Режимы нейтрали электрических сетей - Влияние режимов нейтрали на технико-экономические показатели электрической сети

ГЛАВА XII
ЦЕЛЕСООБРАЗНЫЕ РЕЖИМЫ НЕЙТРАЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Влияние режимов нейтрали на технико-экономические показатели электрической сети
Режимы нейтрали и способы их исполнения, рассмотренные в предыдущих главах, а также некоторые данные, известные из литературы и опыта эксплуатации, позволяют прийти к итоговым суждениям о влиянии различных режимов нейтрали на ряд важных показателей электрических сетей.
Применяемые в электрических сетях изоляционные материалы и конструкции рассчитываются на напряжение между фазами, а также на напряжение относительно земли, возникающее при однофазном замыкании на землю. Поскольку наибольшее напряжение относительно земли возможно в сетях с полностью изолированной нейтралью, а наименьшее — при глухом заземлении нейтрали, то, очевидно, и стоимость изоляции соответственно достигает наибольшего и наименьшего значений при указанных двух режимах нейтрали. В сетях напряжением до 35 кВ включительно стоимость изоляции сравнительно невелика, и поэтому ее отклонения в зависимости от режима нейтрали обычно не учитываются при выборе этого режима. В сетях напряжением 110 кВ и более высоких напряжений стоимость изоляции линий и оборудования достигает больших значений, поэтому она оказывает решающее влияние на выбор режима нейтрали. Немалое значение имеет также стоимость заземляющих устройств.
Согласно ПУЭ в сетях с изолированной нейтралью сопротивление заземляющих устройств не должно превышать 10 Ом (в некоторых случаях — 4 Ом) Оно рассчитывается по формуле R3= Uрасч/Iрасч, где Uрасч— расчетное напряжение, Iрасч = 125:250 В; Iрасч — расчетный ток замыкания на землю.
Очевидно, такие же требования должны предъявляться к заземляющим устройствам при заземлении нейтрали через высокоомное сопротивление.
В сетях напряжением выше 1000 В с эффективным заземлением нейтрали сопротивление R3 должно быть не более 0,5 Ом. Заземлители и заземляющие проводники рассчитываются на установившийся ток однофазного к. з. Кроме того, предусматривается выравнивание потенциалов относительно земли в пределах территории, на которой находится электроустановка и на ее границах. Последнее приводит к дополнительному усложнению заземляющих контуров, в особенности при отсутствии возможности использования естественных заземлений.
В сетях напряжением до 1000 В с глухим заземлением нейтрали обычно допускается сопротивление основных заземляющих устройств на питающих подстанциях до 4 Ом. Кроме заземления нейтралей питающих трансформаторов, в воздушных сетях требуется выполнение повторных заземлений нулевого провода через заземлители, сопротивление которых не должно превышать 10 Ом (в некоторых случаях 30 Ом). Из этих данных видно, что стоимость заземляющих устройств должна быть значительно большей при эффективном заземлении, чем при других режимах нейтрали.
Перейдем к вопросу о влиянии режимов нейтрали на возможность развития повреждений и на износ оборудования при однофазных замыканиях на землю.
В электрических сетях иногда наблюдается развитие однофазных повреждений следующего характера: а) в результате повышения напряжений на неповрежденных фазах перегреваются обмотки и повреждается изоляция различных элементов оборудования, в особенности трансформаторов напряжения с заземленной первичной обмоткой и высоковольтных двигателей; б) неповрежденные фазы пробиваются на землю в различных точках сети, в результате чего однофазное замыкание на землю переходит в двойное или многоместное; в) обрывы дуги при неустойчивых замыканиях на землю сопровождаются своеобразными процессами, именуемыми феррорезонансными, при которых имеет место повреждение трансформаторов напряжения контроля изоляции сети (ФННП) или перегорание их предохранителей; г) в точке замыкания на землю, произошедшего, например, в трехфазном кабеле, вследствие перегрева изоляции неповрежденных фаз они также замыкаются на землю или между собою, т. е. однофазное замыкание переходит в двух- или трехфазное к. з. на землю; д) в воздушных или кабельно-воздушных сетях с железобетонными опорами при перекрытии или пробое изолятора и длительном прохождении по опоре тока замыкания на землю происходит повреждение опоры.
Развитие повреждений, указанное выше в пунктах а), б), наиболее вероятно в некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью, так как при неустойчивом, перемежающемся горении заземляющей дуги (а в большинстве случаев в этих сетях дуга имеет именно перемежающийся характер) в них происходит перезарядка емкостей фаз, в результате чего максимальные напряжения неповрежденных фаз повышаются до трех- и четырехкратных по сравнению с нормальными.
Указанное развитие однофазных повреждений наблюдается в некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью независимо от возможности возникновения в них феррорезонансных процессов, упомянутых в пункте в). Опасные феррорезонансные процессы, усугубляющие последствия однофазного замыкания на землю, могут возникать в таких сетях при неблагоприятных соотношениях параметров электромагнитных ФННП и емкостей фаз на землю.
В компенсированных сетях замыкания на землю могут иметь неустойчивый прерывистый, но не перемежающийся характер, т. е. они не сопровождаются перезарядкой емкостей фаз и перенапряжениями, связанными с такой перезарядкой. Феррорезонансные процессы, возникающие после замыканий на землю, в компенсированных сетях также не наблюдаются. В результате развитие повреждений, отмеченное в пунктах а)—в), в компенсированных сетях при надлежащем состоянии их изоляции практически невозможно.
В случае заземления нейтрали сети через активное сопротивление, по абсолютному значению равное 100—200% емкостного сопротивления на землю трех фаз, обеспечивается достаточно быстрое стекание в землю зарядов емкостей. Поэтому перенапряжения, феррорезонансные процессы и развитие повреждений, возможные при перемежающемся характере замыканий на землю, также предотвращаются. В этом отношении сеть, заземленная через активное сопротивление (в частности, при весьма небольшом токе Iсм и действии защиты на отключение через трансформатор напряжения НТМИ с короткозамкнутой нулевой обмоткой), практически не отличается от компенсированной сети.
Переход однофазного замыкания на землю в к. з. между фазами, а также повреждения железобетонных опор (см. пункты г), д)) с достаточной вероятностью возможны
только при прохождении тока, превышающего некоторые определенные действующие значения. Для удобства рассмотрения воспользуемся соответствующими расчетными значениями полного тока устойчивого металлического замыкания на землю в сети.
На основании литературных и эксплуатационных данных можно считать, что такое допустимое значение тока Iз.м в некомпенсированной сети, как при устойчивом, так и прерывистом (но не перемежающемся) длительном замыкании на землю, равно 7—10 А, а при кратковременном (доли секунды) замыкании — от 15 до 20 А. Если в сети не устранена возможность перемежающихся дуг (нейтраль полностью изолирована), указанные допустимые значения токов Iз.м при длительном и кратковременном замыкании уменьшаются приблизительно в 2 раза.
В компенсированной сети при точной настройке индуктивности ДГР и незначительных токах высших гармоник и активной составляющей развитие повреждения в точке однофазного замыкания на землю практически предотвращается. Расстройка компенсации приблизительно до ±5% не влияет на эффективность гашения заземляющих дуг. При этих условиях можно считать, что допустимые в компенсированной сети значения полных остаточных гоков металлического замыкания на землю в 1,5 раза превышают приведенные выше значения Iз.м для некомпенсированной сети без учета перемежающихся дуг.
Следует заметить, что указанные выше допустимые значения токов носят приближенный характер и могут быть уточнены. Подчеркнем еще, что при устраненной возможности перемежающихся однофазных замыканий на землю и феррорезонансных процессов, при токе в месте повреждения, не превышающем предельно допустимого кратковременного значения, развитие повреждений всех перечисленных видов практически предотвращается, если в сети имеются устройства селективной защиты, действующие на отключение без выдержки времени, или устройства автоматического замыкания на землю (шунтирования) поврежденной фазы — АЗФ.
Наибольшую опасность с точки зрения возможности развития однофазных повреждений в междуфазные к. з. в этой же точке представляет эффективное заземление нейтрали.
Дополнительный износ оборудования, главным образом выключателей и кабелей, вызываемый однофазными замыканиями на землю, так же как возможность развития повреждения в точке замыкания, зависит от расчетного полного действующего тока при металлическом устойчивом повреждении, следовательно,— от режима нейтрали сети. Нам неизвестны статистические или экспериментальные данные о влиянии режима нейтрали на износ оборудования, однако есть основания полагать, что это влияние является весьма существенным.
В компенсированных и некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью, если не учитывать возможность развития повреждений, а также износ устройств АЗФ, широкое применение которых можно ожидать в будущем, дополнительный износ оборудования вследствие замыканий на землю сводится к минимуму. При эффективном и особенно при глухом заземлении нейтрали следует считаться с износом выключателей и кабелей, сопровождающим каждое замыкание на землю.