К недостаткам сети с изолированной нейтралью относится возможность возникновения в них больших свободных токов переходного режима и дуговых перемещающихся замыканий на землю.
Однофазные замыкания на землю в сети сопровождаются бросками емкостного тока, которые достигают большой кратности по отношению к установившемуся току металлического замыкания на землю. В зависимости от параметров сети и сопротивления в месте повреждения R эти броски тока могут быть периодическими разной частоты или апериодическими. Для оценки кратности этих бросков, независимо от конкретной схемы сети, был предложен метод расчета с использованием трех обобщенных параметров сети: а) угловой частоты незатухающих свободных колебаний ωсв или соответствующей частоты в герцах fсв (при сопротивлении в месте повреждения R=0); б) угловой частоты затухающих свободных колебаний Ω или частоты в герцах f (при учете R≠0);
в) произведения со
противления R на емкость трех фаз сети Зс [98, 103]. Указанные угловые частоты определяются из выражений
где Lф — эквивалентная индуктивность сети на фазу с учетом трех последовательностей в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.
В качестве R учитывается наименьшее сопротивление в месте повреждения, зависящее от заданных условий замыкания на землю, сопротивлений контуров защитного заземления и естественных заземлителей. Так, при определении наибольшего броска тока, от которого должна быть отстроена защита распределительной сети 6—10 кВ, принимают сопротивление контура заземления R≈4 Ом, пренебрегая другими сопротивлениями в цепи повреждения. В случае прикосновения человека к токоведущей части в качестве R обычно принимается сопротивление тела человека порядка 1000 Ом. В качестве с учитывается заданная емкость всей электрически связанной сети на одну фазу.
Расчет проводится на основании простой приближенней схемы замещения сети, представленной в виде контура 3RLфс (рис. 7). Очевидно, этот контур имеет одну собственную частоту колебаний, в частности в случае R = О
Рис. 7. Схема замещения сети с изолированной нейтралью для переходных процессов.
Возможность применения данной схемы замещения подтверждается опытом эксплуатации, согласно которому обычно в свободном токе замыкания на землю преобладает составляющая какой-либо одной частоты. В зависимости от действительной схемы сети, параметров включенного оборудования и места замыкания на землю эта частота, приведенная к условию R = 0, изменяется в широких пределах (2000-20000 Гц) [11] (соответствующая угловая частота 12500- 125000).
При замыкании через сопротивление R>0 действительная частота свободных колебаний уменьшается или процесс может быть апериодическим.
Практически затруднительно (и в этом нет необходимости) определять возможную свободную частоту в каждом конкретном случае замыкания на землю.
Следует учитывать возможность изменения условий замыкания на землю в одной и той же точке сети. Применяемые устройства релейной защиты и другое оборудование, на которое могут влиять броски свободного тока, устанавливаются в различных точках сети. Поэтому должны учитываться возможные броски при различных значениях частоты fсв во всем указанном диапазоне. При этом имеется в виду, что каждому значению fсв для заданной емкости с соответствует определенная эквивалентная индуктивность Lф=1/(2πfсв)2с.
На рис. 8 представлены рассчитанные по формулам (II.5)—(II.7) зависимости относительного броска тока от частоты свободных колебаний сети при различных значениях обобщенного параметра 3Rc. На кривых, соответствующих 3Rc · 106 > 20, отмечены кружками точки перехода от периодического процесса к апериодическому.
Рис. 10. Зависимость относительного броска свободного емкостного тока от частоты свободных затухающих колебаний в сети.
Расчеты показывают, что каждой частоте затухающих колебаний соответствуют два значения частоты незатухающих свободных колебаний (рис 9). Таким образом, при каждом значении частоты возможны два броска тока различной кратности при разном времени достижения их максимума. Большему броску тока соответствует меньшее время, и наоборот.
При экспериментальной проверке релейной и другой аппаратуры удобно пользоваться кривыми возможной кратности бросков тока. Такие кривые построены на рис. 10 при различных значениях параметра 3Rc. Как видно из рисунка, чем больше значение 3Rc, тем меньше бросок свободного тока и тем меньше диапазон частот затухающих колебаний, при которых возможны эти броски. При f=0 или мнимой величине, т. е. при ξ> 0, наступает апериодический процесс. Например, при 3Rc.106 — 15 возможны затухающие колебания с частотой 0—9 кГц, а также апериодический процесс, причем кратность бросков достигает 156.
На рис. 11 представлены кривые времени t в зависимости от f при ряде значений 3Rc.
Рис. 11. Зависимость времени достижения максимума броска свободной составляющей тока от частоты затухающих свободных колебаний в сети.
Рис. 12. Зависимость времени затухания периодического процесса в сети от частоты свободных затухающих колебаний.
Время полного затухания переходного процесса при его периодическом характере tзат≈3,5—δ. Чем выше частота f, тем быстрее затухает переходный процесс.
При апериодическом характере процесса и заданном параметре 3Rc время затухания определяется подбором параметра fсв так, чтобы удовлетворялось условие ≈ 0,03. Кривые времени tзат в зависимости от частоты f при нескольких значениях 3Rc приведены на рис. 12. При 3Rс = const время затухания апериодического процесса меньше, чем периодического.
