Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Возникновение и развитие замыкания на землю

Глава третья
ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ЗАМЫКАНИЯМИ НА ЗЕМЛЮ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ

1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Замыкания на землю могут происходить во всех элементах высоковольтных систем: машинах, трансформаторах, выключающих устройствах и линиях передачи. Они могут развиваться внутри изоляторов по их поверхностям или через воздушные промежутки. Приведем классификацию наиболее часто встречающихся случаев замыканий на землю.

1.1. Постепенное изменение диэлектрической прочности

Если в герметически закупоренном аппарате уплотнение несовершенно или если свободная поверхность масла подвергается действию воздуха, имеет место проникновение влаги. Вследствие этого происходит ухудшение изоляционных свойств масла и погруженной в масло изоляции — деревянных брусьев и бакелизированных бумажных изоляторов. Вследствие увлажнения возникают скользящие разряды, которые могут развиться до полного перекрытия. Подобные явления наблюдаются и внутри некоторых заполненных воздухом безмасляных устройств, например в опорных изоляторах высокого напряжения и грозовых разрядниках. Химические изменения, обусловленные местными усилениями напряженности в воздушных включениях, при наличии увлажнения образуют проводящую пленку. Трещины в изолирующих компаундах могут быть причиной образования полостей. Ионизация воздуха, заполняющего эти полости, приводит к развитию повреждения.
В некоторых системах угол потерь всех проходных изоляторов периодически измеряется, так что постепенное ухудшение диэлектрика может быть обнаружено на ранней стадии.

Внезапное снижение расстояния от земли

Растягивание дуги в выключателях может приводить к ее опасному приближению к заземленным частям. Пузыри масляных паров и продуктов горения дуги могут окружать изоляцию, оттеснять масло от поверхности изолятора и т. д. и ослаблять изоляцию относительно земли.
Неправильные действия обслуживающего персонала, например выключение тока нагрузки разъединителем, могут привести к замыканию на землю, так же как ошибочное включение заземляющих разъединителей или неправильное применение заземляющих штанг.
В закрытых распределительных устройствах бывают случаи попадания на шины и другие проводники различных животных (крыс, кошек). Аналогичные нарушения в воздушных линиях упоминаются ниже (см. § 1.4 данной главы).
Обмотки трансформаторов при коротких замыканиях могут смещаться, вследствие чего прочность их изоляции относительно земли снижается.
Следует упомянуть, что в системах с изолированной нейтралью редкие случае замыкания между обмотками высокого и низкого напряжений дают эффект, очень близкий к замыканию на землю на стороне высокого напряжения, так как при этом общая емкость низковольтной системы относительно земли складывается с емкостью на землю на стороне высокого напряжения.
При правильном проектировании систем и осторожной эксплуатации можно избежать всех случаев замыкания на землю, описанных в предыдущем и данном параграфах.

1.3. Повреждения изоляции станционного оборудования

Диэлектрическая прочность оборудования системы должна противостоять повышениям напряжения, вызываемым в основном грозовыми разрядами. Для открытых распределительных устройств основной принцип координации изоляции состоит в том, что диэлектрическая прочность внутренних частей аппаратов должна быть выше прочности их вводов. Это можно называть внутренней координацией изоляции. С вводов аппаратов начинается наружная координация изоляции.
Все аппараты, присоединенные к шинам станции, подвергаются действию одних и тех же перенапряжений, но каждый из них по- разному реагирует на перенапряжения вследствие разных коэффициентов импульса и импульсных характеристик. Опорные и проходные изоляторы и воздушные промежутки не координированы в такой степени, чтобы можно было заранее предопределить, в каком месте произойдет перекрытие. Даже, например, среди опорных изоляторов отсутствует полная однородность вследствие разницы в форме, эффективной длине и испытательных напряжениях. Аналогично проходные изоляторы имеют свои специфические слабости, связанные с проблемой электрического поля, и мероприятия, решающие эту проблему для переменного напряжения, необязательно удовлетворительны по импульсной прочности. Можно заключить, что не существует конструкции распределительного устройства, полностью застрахованной от замыканий на землю. К тому же перенапряжения могут быть разными на различных станциях в зависимости от количества и типа отходящих линий; наиболее часты повреждения на тупиковых станциях.
Полагая, что замыкания на землю на станциях зависят от количества приходящих и отходящих линий электропередачи, желательно проводить координацию на один шаг дальше: защитные промежутки — удобная мера установления «слабых точек» в предопределенных местах. Первоначально они были предназначены для решения двух задач — отвода дуги от поверхности проходных изоляторов и обеспечения запаса прочности внутренней изоляции относительно прочности внешней изоляции как для мокроразрядных, так и для сухоразрядных напряжений.

Рис. 74. Разрушение изолятора и обрыв фазного провода при перекрытии, вызванном птицей.

В настоящее время становится ясным, что для волн с крутым фронтом эффективная импульсная координация требует меньших защитных промежутков [Л. 1 и 2]. Наиболее удобный метод фиксации точки перекрытия — применение грозовых разрядников, способных разрывать сопровождающий ток.
Вопрос требует особого внимания для тупиковых подстанций, так же как и для систем с усиленной изоляцией линий электропередачи, предназначенных в дальнейшем для работы на более высоком напряжении.

Воздушные линии электропередачи

Громадное количество изоляторов и непосредственное воздействие грозовых разрядов— только две из многих причин того, что замыкания в воздушных линиях составляют большую долю всех замыканий на землю в энергетических системах.
Птицы часто садятся на штыревые изоляторы или поблизости от них на провода; это снижает изоляционный промежуток и служит причиной перекрытий (рис. 74). В течение сезона миграции этот тип замыканий очень распространен. Большинство времен года имеет свои характерные причины замыканий на землю, например во время сбора урожая ветер приносит стебли на линейные изоляторы. Веревки, бумажные змеи, порывы ветра, попытки самоубийства — причины замыканий несезонного характера. Если линия проходит поблизости от деревьев без достаточного запаса, ветер может сгибать сучья и приводить к соприкосновению веток с одним из проводов. Обледенение является причиной глубокого провисания проводов и приближения их к земле. Иногда провисание невелико, но внезапный сброс гололеда является причиной пляски проводов и может привести к соприкосновению провода с тросом. В приморских

Рис. 75. Сезонное распределение замыканий на землю в системе 34,5  кВ. Висконсин Мичиган Пауэр Компани.
Число замыканий на землю в месяц; всего с марта КМ6 г. по апрель 1950 г. было 197 срабатываний катушки Петерсена.

Рис. 76. Обратное перекрытие на металлической опоре. (Упрощенный расчет напряжения.)
районах на поверхности изоляторов осаждается соль; в промышленных районах фарфор может быть покрыт густыми отложениями грязи или угольной пыли, вдоль которой в туманную погоду возникают разряды, развивающиеся в перекрытия. Поразительным фактом являются регулярные случаи замыканий на землю на восходе солнца (см. рис. 79 и 80). Иллюстрация сезонного распределения дана на рис. 75 [Л. 3]. Некоторые из приведенной выше группы аварий связаны со снижением поверхностной прочности линейных изоляторов, в частности и за счет мелких трещин в глазури изоляторов, связанных с производственным браком.

Основным источником замыканий являются, конечно, грозовые разряды. Ветви грозовых разрядов могут поражать один из проводов, трос или опору. Практика показывает, что большинство грозовых разрядов приводит к однофазным перекрытиям. В среднем 70— 90% всех замыкании на линиях с металлическими опорами являются замыканиями именно такого типа. Это может быть подтверждено теоретическим расчетом, основанным на определенных, хорошо обоснованных предположениях.
Если трос полностью защищает провода от прямых ударов, то все перекрытия носят характер обратных перекрытий (рис. 76). Трос и некоторое количество опор повышают свой потенциал относительно земли на величину, зависящую от сопротивления заземления опоры. Фазные провода получают некоторый потенциал вследствие электростатической связи; остающаяся разность потенциалов с учетом мгновенного значения рабочего напряжения служит причиной перекрытия изоляции одного из проводов. В результате получается определенное снижение волны и увеличивается связь с оставшимися неповрежденными проводами. Только в случае очень большого тока молнии может произойти перекрытие изоляции второго или третьего провода. Очевидно, изменение сопротивления заземления опор будет изменять не только абсолютное число перекрытий на 100 км в год, но также и соотношение числа однофазных, двухфазных и трехфазных замыканий.
Напряжения, подобные описанным выше, т. е. между тремя проводами и землей, получаются и при ударе молнии в землю вблизи линии. В этих случаях повышается потенциал трех проводов относительно опоры, но однофазные перекрытия опять-таки будут более частыми, чем двух- и трехфазные замыкания.
Упоминавшийся уже ранее рис. 73,б иллюстрирует замыкания, имевшие место в американских системах [Л. 28], работающих на напряжении 100  кВ и выше.
Некоторые исследователи анализировали результаты эксплуатации с точки зрения количества замыканий провод — земля. Данные достаточно однообразны, поскольку рассматривались линии только на металлических опорах—см. табл. 13 (см. также § 2 гл. 7).
Если такие данные основываются на осциллограммах, можно определить, какое количество замыканий, начавшихся как замыкание фазы на землю, развивается в многофазные замыкания. Джилксон, Жанне и Девенпорт нашли, что 10—18% всех замыканий на землю относятся к этому классу. В системе 140  кВ Консамерс Пауэр Компани соответствующая цифра—10%. В некоторых других случаях, однако, такой характер развития междуфазных замыканий не был отмечен.

Таблица 13

Относительная частота однофазных замыканий на землю в электрических системах

Из анализа механизма тросовых перекрытий можно заключать, что относительное число однофазных замыканий во время гроз должно быть меньше, чем в хорошую погоду. Это можно иллюстрировать несколькими примерами (табл. 14).
Линии на деревянных опорах с заземленными траверсами в отношении однофазных замыканий на землю ведут себя, как линии на металлических опорах. Если траверсы не заземлены или сделаны деревянными, изоляция относительно земли приближается или превосходит прочность межфазной изоляции и процент межфазных перекрытий возрастает. В табл. 15 приведены данные для шведских линий с незаземленными траверсами и без тросов.
Широким применением изоляционных свойств дерева при импульсах количество однофазных грозовых замыканий может быть в значительной степени снижено, но это не устраняет в такой же степени однофазных замыканий, происходящих по другим причинам.

Таблица 14
Относительная частота однофазных замыканий на землю при грозах и ясной погоде

Некоторые инженеры [Л. 21] предпочитают конструкции, в которых спуск присоединяется к тросу на некотором расстоянии от опоры.
Таблица 15

Это мероприятие предупреждает расщепление траверс, так как импульсное перекрытие происходит по воздуху между проводом и спуском.
Для таких устройств процент однофазных грозовых перекрытий должен быть ниже, чем для линий на металлических опорах (см. также § 11.3.6 гл. 6).
Только часть замыканий на землю является следствием грозовых разрядов, как будет показано в § 1.5. Табл. 16 иллюстрирует это положение.
Можно утверждать, что число замыканий зависит от местных условий и конструктивного устройства линии. Наибольшее значение имеют число грозовых дней в году и интенсивность гроз. Направление линии относительно направления движения фронта грозы должно также влиять на число замыканий.
Степень, в которой линия, расположенная в данной местности, будет чувствительна к грозовым разрядам, зависит от трех факторов: изоляции, заземления и защиты. Соответствующей комбинацией этих мер можно сделать высоковольтные линии передачи 220  кВ и выше практически абсолютно грозоупорными, однако замыкания могут происходить и от других причин. Защищенные линии на деревянных опорах, имеющие импульсную прочность изоляции 2 500— 3 000  кВ, применяются для напряжений 110 о и оказываются практически невосприимчивыми к грозовым поражениям (см. § 3.3 гл. 7).
Соотношение между напряжением системы и частотой грозовых отключений, которое было найдено в американских системах 100  кВ и выше, иллюстрирует рис. 73,в (75% линий защищены тросами).

Таблица 15
Количество грозовых замыканий, выраженное в процентах от всех замыканий

* Только замыкания на землю.

Таблица 17
Причина, место и продолжительность замыканий на землю и всех замыканий