Часть первая
ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ И СПОСОБЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ
Глава первая
ЗАРЯДНЫЕ ТОКИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ
ЕМКОСТНЫЙ ЭФФЕКТ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ
Рассмотрим высоковольтную систему, присоединенную и готовую для эксплуатации. Даже при отсутствии потребителей система потребляет энергию, так как провода и окружающий их диэлектрик не являются идеальными. Провода приобретают попеременно положительный и отрицательный заряды, напряжение приложено как между проводами, так и между проводами и землей. Хотя в дальнейшем будет показано, что действительная зависимость между зарядом и потенциалом для системы, имеющей более двух проводов, выражается сложнее, в первом приближении эту зависимость будем считать линейной:
Q=CU. (1)
Множитель С характеризует способность проводов запасать электрический заряд; его называют емкостью и измеряют в фарадах или сантиметрах. Единицы, используемые для технических целей, устанавливаются следующие:
1 фарада (Ф) = 106 микрофарад (мкф) = = 9x10+11 сантиметров (см).
Для сравнения полезно иметь представление о порядке величин емкостей между различными объектами. Земля может рассматриваться как сферический конденсатор с радиальными силовыми линиями, оканчивающимися на противоположном заряде в бесконечности; если радиус земли равен 6 300 км = 6,3·108 см, ее емкость будет равна 700 мкф. В электролитическом конденсаторе 100 в постоянного тока такая же емкость может быть сконцентрирована в объеме около 60 см3. Конденсатор Франклина в виде лейденской банки диэлектриком имел стекло толщиной 3 см, его емкость составляла 0,014 мкф. Грозовое облако в 10 км2 на высоте 1 000 м образует с землей конденсатор 0,1 мкф. Емкость по отношению к земле трехфазной линии передачи длиной 160 км и высотой 10 м равна 24 мкф.
Уравнение (1) показывает, что при напряжении между фазами 11 кВ между тремя проводами и землей создается связанный заряд.
11 000x2,4x10-6= 0,0266 к.
Чтобы заменить этот заряд равным ему по величине, но противоположным по знаку за время 1/100 сек, необходима средняя величина тока
Чем выше напряжение и больше мощность системы, тем большее значение имеет этот эффект в линиях передачи. В современных сверхвысоковольтных системах передачи протяжением в сотни километров требуются реактивные токи в несколько сотен ампер для образования электрического поля между проводами и между каждым проводом и землей. Эти свойства электрических высоковольтных сетей еще больше усиливаются в кабельных системах. Кабель типа Н напряжением 33 кВ, каждая жила которого имеет свою металлическую оболочку, представляет собой конденсатор 0,25 мкф на километр и фазу. Такое увеличение емкости вызвано сближением заряжаемых поверхностей и большей величиной диэлектрической проницаемости изолирующей среды. Реактивная составляющая во много сотен или даже тысяч киловольт-ампер становится связанной с полезной передаваемой мощностью системы. В большой немецкой 220- кВ системе Рейнской области при замыкании на землю емкостная составляющая мощности равна 200000 кВА. Потоки мощности такого порядка даже намного меньших значений должны быть контролируемы, чтобы не возникало серьезных затруднений, когда система выходит из своего нормального состояния.
Основной причиной возникновения емкостного небаланса в высоковольтных системах являются замыкания на землю.
ПОВЫШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ С ПОЛНОСТЬЮ ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
При соединении одного из трех проводов одной из трех фаз с землей не происходит изменения линейных напряжений, если источник питания достаточно мощный. Рассмотрение рис. 13 показывает, что две другие фазы в этих условиях работают при полном линейном напряжении относительно земли.
Рис. 13. Напряжения системы с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю.
Рис. 14. Наложение смещения напряжений нормального режима при замыкании на землю.
Это обстоятельство часто рассматривается как недостаток систем, работающих с незаземленной нейтралью. В данный момент мы воздержимся поднимать этот спорный вопрос, который будет освещен в § 10 данной части. Имеются случаи, когда продолжительная работа с замыканием на землю одной фазы является явно недопустимой, а именно в системах с трансформаторами с большим коэффициентом трансформации. Чтобы пояснить, почему это так, обратимся к выражению (27). Для данного многоугольника напряжений все фазы ведут себя так, как если бы их напряжения к земле были составлены из соответствующих напряжений относительно нейтрали и общего добавочного напряжения, которое можно непосредственно замерить в нейтрали. Пример трехфазной системы, работающей с замыканием на землю, является особенно наглядным.
На рис. 14 симметричная звезда напряжений фаз относительно нейтрали показана сплошными линиями. Во время нормальной работы нейтраль имеет потенциал земли. Если в фазе V произошло короткое замыкание на землю, треугольник напряжений смещается, земля Е остается на месте как точка отсчета. Треугольник перемещается в положение, показанное пунктиром, так, что V занимает положение V' и совпадает с Е. Пунктирные линии UU', VV' и IW" показывают направление и величину смешения, равного ЕО' смещению нейтрали. Первоначальные фазные напряжения EU, EV и EW изменились в соответствии со следующими соотношениями:
Рис. 15 отражает это же соотношение в форме кривых напряжения во времени.
Рис. 15. Замыкание на землю в фазе V. а — напряжения в нормальном режиме; б — смещение нейтрали (— Еф) вследствие замыкания на землю; 1— напряжение фазы относительно земли; 2 — напряжение нейтрали относительно земли; в — результат наложении Еф на напряжения (рис. 15,а).
Теперь установлено, что замыкание на землю вызывает смещение напряжения нейтрали электрических машин или трансформаторов на величину, равную напряжению повреждённой фазы относительно нейтрали, но с противоположным знаком. Чтобы эксплуатировать систему с незаземленной нейтралью, последняя должна быть изолирована относительно земли на величину напряжения порядка фазного. Однако кратковременные повышения напряжения, вызванные грозовыми разрядами, значительно выше (см. § 11. 3. 2 гл 6), таким образом, исключая возможность применения в системах с изолированной нейтралью машин и трансформаторов без полной изоляции или специальной защиты нейтрали.
Рис. 16 иллюстрирует связь двух систем различных напряжений с помощью автотрансформатора. Треугольник высокого напряжения заключает в себе треугольник низкого напряжения, и их относительное расположение фиксировано последовательными обмотками автотрансформатора. Нейтральная точка у них общая. Каждая система принимает участие в смещении нейтрали другой системы. В случае короткого замыкания в системе высокого напряжения, например в фазе V, напряжения, возникающие между фазами и, ν и w системы низкого напряжения и землей, могут быть получены из векторной диаграммы, на которой они представлены векторами uV, vV, wV. Для коэффициента трансформации 1:2 напряжения фаз и и относительно земли превышают линейное напряжение uw, а следовательно, и номинальное напряжение оборудования на 53% (нормы VDE содержат рекомендацию ограничить коэффициент трансформации величиной 1,25 и, таким образом, не подвергать изоляцию действию напряжения более 1,12 линейного. Американская книга по трансформаторной технике [Л. 1] ограничивает разность двух напряжений автотрансформатора в системах с изолированной нейтралью величиной 1,33: 1 выше 30 кВ—даже 1,1:1). Следовательно, ступенчатая изоляция и связь систем автотрансформаторами ограничивают свободу выбора способа заземления.
Замыкания на землю очень часто не являются глухими. Треснувший штыревой изолятор, смонтированный на деревянной опоре без заземления штыря, приводит к короткому замыканию через сопротивление опоры. Соприкосновение ветвей деревьев с проводами или падения деревьев вызывают замыкание на землю через большее или меньшее сопротивление. В предыдущем параграфе была установлена схема для этого типа повреждения. Порядок определения смещения нейтрали, разработанный на рис. 12, повторен и обобщен на рис. 17. Электродвижущая сила схемы замещения, т. е. напряжение поврежденной фазы относительно нейтрали, распадается на две составляющие, расположенные под прямым углом друг относительно друга. Следовательно, местоположение точки Ё, изображающей потенциал земли, представляет собой окружность, построенную на векторе напряжения поврежденной фазы относительно нейтрали как на диаметре. Рис. 17 дает наибольшее возможное напряжение относительно земли, если взять самое большое расстояние от V до точки на окружности. Проведя прямую через V и центр окружности, получим 1,82 фазного напряжения.
Потери в переходном сопротивлении замыкания могут быть определены из треугольника WE0.
Рис. 16. Две системы, соединенные через автотрансформатор. Напряжения относительно земли при замыкании на землю в одной системе.
Рис. 17. Смещение нейтрали ОЕ системы с заземленной нейтралью при замыкании фазы через переходное активное сопротивление (круговая диаграмма).
Таким образом, количество, выделенного в месте замыкания тепла в условиях увлажнения деревянных опор может возрасти, что может привести к обугливанию или загоранию опор. Величина сопротивления, соответствующая максимуму потерь, лежит в промежутке между полной изоляцией (точка 0) и коротким замыканием на землю (точка W) и соответствует физическим условиям, промежуточным между совершенно сухой изоляцией, с одной стороны, и контакту с заземленной железной траверсой — с другой.
