Раздел 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ
ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ
2.1. Влияние параметров и элементов распределительных сетей
на значение составляющих аварийных токов
Известно что, ток однофазного замыкания на землю состоит из суммы составляющих [8, 37, 44]:
, (2.1)
где , , - реактивная, активная и составляющая высших гармоник тока замыкания.
Параметры распределительных сетей влияют, прежде всего, на величину реактивной составляющей тока однофазного замыкания на землю, обусловленную емкостным сопротивлением фазы относительно земли.
Ток, вызванный емкостной составляющей, может быть определен по формуле [41]:
, (2.2)
где - фазное напряжение сети;
- напряжение нулевой последовательности;
- емкостная проводимость изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;
- проводимость переходного сопротивления в точке замыкания на землю.
Емкостной проводимостью или емкостным сопротивлением изоляции по отношению к земле обладают все элементы системы электроснабжения. В сетях большой протяженности емкостная проводимость изоляции может достигать высоких значений, являясь причиной значительных аварийных токов. Емкость карьерных сетей 6 - 10 кВ колеблется в пределах от 1 до 5 мкФ. Около 80 % общего числа сетей имеют емкость относительно земли менее 3 мкФ. Емкость отдельных ЛЭП колеблется в пределах 0,1 - 0,2 мкФ.
При использовании заземления через дугогасящий реактор , при этом индуктивный ток компенсирующего устройства определяется выражением [41]:
(2.3)
где - индуктивная проводимость компенсирующего устройства.
Знак "-" показывает, что индуктивный ток направлен в противофазе к емкостному.
Кроме емкостной составляющей на величину тока однофазного замыкания на землю влияет активная составляющая, обусловленная потерями в дугогасящих катушках, активной проводимостью сети, а в кабельных линиях активным сопротивлением оболочки кабеля и контура заземления. Опыт эксплуатации электрических сетей с автоматической компенсацией емкостных токов показывает, что при токах однофазного замыкания на землю до 100 А доля замыканий, переходящих в междуфазные короткие, не превышает 3 - 5 % [11]; при токах однофазного замыкания на землю более 100 А эта доля возрастает и при 300 - 400 А и более, практически каждое второе замыкание на землю переходит в междуфазное короткое. По данным исследований, приведенных в [39] среднее значение тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях напряжением 6, 10 кВ составляет 125 А, а в отдельных электрических сетях (около 5 % от общего числа сетей) достигает 400 - 500 А. В связи с развитием кабельных сетей среднее значение тока замыкания на землю будет постоянно возрастать. При нормальном состоянии изоляции сети доля активной составляющей в полном токе замыкания достигает 4 % в кабельных сетях и 6 % в воздушных, по мере старения изоляции она увеличивается, достигая соответственно 6 и 10 % [23]. Характер распределения активной составляющей в сети при однофазном замыкании на землю изображен на схеме замещения (рис. 2.1).
Активную составляющую тока однофазного замыкания на землю часто определяют при помощи емкостной составляющей и коэффициента успокоения сети [56]. Коэффициентом успокоения сети называют отношение активной проводимости сети к емкостной:
, (2.4)
или отношение активной составляющей тока к емкостному току.
Коэффициент успокоения в воздушных сетях составляет 3-5 %, а в кабельных сетях 2-4 % [45, 47, 56]. При наличии загрязненных фарфоровых изоляторов или кабелей с устаревшей изоляцией, коэффициент успокоения может достигать даже 10 %. Коэффициент успокоения сети с компенсацией емкостного тока несколько выше, чем сети с незаземленной нейтралью, поскольку кроме активных потерь утечек имеют место потери в самих реакторах.
Поэтому для компенсированной сети справедливым будет следующее выражение:
, (2.5)
где - коэффициент расстройки дугогасящего реактора.
При резонансной настройке и металлическом однофазном замыкании на землю ток основной гармоники будет чисто активным и определится по формуле:
или , (2.6)
где - фазное напряжение сети;
- активная проводимость изоляции относительно земли всей электрически связанной сети;
- активная проводимость дугогасящего реактора.
Случай описанный выражением (2.6) соответствует металлическому замыканию на землю, что в реальных сетях происходит редко. Поэтому запишем выражение для замыкания на землю, которое произошло через переходное сопротивление . Перейдем к сопротивлениям выразив , , тогда получим:
, (2.7)
где первое слагаемое обусловлено потерями через изоляцию сети, а второе потерями в дугогасящем реакторе.
Составляющая высших гармоник в токе замыкания на землю зависит от различных факторов [12]. Дополнительные гармоники тока, возникают вследствие несинусоидальности тока намагничивания питающего трансформатора, к которому он присоединен. Следовательно, помимо основной частоты в кривой аварийного тока, возникают дополнительные составляющие высших гармоник, на которые дугогасящий реактор, настроенный на частоту 50 Гц, оказывает незначительное влияние. Во всех случаях при наложении высших гармоник напряжения или тока они суммируются с составляющей основной частоты в квадрате, т. е. получающееся в результате сложения действующие значение равно корню квадратному из суммы квадратов всех составляющих разных частот [45].
Ток замыкания на землю, создаваемый третьей (), пятой () и другими гармониками фазного напряжения, например, при сопротивлении в месте повреждения r=0 отсутствии активных потерь и утечек:
, (2.8)
где n=3, 5, 7 - порядковый номер гармоники.
Подставив числовые выражения получим:
(2.9).
Отсюда видно, что даже относительно небольшая гармоника напряжения может вызвать значительную составляющую тока замы