Дуговые перенапряжения в сетях с компенсацией емкостного тока

В сетях 6, 10, 35 кВ с токами замыкания на землю более 30, 20 и 10 А соответственно, согласно [2] применяется их компенсация путем установки дугогасящих реакторов. При резонансной настройке, когда емкостное сопротивление на землю равно индуктивному сопротивлению реактора, мы получаем ряд благоприятных условий протекания процессов при однофазных замыканиях:

минимальный ток промышленной частоты в месте повреждения, минимальная скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги, минимальный уровень дуговых перенапряжений. Пример такого процесса, полученный с помощью программы NRAST, показан на рис.4.11 (расчетная схема сети — рис.4.10, ключ В₁ замкнут, В₂ разомкнут). Видно, что в отличие от системы с изолированной нейтралью, однократное замыкание с самогашением дуги вызывает колебательный затухающий процесс изменения напряжения на нейтрали. Частота этого процесса тем ближе к промышленной, чем ближе коэффициент компенсации к единице.

В реальных условиях изменяющейся емкости сети, недостаточных мощностей дугогасящих реакторов и отсутствия систем автоматической на­стройки компенсации обеспечить режим благоприятной во многих отношени­ях резонансной настройки оказывается невозможным (тем более, что согласно [2], рекомендуется работа с перекомпенсацией и временно — с недокомпенсацией).

Однако расстройка полной компенсации нежелательна не только из-за увеличения в месте замыкания составляющей тока промышленной частоты, но она также значительно ухудшает картину возникающих при этом перенапряжений. Так на рис.4.12а,бпоказан процесс однократного замыкания и последующего гашения заземляющей дуги в условиях недокомпенсации (рис.4.12а) и перекомпенсации (рис.4.126). Здесь в отличие от случая полной компенсации ликвидация дугового замыкания сопровождается процессом биения (наложением на установившееся напряжение промышленной частоты свободной составляющей близкой частоты). Эта свободная составляющая создается колебаниями в контуре L_р-3С (индуктивность реактора - утроенная емкость сети на землю). Зависимость частоты этой составляющей от степени компенсации может быть определена из системы уравнений:

К =1/ (3ω² L_рС), где ω = 2πf₅₀ и f₅₀ = 50 Гц

f = 1 / (2π √ L_р3С)

Выражая величину 3 L_рС из первого уравнения и подставляя во второе получим выражение для частоты свободной составляющей (или частоты напряжения на нейтрали):

f =f₅₀ /(√1/ К) =50√К Расчет частоты напряжения на нейтрали для случаев рис.4.12а,б дает: в случае недокомпенсации (К=0,75) частоту 43,3 Гц, в случае перекомпенсации (К=1,25) 55,9 Гц, что совпадает с компьютерным расчетом.

При биениях напряжение на поврежденных фазах достигает существенно больших значений (в примерах рис.4.12а, б— кратности перенапряжений на поврежденной фазе, достигаемые в процессе биений, составляют 1,62... 1,8, на неповрежденных — 1,5...2,0). При этом становится возможным режим многократных пробоев ослабленного места при высоких значениях пробивного напряжения. Так на рис.4.14 можно видеть такой процесс при U_nр =1,7, когда на здоровых фазах возможны высокие кратности дуговых перенапряжений — 2,6...2,8. Напомним, что при резонансной настройке многократные пробои могут иметь место только при U_пр < 1.

Снижение перенапряжений в сети при расстройке дугогасящего реактора (а также при несимметричных режимах, сопровождающихся резонансными перенапряжениями) может быть достигнуто путем применения высокоомного резистора, включенного параллельно ДГР (в схеме рис.4.10, выключатели В₁ и В₂ включены).

Рис.4.12 Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А:

а) коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1,2 (перекомпенсация);

б) К =0,8 (недокомпенсация).

Рис.4.13. Зависимость частоты свободной составляющей биений после исчезновения замыкания на землю от степени компенсации

Рис.4.14. Многократные замыкания в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Коэффициент компенсации емкостного тока равен К= 1,25 (перекомпенсация).

Выбор резистора с помощью соотношения R_N = U_ф / ∆ Iς (относительно тока расстройки ∆ Iς =|I_P-I_c|) приводит к прекращению биений напряжений на фазах после погасания дуги и, как следствие, к прекращению пробоев на поврежденной фазе при пробивном напряжении ослабленного места больше фазного (U_np > Uф_тах). Максимальная кратность перенапряжений здесь определяется первым замыканием и не превышает Umax ⁼ (2,0…2,2)·U_{ф тах} как видно из рис.4.15.

Применение высокоомного резистора в случае резонансной настройки приводит к некоторому увеличению числа повторных зажиганий, но только для U_np < U_{ф тах} кратность перенапряжений здесь не превосходит таковую для идеальной настройки реактора. Высокоомный резистор весьма благоприятно сказывается на снижении времени воздействия повышенных напряжений на изоляцию неповрежденных фаз даже в случае резонансной настройки ДГР, что является несомненным достоинством такой схемы заземления нейтрали.

Рис.4.15. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор и параллельный ему резистор RN= 770 Ом, выбранный по ∆Iς = 7,5 А при К=1,25, емкостный ток замыкания на землю 30 А.

Использование высокоомного резистора параллельно дугогасящему реактору позволяет выполнить простую селективную релейную защиту от устойчивых замыканий на землю на токовом принципе. При наличии резистора в токе замыкания на землю присутствует активная составляющая, которая протекает только через поврежденное присоединение.

Рассмотренные выше случаи однофазных замыканий в сети с дугогасящим реактором дают представление о характере переходных процессов при достаточно длительном горении дуги в месте замыкания. Время горения дуги таково, что высокочастотный ток в месте замыкания практически затухает. Однако, например, в кабельных сетях возможны так называемые «самозаплывающие» пробои изоляции (в компаундах кабельных муфт, концевых воронках). В таких случаях дуга высокочастотного тока, возникающего в момент пробоя, может гаснуть при первом же переходе тока через нуль и прочность изоляции в месте повреждения восстанавливается на достаточно высоком уровне. Подобный процесс изображен на рис.4.16.

Рис.4.16. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1.Гашение дуги происходит в первый нуль высокочастотного тока.

Рис.4.17. Однофазное замыкание в сети 10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Емкостный ток замыкания на землю 70 А. Гашение дуги происходит в первый нуль высокочастотного тока: а) коэффициент компенсации емкостного тока равен К=1,2 (перекомпенсация); б) К=0,8 (недокомпенсация).

Модуль 5