Перенапряжения в системах с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю

Физическая природа возникновения перенапряжений при однофазных замыканиях на землю

Одним из наиболее частых видов повреждений в сетях с изолированной нейтралью является однофазное замыкание на землю, сопровождающееся переходными процессами, приводящими к перенапряжениям.

Рассмотрим упрощенную трехфазную систему, в которой вторичная обмотка трансформатора с индуктивностью L питает линию, имеющую симметричные емкости относительно земли СА=СВ=СС=С и междуфазные емкости САВ=САС=СВС=Смф, рис. 1.1.

Рис. 1.1 Схема замещения скти с изолированной нейтралью

В системе с изолированной нейтралью при заземлении одной из фаз напряжение на других фазах возрастает до линейного, а система обладает индуктивностями и емкостями. Поэтому в такой системе переход от одного состояния к другому сопровождается собственными колебаниями, в процессе которых напряжение может превысить установившееся значение.

Для упрощения анализа переходного процесса индуктивности линий не учитываем, а емкости линий считаем сосредоточенными.

Предположим, что замыкание на землю произошло в фазе, А в момент t1, когда напряжение UA проходит свой отрицательный максимум. В этот момент напряжение на фазе В (как и на фазе С) равно UB=0,5Uф, а UAB=1,5UФ, UA=Uф.

Сразу же после замыкания на землю емкость фазы В, заряженная до 0,5Uф оказывается соединенной параллельно с емкостью САВ, заряженной до 1,5Uф. Напряжения на них возрастают скачком до значения равного.

.

.

Следовательно, напряжение на фазе В (как и на фазе С) в момент t1 изменится скачком от 0,5Uф до Uнач > 0,5Uф, но меньше своего установивщегося значения, т. е. 1,5Uф. .

Вследствие этого возникают колебания напряжения вокруг установившегося значения с амплитудой (пунктирная линия рис. 1.2.):

с частотой .

Таким образом, непосредственно после замыкания фазы на землю напряжение на здоровых фазах испытывает скачек и далее начинается второй этап переходного процесса — перезаряд емкостей С и Смф через индуктивность источника. Напряжение на здоровых фазах, например В, в переходном процессе изменяется по закону.

.

где — коэффициент затухания колебаний, определяемый активными сопротивлениями и проводимостями сети, а также наличием параллельной цепи активной нагрузки.

Это напряжение достигнет максимального значения приблизительно через полпериода свободных колебаний, т. е. в момент t2=t1 0,5T= 1. Так как 1, то, обозначив 1=d, получим.

В общем виде для момента времени t2 можно записать.

.

Обычно d=0,10,3, поэтому, тогда для рассматриваемого примера.

Обычно Смф=(0,250,3)С и k=0,20,25. Приняв k=0,2 и d=0,15, получим Подобного рода процесс имеет место при любом характере замыкания фазы на землю. Но при металлическом замыкании на этом переходной процесс заканчивается, и перенапряжение на здоровых фазах имеет вид кратковременного пика с амплитудой (2,12,2)UФ.

Однако, в электрических системах наиболее часты замыкания на землю через дугу, например при атмосферных перекрытиях гирлянды. В этом случае переходной процесс, благодаря повторным гашениям и зажиганиям дуги может затянуться и привести к нежелательным последствиям.

С момента замыкания на землю в канале дуги проходит ток, состоящий из вынужденной составляющей Ic=3CUф и свободной составляющей Iсв=21(С + Смф) Uф. Так как 1, то Icв >> Ic и суммарный ток проходит через нуль приблизительно в момент максимума напряжения на неповрежденной фазе.

В момент токовой паузы (нуля) происходит интенсивная деионизация дугового столба, в результате чего постепенно восстанавливаются диэлектрические свойства промежутка и растет его пробивное напряжение (кривые А, Б и В рис. 1.2).

С другой стороны из-за роста сопротивления дугового столба на нем возрастает (восстанавливается) напряжение (UA рис. 1.2), которое до токовой паузы было небольшим. Поэтому при каждом прохождении тока через нуль происходит попытка гашения дуги, результат которой зависит от соотношения скоростей восстановления напряжения на дуге и восстановления электрической прочности дугового промежутка.