазвичай поступається якістю ізоляції ПЛ та іншого обладнання. Це призводить до значних витрат, пов'язаних з їх ремонтом та простоєм відповідних механізмів. У цьому двигуни відключаються захистами від міжфазних КЗ. Якщо врахувати, що більшість цих КЗ виникають як наслідки ОЗЗ, стає очевидним, що, встановивши в мережі ефективний захист від ОЗЗ, можна різко скоротити кількість КЗ на двигунах і збитки, що їм супроводжуються;

Можливе руйнування бетону опори в місці його зіткнення із землею при перекритті фазної ізоляції на арматуру залізобетонної опори, якщо ПЛ довго не відключається. В результаті опора втрачає свою міцність;

Внаслідок тривалого протікання струму ОЗЗ ґрунт біля опори висихає, зростає його опір, внаслідок чого збільшується небезпека ураження людей кроковою напругою або напругою дотику;

Підвищується ймовірність виникнення пожеж, якщо ОЗЗ довго не відключається, наприклад, у осередках КРУ, через виникнення високотемпературної дуги у місці ОЗЗ;

Останнім часом у Російських енергосистемах введено в експлуатацію значну кількість імпортних кабелів, зовнішню оболонку (броню) яких виконано багатожильними провідниками щодо малого сумарного перетину. Наприклад, при перерізі жили трифазного кабелю 70 мм 2 загальний переріз броні становить близько 20 мм. При виникненні «багатомісних» замикань на землю зовнішня оболонка сильно перегрівається і викликає пожежу, що її покриває. пластмасової ізоляції;

При дугових замиканнях на ПЛ наводяться значні перешкоди в поблизу лініях зв'язку (наприклад, телефонної).

1.2.3 Аналіз ушкоджуваності ПЛ 110 кВ

На кафедрі ЕССіС ІРГТУ ведеться робота з визначення місць пошкоджень на лініях ПЛ 110 кВ філії Східні електричні мережі (ВЕС) ВАТ «ІЕСК».

ВЕС забезпечують електроенергією велику територію, яка простягається від обласного центру− міста Іркутська − більш ніж на чотириста кілометрів на північ і обмежена правим берегом річки Ангари, західним узбережжям озера Байкал та басейном річки Лєна та її приток. Площа «зони впливу» ВЕС становить понад 120 км2. ВЕС здійснюють електропостачання дев'яти адміністративних районів області та національного автономного округу. Головним завданням ВЕС є надійне безперебійне електропостачання населення, об'єктів соціальної сфери, підприємств та організацій.

Рівень пошкодження ПЛ 110 кВ набагато вищий ніж у решті філій ВАТ «ІЕСК». Звичайно виникає питання про причини підвищеної ушкоджуваності.

За період з 2002 р. по 2011 р. (тобто за 10 років) у 13 лініях 110 кВ сталося 658 пошкоджень. Питомий рівень ушкоджуваності становив 0,0753 пошкоджень на 1 км довжини ПЛ 110 кВ на рік, тобто на рік у середньому припадає 1 пошкодження на кожні 13 км ПЛ 110 кВ. Це підвищений рівень ушкоджуваності, але не позамежний, щоб однозначно припускати наявність особливих причин ушкоджуваності. Відсутність таких причин певною мірою підтверджується відносно рівномірним розподілом пошкоджень, що відбулися, по довжині ліній.

Переважна більшість пошкоджень – це КЗ, які усунулися мимовільно та лінії залишилися в роботі за успішної роботи автоматичного повторного включення (АПВ). Місце усунутих КЗ часто не було виявлено персоналом, тому що використовуваний прилад ЦРАП показував місце пошкодження в лініях з великою похибкою через помилки під час введення вихідної інформації внаслідок незнання розрахункового методу, закладеного в цьому приладі. Помилка була виявлена ​​в ході роботи, виконаної колективом студентів, аспірантів та викладачів кафедри ЕССІС ІРДТУ.

Проведено обробку статистичних даних про короткі замикання на лініях 110 кВ ВЕС за 2002-2011 роки. Подані на рис. 1.27 та 1.28 дані показують, що значне зростання кількості КЗ припадає на літні місяціроку (червень, липень, серпень) та на ранкові години з 5 і до 7 годин. Саме в цей час року і доби відбувається найбільш інтенсивне утворення туману, роси та випаровування вологи з лощин, ярів, заплав річок. Дані КЗ є нестійкими, оскільки електрична дуга, проходячи по гірлянді ізоляторів, просушує її, і ПЛ під дією АПВ знову вмикається під напругу.

Виконано також аналіз розподіленості КЗ за довжиною ПЛ 110 кВ «Усть-Орда – Баяндай» (рис. 1.29) та інших ліній ВЕС.

Аналіз показав, що розподіл КЗ по довжині ПЛ 110 кВ залежить від природних умовмісцевості розташування лінії. Найбільший вплив на зростання КЗ надає розташування лінії у болотистій місцевості або вздовж долин річок.