Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Влияние линий электропередачи на линии связи

ВЛИЯНИЕ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НА ЛИНИИ СВЯЗИ. ЗНАЧЕНИЕ СПОСОБА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ
Влияние может происходить благодаря емкостной или индуктивной связи. В случае короткого замыкания на землю главную роль играет первый вид связи, если система электропередачи эксплуатируется с нейтралью, заземленной через большое сопротивление; второй превалирует в тех случаях, когда нейтраль системы заземлена через низкое сопротивление. В нормальном симметричном режиме независимо от способа заземления нейтрали обычно более важен индуктивный эффект, поскольку большие смещения напряжения нейтрали в нормальном режиме не допускаются.
Имеются две формы помех, а именно помехи низкой частоты и помехи звуковой частоты [Л. 78].
Помехи делятся на два класса и по другому признаку, смотря по тому, повышаются ли напряжения относительно земли во всех проводах или э.д.с. наводится в металлическом контуре, образованном двумя любыми проводами линии связи. В первом случае может быть повреждена изоляция, но, за исключением однопроводных линий с возвратом тока через землю, помехи передаче сигналов отсутствуют, если не произошло срабатывания защитных аппаратов, вызывающих акустический удар. Во втором случае передача и прием сопровождаются помехами.
Чтобы более четко выявить -влияние способа заземления нейтрали, мы рассмотрим отдельно электростатическое и индуктивное влияния.

Электростатическое влияние

Расчет электростатического взаимодействия с помощью коэффициента связи, который был приведен для двух линий в предыдущем параграфе, применим также и в том случае, когда одной из линий является линия связи.
Если расстояние между двумя системами не является постоянным, коэффициент связи должен быть определен для достаточно однородных участков и результирующий эффект определяется как
(53) где сII1 и — емкости на единицу длины, а СIIве — емкость на землю Части системы связи, не подверженной индукции.
Зависимость от частоты в данном случае отсутствует.

Взаимодействие петли провод — земли с петлей провод — земля

Электростатические помехи этого типа могут быть наглядно представлены с помощью рис. 70; они представляют собой явления, связанные с нулевой последовательностью.

Нормальный симметричный режим линии сильного тока.

Напряжения небаланса основной частоты и гармоники появляются в трехфазной системе с незаземленной нейтралью в результате неравенства емкостей фаз (см. § 1 данной главы). Однако, как правило, никогда не появляется большой составляющей напряжения нулевой последовательности независимо от способа заземления, поскольку смещения нейтрали ограничены очень небольшой величиной.
Третья гармоника является также составляющей нулевой последовательности. Основным источником третьей гармоники является нелинейность магнитных характеристик генераторов и трансформаторов. Если нейтраль заземлена, третья гармоника напряжения появляется на зажимах источника питания. Если нейтраль системы изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, зажимы источника питания в отношении тройной частоты связаны с землей емкостями системы и напряжение нейтрали трансформатора колеблется с тройной частотой, созданной магнитной цепью. В промежуточных случаях напряжение утроенной частоты делится между фазами линии и нейтралью в степени, зависящей от относительных значений проводимостей на землю. Если сложная схема, включая возврат тока через землю, образована источником мощности и емкостями системы и если внутреннее сопротивление источника выше, чем сопротивление для третьей гармоники остальной части схемы, напряжение, возникающее во внешней части схемы, снижается, как это показано ниже на рис. 169,а; вместо него появляется третья гармоника тока.
Емкостное сопротивление системы относительно земли играет некоторую роль. Обычно резонансные условия возможны, если трехфазный питающий трансформатор  состоит из трех однофазных единиц с глухозаземленной нейтралью или представляет собой конструкцию броневого типа, не содержащую главной или третичной обмотки, соединенной в треугольник,—установка, против применения которой уже давно предостерегали [Л. 29]. Нельзя забывать о том, что третья гармоника тока намагничивания делится между соединенной в звезду обмоткой с заземленной нейтралью и обмоткой, соединенной в треугольник. Нежелательный эффект не может быть полностью устранен, а только уменьшен и смещен в другую, менее вероятную область емкостей системы.
Теперь видно, что в общем случае емкостный эффект третьей гармоники не является вредным. В системах с глухим заземлением нейтрали или заземлением ее через низкое сопротивление э.д.с. третьей гармоники подавляются циркулирующими токами соответствующей частоты, в то время как в системах, где ток третьей гармоники задерживается в нейтралях, эти точки, а не фазы линии, колеблются относительно земли с тройной частотой. Кроме того, если силовые трансформаторы имеют обмотку, соединенную в треугольник, они не являются источниками третьей гармоники для остальной части системы или во всяком случае являются ими не в такой сильной степени.
Подводя итог, можно сказать, что в нормальном симметричном режиме системы передача напряжения основной и утроенной частот обычно не имеет места между петлями провод — земля в сколько-нибудь значительной степени. Можно добавить, что токи и напряжения небаланса основной частоты должны, если необходимо, подавляться с помощью транспозиции проводов системы электропередачи (см. § 4.1.1 гл. 6).

Короткое замыкание в линии сильного тока.

Если происходит замыкание на землю в линии сильного тока, неизбежно смещение нейтрали. Не следует думать, что глухое заземление нейтрали трансформатора закрепляет нейтраль системы на уровне потенциала земли. Фазы испытывают изменение напряжения Еф, Δ и Δ [см. формулу (51) в § 10.1), и имеет место смещение нейтрали, достигающее величины 1/3 (Еф+∆). В § 10.7 данной главы приведены числовые величины смещения нейтрали в месте замыкания для характерных случаев, которые воспроизведены здесь:
X0= X1;    

Для Х0=∞ получим: Е0=1,0 Еф. Следовательно, если рассматривать взаимодействие двух петель провод — земля, система с глухим заземлением нейтрали имеет некоторые преимущества перед системами с другими способами заземления. Как будет видно в дальнейшем, это преимущество подавляется во много раз большим магнитным взаимодействием при коротких замыканиях на землю >в таких системах.
Величину электростатических помех при взаимодействии двух петель провод — земля можно определить с помощью рис. 2 приложения.
Электростатическое взаимодействие между петлями провод — земля при замыкании на землю в линии электропередачи имеет следующие характерные черты:
Тип помех                                               Основной частоты
Возможные повреждения               
Повреждение изоляции линии связи
Влияние транспозиции в линии Отсутствует передачи
Влияние транспозиции в линии Отсутствует связи
(Для составляющей нулевой последовательности каждая группа проводов рассматривается как один провод, и поэтому транспозиция бесполезна)
Методы устранения               
Экранирующие устройства
Средства защиты                   
Предохранители, отсасывающие устройства, изолирующее трансформаторы

Теперь рассмотрим подробнее два последних пункта.
Использование заземленных тросов в линиях электропередачи приводит к заметному ослаблению межсистемной емкостной связи. Еще более эффективной мерой является экранирование линии связи проводом, заземленным в одной точке, в особенности применение оболочки типа кабельной, которая практически полностью подавляет емкостную связь между петлями провод — земля.

Нормальный симметричный режим линии электропередачи

2. Замыкание па землю в линии сильного тока

Средства защиты частично совпадают с теми, которые будут описаны в § 14.2.1 там, где рассматривается индуктивное взаимодействие двух петель провод—земля. Однако защита от электростатических помех упрощается тем, что напряжения, возникающие на проводах линии связи, снижаются, если отсасывается сравнительно небольшой ток, протекающий по взаимной емкости между двумя системами. Емкость входного кабеля также помогает этому. Специальные отсасывающие аппараты состоят из делителей напряжения с заземленной средней точкой. Токи звуковой частоты не текут в эти делители, в то время как токи петли провод — земля замыкаются на землю через низкое сопротивление. Для сигнальных систем постоянного тока могут быть использованы цепочки активных сопротивлений или резонирующие цепочки с заземленной средней точкой. В телефонных линиях систем электропередачи часто нет необходимости защищать изоляцию линии, а достаточно только защитить оборудование на ее концах, включив изолирующие трансформаторы, которые в первую очередь служат барьером для напряжений, наведенных в петле провод — земля с помощью магнитной индукции. Как будет показано в § 14.2.1, эти напряжения остаются на самой линии, в то время как напряжения, наводимые на линии связи электростатически, могут быть легко устранены заземлением средней точки изолирующего трансформатора со стороны линии.

Взаимодействие петли провод—земли с металлическим контуром линии связи

Составляющие нулевой последовательности основной частоты или гармоник, а также составляющие утроенной частоты могут вызвать
э.   д. с. в металлическом контуре, если линия или ее соединения с землей окажутся несимметричными. Электростатическая и магнитная индукции будут для большей четкости рассмотрены отдельно.

Электростатическое взаимодействие металлических контуров двух линий

Даже в достаточно симметричной линии электропередачи в симметричном режиме работы электромагнитные поля отдельных фаз в окружающем пространстве не вполне компенсируются. Поэтому на проводах нетранспонированной линии связи могут наводиться различные напряжения. В этом случае в металлическом контуре создается э.д.с. и через оборудование на концах линии связи протекает ток. Поскольку это оборудование более чувствительно к звуковым частотам, главным источником этого типа помех являются высшие гармонические напряжения основной частоты.
Этим помехам присущи следующие признаки:

 Взаимодействие металлического контура линии электропередачи с контуром провод — земля линии связи

Этому виду взаимодействия можно не придавать никакого практического значения.

 Однопроводная линия связи с возвратом тока через землю

Ряд сельских телефонных линий этого типа имеется и по сей день. Они наиболее восприимчивы к помехам, создаваемым линиям электропередачи в нормальном и аварийных режимах. Помехи в таких линиях обычно в 100 раз превосходят помехи в средней двухпроводной линии при тех же условиях сближения.
(Задача усложняется, если линия электропередачи является продолжением трехфазной системы и выполнена по схеме фаза — нейтраль; однако в такой постановке задача выходит за рамки настоящего анализа.)
В сельской местности помехи часто усиливаются за счет довольно большой длины линий и частой работы с чисто осветительной нагрузкой, которая благоприятствует резонансу на высших гармонических (см. § 1.2.1 гл. 6). Остаточные напряжения высших гармонических могут возникнуть независимо от способа заземления нейтрали в результате воздействия симметричных напряжений на несимметричные сопротивления фаз на землю. Они связаны с высшими гармониками тока, возвращающегося через землю. Электростатическое влияние этих напряжений обычно имеет меньшее значение в сравнении с влиянием гармоник тока в земле, за исключением сближений, расположенных у конца линий высокого напряжения. Емкостный ток, появляющийся на однородной линии связи, не течет по контуру (как магнитно наведенный ток), а разветвляется по различным аппаратам, включенным по концам линии между проводом и землей.
Основной проблемой является проблема помех звуковой частоты в нормальном режиме. Однопроводные телеграфные линии постоянного тока, в которых ток прерывается 25— 60 раз в секунду, тоже подвержены помехам на основной частоте системы электропередачи.
Выводы будут сделаны в § 14.2.5, в котором описано электромагнитное влияние в линии с возвратом тока через землю.