4. ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ЧЕРЕЗ ПЕРЕМЕЖАЮЩУЮСЯ ДУГУ (ДУГОВЫЕ ЗАМЫКАНИЯ)
Опасность дуговых замыканий была причиной, по которой инженеры эксплуатации отказались от высоковольтных систем с разземленной нейтралью и вернулись к разнообразным методам заземления. Разрешение проблемы заземления нейтрали требует пересмотра теории замыканий на землю через дугу и подтверждения с помощью этой теории того обстоятельства, что опасность перенапряжений дуговых замыканий на землю может быть с успехом устранена при помощи использующихся в настоящее время методов заземления нейтрали.
Первое объяснение перенапряжений, связанных с замыканиями на землю через дугу, было дано Петерсеном [Л. 55]. Ему принадлежит фундаментальная разработка этой сложной проблемы. Развитие теории систем с заземленными нейтралями было предложено Клеммом [Л. 51]. Дальнейший шаг в этой теории был сделан Петерсом и Слепяном [Л. 56], по мнению которых перенапряжения этого вида не достигают опасной величины. Все имеющиеся теории исходят из того, что повторное зажигание дуги имеет место, когда напряжение на поврежденной фазе имеет наибольшее значение относительно земли, но эти теории отличаются в своих предположениях относительно момента погасания дуги. Мы будем различать «колебательное погасание дуги», имеющее место при первом прохождении через нуль тока среднечастотного переходного процесса (рис. 90,б), и «погасание дуги нормальной частоты», имеющее место при прохождении через нулевое значение основного тока замыкания (точка L на рис. 89). Возникновение последовательных зажиганий и погасаний дуги учитывается в обеих теориях; теория с колебательным погасанием дуги предсказывает более высокие остаточные заряды и более высокие результирующие перенапряжения. Действительный механизм дуговых замыканий на землю будет, конечно, зависеть от характера замыкания, длины дуги, процессов деионизации в воздухе, величины тока замыкания и скорости, с которой стекают удержанные заряды.
Экспериментальные исследования дуговых замыканий на землю в системах с изолированной нейтралью
В соответствии с опытами некоторых эксплуатационных инженеров замыкание на землю через дугу является достаточно ясным процессом для систем с изолированной нейтралью, в то время как другие [Л. 50, 60 и 61] считают, что современные методы исследования с автоматическими осциллографами и клидонографы не вносят полной ясности в картину развития перенапряжений дуговых замыканий на землю. Попытка решить вопрос экспериментально делалась Петерсом и Слепяном.
Лабораторные опыты с конденсаторами умеренной емкости, которые обеспечивали ток замыкания 0,5 а при 13,2 кВ, не могли создать условий, эквивалентных высоковольтной протяженной системе с емкостным током замыкания на землю более 5 а, при котором согласно мнению Петерсена переходные явления могут становиться серьезными. Испытания были произведены на дуговом промежутке, образованном ножом и контактом разъединителя, который иногда находился под действием воздушного дутья. Результаты истолковывались в соответствии с теорией, изложенной в § 4.4, которая основывается на предположении "дугогашения нормальной частоты".
Другое ценное сообщение, сделанное Бергером [Л. 62], было основано на данных около 1 000 опытов, проведенных в системе 8,6 кВ компании энергоснабжения кантона Цюриха, в которой величина емкостных токов однополюсного замыкания на землю колебалась в пределах 1,1—4,5 а. Система была заземлена через три трансформатора напряжения. С помощью электронного осциллографа Бергер получил большое число осциллограмм, зафиксировавших момент установления замыкания на землю. С помощью шлейфового осциллографа зафиксированы замыкания на землю через перемежающуюся дугу. Одна из таких осциллограмм воспроизведена на рис. 101. В этом случае замыкание на землю произошло на дальнем конце звездообразной системы передачи; ток замыкания на землю составлял 1,1 а. В течение всей серии опытов напряжение на поврежденной фазе не превышало 1,8 Еф. Дуга растягивалась за счет размыкания разъединителя; воздушное дутье не применялось. Наивысшие перенапряжения на здоровых фазах составили 3,5 Eф, т. е. выше, чем предполагаемые на основании теории дугогашения нормальной частоты, и эта величина колебалась с изменением расположения места замыкания на землю.
Размер системы не влиял на результаты, но это относится к токам замыкания на землю ниже 4,5 а. Хотя обобщения более тяжелых условий (ток замыкания на землю, превышающий 6 а при 11 кВ) неизвестны, некоторые выводы можно сделать из осциллограммы Бергера. Ряд осциллограмм, включая осциллограммы, представленные на рис. 101, показывает кривые напряжения синусоидальной формы по одну сторону оси абсцисс и зубчатой формы — по другую сторону оси абсцисс; все перенапряжения имеют однообразный вид на протяжении значительных отрезков времени.
Рис. 101. Осциллограммы дуговых замыканий на землю. Осциллограммы получены Бергером на поврежденной фазе (вверху) и на здоровых фазах (средняя и нижняя осциллограммы).
Это представляет большой интерес в сравнении с кривыми напряжения, установленными на рис. 100,а, который иллюстрирует теорию Петерса и Слепима.
Рас. 102. Осциллограммы дуговых замыканий на землю. Другая осциллограмма, снятая Бергером
Многие осциллограммы показывают, что повторные зажигания дуги происходят каждую половину периода; напряжение системы и переходные напряжения тогда располагаются симметрично по обе стороны оси абсцисс, как и следовало ожидать в случае повторных зажиганий на растущей части кривой и гашения дуги при первом же прохождении тока через нуль (измененное дугогашение нормальной частоты, см. предыдущий параграф); такая форма в равной степени хорошо согласуется и с теорией Петерсена. Пример этого типа воспроизводится на рис. 102. Некоторые осциллограммы имеют более сложный вид, например показывающие два повторных зажигания дуги в течение положительного полупериода и только одно — в течение отрицательного полупериода. Колебания напряжения могут иногда обнаруживаться в -напряжении поврежденной фазы (см., например, осциллограмму на рис. 101) в противоположность тому, что можно ожидать по рис. 100,а. Но это может объясняться влиянием индуктивности системы между местом замыкания и точкой, где снималась осциллограмма. Опыты Бергера показывают существование обоих описанных выше механизмов — колебательного дугогашения (рис. 99) и дугогашения нормальной частоты (рис. 100,а).
Итоном, Пиком и Данхемом [Л. 39] были проведены полевые испытания в системе 70 кВ, 30 гц с изолированной нейтралью при длине линии 2,41—216 км. Перекрытия возбуждались импульсным генератором. Высокочастотные колебания на осциллограммах авторы объясняли последовательными отражениями волн. Зажигание и гашение дуги происходили в соответствии с основной частотой. Так как напряжение повторного зажигания дуги было ниже нормального фазного напряжения, кумулятивного эффекта не наблюдалось и зафиксированные максимальные напряжения между неповрежденными фазами и землей были выше нормального в 2,6 раза. Что касается переходных процессов средней частоты, следующих за повторными зажиганиями и гашениями дуги, то опыты не представили достаточных оснований для какой- либо из этих теорий. В других отношениях здесь имеется хорошее соответствие с механизмом процесса, предлагаемым Петерсом и Слепяном, но повторные зажигания дуги имели место на нарастающей части кривой восстанавливающегося напряжения и гашения дуги при ближайшем нулевом значении тока основной частоты. Как отмечалось ранее, это ведет к зажиганиям и гашениям дуги каждые полпериода (рис. 103, верхняя осциллограмма). Увеличение длины линии давало в результате постепенный, но неуклонный рост величины перенапряжений. Другие результаты опытов касаются развития импульсных перекрытий в силовые дуги. Было найдено, что протекание по линии емкостного тока или тока нагрузки увеличивает вероятность появления силовой дуги. Это объясняется тем, что в этом случае линия может питать дугу током немедленно после перекрытия, минуя индуктивное сопротивление источника.
Описанные выше испытания были дополнены Пиком [Л. 63] и позднее Джилксоном и Жанне [Л. 60]. Они произвели оценку записей автоматического осциллографа, установленного в системе 140 кВ, 60 гц, Консамерз Пауэр Компани. Одна часть системы протяженностью 925—1 290 км работала с изолированной нейтралью, в то время как другая часть протяженностью 365—442 км была оборудована катушками Петерсена. Часть с изолированной нейтралью представляет собой редкий случай. Емкостный ток замыкания был таким большим, что составляющие нулевой последовательности напряжения у места повреждения и в более удаленных частях системы значительно отличались друг от друга. По причинам, подобным тем, которые рассмотрены в § 10.10.1 гл. 2, нейтраль была смещена на величину, значительно большую, чем фазное напряжение; фактическое положение треугольника напряжения относительно земли было очень похожим на то, которое показано на рис. 50,б с точкой Е, представляющей потенциал земли. Максимальное записанное перенапряжение было в три раза выше нормального фазного напряжения относительно земли; только 1,3% осциллограмм показали величины, большие 3-кратного фазного напряжения. Не было найдено данных, подтверждающих внезапные скачки напряжения и искажения напряжений относительно земли. Однако следует иметь в виду, что полученные данные не являются типичными, так как они соответствуют редко встречающимся системам с емкостным током замыкания на землю порядка многих сотен ампер. Здесь следует отметить, что отсутствие больших перенапряжений при дуговых замыканиях на землю еще не означает удовлетворительной работы систем с незаземленными нейтралями и их предотвращение не является определяющим фактором в основных решениях по методам заземления.
Пересмотр различных теорий перемежающихся гашений и зажиганий дуги был предпринят Конкордия и Петерсоном [Л. 64]. Они использовали модели сети, оборудованные устройствами для обеспечения регулярно повторяющихся коммутационных операций. Некоторые результаты этих опытов, относящиеся к системам, заземленным через реактивные и активные сопротивления, будут рассмотрены в § 4.7 настоящей главы.
Было найдено, что моменты повторных зажиганий дуги оказывают большое влияние на величину перенапряжений. Одна серия опытов была проведена при постоянной скорости восстановления диэлектрической прочности дугового промежутка, и последняя была отрегулирована таким образом, чтобы поддерживать повторные зажигания дуги между одной из фаз и землей каждые полпериода. Перенапряжения увеличивались при понижении основной частоты системы и достигали 3,5 при обеих полярностях. Во второй серии опытов условия были изменены: напряжение повторного зажигания принималось неравным для каждой из двух полярностей. Так же как и в предыдущем случае, максимальные напряжения на здоровых фазах увеличивались с уменьшением основной частоты системы, достигая 5-кратного фазного напряжения. Было показано, что сопротивление в цепи замыкания на землю значительно снижает перенапряжения, даже если оно составляет лишь часть, например 10%, емкостного сопротивления фазы относительно земли. Третья серия опытов была выполнена с резко повышающейся электрической прочностью дугового промежутка, благодаря чему имело место увеличение восстанавливающегося напряжения при последовательных зажиганиях и гашениях дуги. Момент повторного зажигания фиксировался в пределах полу- периода. Это, очевидно, является близким приближением к механизму дуговых замыканий на землю, описанному Петерсеном. Действительно, полученные таким путем максимальные напряжения на здоровых фазах без учета взаимной емкости были в 7,5 раза выше нормальных фазных напряжений. Теоретическое отношение напряжения нейтрали к напряжению здоровой фазы, равное 1:1,5, соответствовало данным, полученным на схеме с сосредоточенными емкостями; в схеме с распределенными емкостями это отношение получается несколько иным. При сосредоточенных емкостях перенапряжения увеличиваются с увеличением полной емкости системы относительно земли (или, точнее говоря, с уменьшением собственной частоты), в то время как гори распределенных емкостях это явление не имело места в такой степени. Для всех исследованных механизмов повторных зажиганий дуги были получены экспериментальные подтверждения того, что перенапряжения, вызываемые замыканиями на землю через дугу, уменьшались за счет наличия взаимной емкости С12, что соответствует теоретическим предпосылкам, например формуле (72).
