Имеется несколько источников потерь энергии, которые следует учитывать при рассмотрении вопроса о смещении нейтрали. Все они представлены на рис. 131.
Рис. 131. Источники потерь в системе с резонансным заземлением.
Одним из таких источников являются токи утечки, проходящие по поверхности изоляторов, поддерживающих провода, что отражено на рис. 131 эквивалентной проводимостью 1. Эти токи составляют не более 5% тока через емкости. Измерения токов утечки на гирляндах изоляторов в условиях эксплуатации не дали пока хорошо согласующихся результатов [Л. 5 и 6]. Ориентировочно потери при увлажненной поверхности можно оценить в несколько ватт на гирлянду. Однако следует иметь в виду, что они сильно зависят от состояния поверхности, погоды и конструкции изоляторов. Дождь и снег приводят к значительному увеличению потерь, но, очищая поверхность, снижают потери при сухой погоде. Другой источник потерь находится в индуктивной ветви. Из-за потерь в сердечнике заземляющего реактора его ток содержит активную составляющую, которая может быть приписана параллельно включенному активному сопротивлению 2. В этом случае, когда имеется в виду дугогасящая катушка, очевидно, основная часть н. с. ее обмотки приходится на воздушный зазор в магнитной цепи. Поэтому составляющая тока, обусловленная этими потерями, хотя и значительна по сравнению с намагничивающим током, который имел бы место при отсутствии зазора, но тем не менее весьма мала по сравнению с полным током реактора и может быть оценена в 0,5% последнего.
Помимо двух рассмотренных выше параллельных сопротивлений, схема на рис. 131 содержит также последовательные активные сопротивления 3, 4 и 5. Сопротивление 3 символизирует потери, создаваемые в линиях электропередачи, трансформаторах, генераторах и в особенности на пути возврата через землю (о последнем см. § 7 гл. 2). Величина сопротивления пути возврата тока через землю составляет 0,001 Ом/км. Меньшую долю составляют потери в диэлектриках, к которым относятся потери на корону, рассматриваемые в § 12 гл. 6. Они указаны на схеме сопротивлением 4. Наконец, мы имеем сопротивление 5, включенное последовательно с катушкой, представляющее собой потери в меди и в сопротивлении заземления, а также некоторые дополнительные потери в силовых трансформаторах, к которым присоединены реакторы.
В системах, где отсутствуют потери на корону, активные составляющие тока замыкания на землю, обусловленные отдельными видами потерь, имеют величины следующего порядка:
Проводимость утечки (с увеличением напряжения уменьшаются).........1,5—5,0
Потери в стали дугогасящих катушек . . . 0,5—1,0
меди дугогасящих катушек ....1,5
PR в линиях электропередачи и на
пути возврата тока через землю .....до 0,5
Дополнительные потерн в заземляющих транс
форматорах ...........5,0
Потерн в сопротивлении заземления дугогасящей катушки ......... .1,0
В системах сверхвысокого напряжения с их превосходной изоляцией, а также в больших кабельных сетях сумма этих потерь обычно не превосходит 4%. В системах же со средним уровнем изоляции потери, интересующие нас с точки зрения замыканий на землю, могут доходить до 6—15%. Сказанное иллюстрируется в табл. 28 цифрами, полученными при эксплуатации различных систем. Значения токов в амперах на единицу длины линии приведены в работе Льюиса [Л. 7].
Таблица 28
В этом отношении интересны также результаты, полученные в одной системе 120 кВ. Ток замыкания на землю был около 60 а но активная составляющая не превышала 0,5%. В этой системе влияние потерь энергии на установление определенного уровня напряжения системы относительно земли было неудовлетворительным. Этот особый случай будет еще обсужден позже в § 4.1.5 гл. 6.
В системах сверхвысокого напряжения потери энергии в самих дугогасящих катушках становятся пренебрежимо малыми.
Очевидно, не имеет особого значения, какими сопротивлениями — последовательными или параллельными—вызваны потери энергии. Они могут быть с достаточной точностью представлены эквивалентным активным сопротивлением, включенным между нейтралью системы и землей. Но независимо от вида потерь энергии емкостный ток замыкания на землю и индуктивный компенсирующий ток находятся в противофазе, кроме их активных составляющих, которые совпадают по фазе (рис. 132).
Для того чтобы выяснить, по какому пути протекают активные составляющие токов и каким источником покрываются потери энергии при замыкании на землю, мы можем обратиться к схеме на рис. 23, из которой видно, что эти потери создают однофазную нагрузку для источников системы.
Рис. 132. Активная составляющая тока замыкания на землю, получающаяся при наложении на емкостный ток индуктивного тока заземляющего устройства.
Нейтрализуемая часть реактивного тока замыкания на землю создается дугогасящим устройством и распределяется в системе в соответствии с ее характером, т. е. как ток нулевой последовательности независимо от места расположения повреждения. В противоположность этому активная составляющая вместе с некоторым остаточным реактивным током проходит через место повреждения и ведет себя точно так же, как и ток замыкания в системе без компенсации, который был уже рассмотрен в § 4 гл. 2. Из схем прямой и обратной последовательностей на рис. 23 можно установить характер остаточного активного тока замыкания, а также его составляющих прямой и обратной последовательностей. Нет необходимости в точном вычислении остаточного тока и, тем более, потерь энергии, которые всегда могут быть достаточно точно установлены на основании данных, имеющихся в приведенных выше двух таблицах. Кроме того, составляющие прямой и обратной последовательностей, проходящие через место повреждения. прямо добавляются к нагрузкам, всегда имеющимся в системе, и поэтому не могут быть отделены от последних. При замыкании на землю наиболее важной является составляющая нулевой последовательности остаточного тока, распределение которой в системе в большой степени зависит от места повреждения. Отсюда следует, что при анализе систем, снабженных дугогасящими устройствами, схемы прямой и обратной последовательностей на рис. 23 являются второстепенными и ими можно пренебречь без какого-либо ущерба.
На рис. 133 представлена упрощенная схема замещения системы с дугогасящими устройствами, которой мы и будем пользоваться в дальнейшем.
Наличие активной составляющей в остаточном токе представляется важным с нескольких точек зрения:
а) Даже при самой совершенной настройке компенсирующих устройств ток в месте замыкания не устраняется полностью, активная составляющая этого тока остается.
б) Составляющая нулевой последовательности активного тока используется для определения поврежденного участка сети.
в) Сопротивления, являющиеся причиной появления активной составляющей тока замыкания на землю, влияют на смещение нейтрали системы. Они стабилизируют уровень напряжения относительно земли, если отсутствуют какие-либо другие достаточно эффективные факторы, влияющие на смещение системы.
Из трех упомянутых выше положений мы вначале рассмотрим только первое, в то время как к остальным мы еще вернемся соответственно в § 14 и 4 гл. 6.
Различные потери, интересующие нас при рассмотрении замыканий на землю, могут быть эквивалентно замещены сопротивлением, включенным между нейтралью и землей (рис. 134). Легко увидеть, что при любой точности настройки компенсирующих устройств остается активная составляющая тока
Iw=
При емкостном токе замыкания на землю Ie и индуктивном токе дугогасящих устройств Ix остаточный ток замыкания будет:
(94)
Это соотношение можно написать иначе, заменив
выражением для относительного отклонения от точной настройки [см. (78a)]:
(94а)
В соответствии с этим выражением зависимость остаточного тока замыкания в функции от δ дает U-образную кривую, являющуюся гиперболой (рис. 135,а). Минимум этой кривой является точкой идеальной настройки, разделяющей зоны недокомпенсации и перекомпенсации.
Для системы заданного размера, т. е. для заданного Ie, можно вместо δ откладывать по оси абсцисс ток Iх. Такого рода зависимостями и пользуются на практике. На рис. 135,б представлен пример такой кривой, полученной опытным путем.
Есть еще одна составляющая тока замыкания на землю, которая не компенсируется реактивными заземляющими устройствами, настроенными на основную частоту. Это составляющая, обусловленная высшими гармониками. Однако мы не будем здесь рассматривать ее, так как § 1 следующей главы будет специально посвящен этому вопросу.
Рис. 133. Схема замещения для анализа замыкания на землю.
а — в развернутом виде, б — в свернутой форме.
Рис. 134. Схема замещения, в которой потери представлены одним параллельным сопротивлением R.
Рис. 135. V-образные кривые для системы с резонансным заземлением (остаточный ток в функции от точности настройки).
а — теоретическая кривая; б — зависимость, полученная экспериментально.
