В некомпенсированных сетях с изолированной нейтралью существует большая вероятность возникновения перемежающейся заземляющей дуги [111. По некоторым данным, около 60 % всех замыканий на землю в этих электрических сетях носит именно такой характер.
Под перемежающимися замыканиями будем понимать многократные погасания и последующие зажигания заземляющей дуги, причем каждое ее погасание сопровождается перезарядкой емкостей фаз и значительными перенапряжениями. Не останавливаясь подробно на таких процессах замыкания на землю, отличающихся значительной сложностью, ограничимся кратким их описанием.
Во многих случаях при некотором расстоянии между проводом фазы и землей (или заземленным токопроводящим предметом, на который произошло замыкание) заземляющая дуга горит неустойчиво, периодически погасая и вновь зажигаясь. Иногда по мере разогревания места повреждения неустойчивое горение дуги переходит в устойчивое.
Согласно классической теории Петерсена [107, 111, 112, 132], в основу рассмотрения процесса дугового перемежающегося замыкания на землю положено предположение о погасании дуги при прохождении через нуль тока высокочастотных колебаний и новом ее зажигании при максимуме напряжения на поврежденной фазе. При этом цикл погасания и зажигания дуги повторяется каждый полупериод рабочей частоты сети ω, а максимальные напряжения на фазах постоянно возрастают, достигая через несколько периодов своих наибольших значений (теоретически 7,5 U, а с учетом влияния коэффициента успокоения 0,2 и междуфазных емкостей около 4,27U).
По теории Петерса и Слепяна [131] дуга гаснет в момент прохождения через нуль составляющей тока рабочей частоты и снова зажигается через полпериода этой частоты, т. е. погасание и зажигание происходят один раз за период. При этом наибольшие перенапряжения (для реальной сети около 3Uфт) достигаются на втором периоде рабочей частоты.
Указанные две основные теории не должны противопоставляться одна за другой. В сущности, в них отражены частные случаи протекания процессов перемежающегося дугового замыкания на землю из всего многообразия возможных в действительности вариантов.
По теоретическим и экспериментальным данным, приведенным в работе [4], наиболее вероятно такое протекание процесса, при котором погасание дуги на продолжительное время возможно только тогда, когда первый максимум восстанавливающегося напряжения не превосходит некоторой критической величины, зависящей от диэлектрической прочности искрового промежутка.
Независимо от причины возникновения перемежающегося замыкания на землю оно вызывает повышение напряжений в сети, обусловленное процессом перезарядки емкостей фаз относительно земли.
В момент обрыва дуги вследствие деионизации дугового промежутка сохраняется существовавшее перед тем напряжение нейтрали, и вся система оказывается статически заряженной относительно земли. При этом выравнивание заряда между фазами происходит путем быстрозатухающих колебаний высокой частоты.
За время перерыва горения дуги изменяющиеся рабочие напряжения фаз накладываются на указанное выше остаточное напряжение. При увеличении напряжения на поврежденной фазе до величины, достаточной для нового пробоя, дуга восстанавливается. В этот момент напряжение на поврежденной фазе резко падает почти до нуля, а напряжения неповрежденных фаз соответственно возрастают, что сопровождается свободными колебаниями токов и напряжений этих фаз. Частота этих колебаний (порядка нескольких килогерц) зависит от параметров электрической сети. Далее дуга может снова оборваться и т. д.
Процесс перемежающегося замыкания на землю зависит от значения тока дуги, соотношения между его составляющими основной и высокой частоты, от интенсивности деионизации дугового промежутка и других условий. В зависимости от всех этих условий дуга погасает и снова зажигается в те или иные моменты времени.
На интенсивность деионизации влияют условия растягивания дуги: взаимное расположение электродов и расстояние между ними, возникновение замыкания в масле или в воздухе, скорость ветра и т. п. В случае наиболее интенсивной деионизации дуга после первого погасания больше не восстанавливается, в других же случаях погасания сопровождаются повторными зажиганиями.
В зависимости от скорости деионизации обрыв дуги происходит в момент первого или одного из последующих прохождений через нуль суммарного тока замыкания на землю, а при нарушении условия устойчивости горения дуги — немного раньше. Если в токе дуги преобладает составляющая свободных высокочастотных колебаний, то погасание может произойти через несколько периодов высокой частоты. В случае же достаточно быстрого затухания колебаний и менее интенсивной деионизации дуга может погаснуть в момент прохождения через нуль тока рабочей частоты.
Обычно характер процесса перемежающейся дуги непостоянен: разные его формы сменяют одна другую с различной случайной последовательностью. Следует отметить, что перемежающиеся дуги практически могут быть в сетях с изолированной нейтралью при любых токах замыкания на землю. Волновые процессы на линии и проводимости утечки фаз снижают возникающие при этом перенапряжения.
Кратность перенапряжений в большинстве случаев не превышает 3Uфт, но в отдельных случаях может достигать (3,5—4,0) Uфт.
В работах [20, 48, 52 и др.] рассмотрены факторы, снижающие перенапряжения, и приведены результаты статистической обработки многочисленных осциллографических измерений в действующих сетях, а также на лабораторных установках. Согласно этим данным, максимальная кратность перенапряжений на неповрежденных фазах более 2,7 по отношению к амплитудному фазному возможна лишь с весьма небольшой вероятностью (2,5—5%). Еще при меньшей вероятности в некоторых сетях были зарегистрированы кратности перенапряжений до 4,5 [86, 87]. Обычно кратность напряжения на поврежденной фазе не превышает l,73Uфт, а на нейтрали — 1,5Uфт.
Возникающие в сети перенапряжения можно существенно ограничить применением специальных разрядников [86—88].
Каждое зажигание дуги сопровождается броском свободного емкостного тока (обычно высокой частоты), подобным описанному выше. Однако вследствие накопления зарядов на поврежденной фазе кратность каждого последующего броска может превышать первоначальный.
Кроме описанных процессов в сети с изолированной нейтралью иногда возникают феррорезонансные процессы, требующие отдельного рассмотрения.
