Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Электромагнитное влияние

Помехи этого типа наводятся в линии связи путем магнитной индукции токами, протекающими в линии электропередачи.
Наиболее серьезные помехи происходят из-за токов нулевой последовательности при коротких замыканиях. Очевидно, что в системе с глухо заземленной нейтралью основной при чиной помех являются замыкания фаз на землю, в то время как при других способах заземления нейтрали нельзя не рассматривать и междуфазные замыкания. Однако вероятность последних низка; в трех системах такие случаи составляли 0,5—6% всех замыканий [Л. 60 и 83]. Наиболее тяжелый случай — одновременные замыкания на концах или вблизи концов сближения — дают токи, большие, чем в случае однофазного короткого замыкания в системе с глухо заземленной нейтралью; однако такие случаи настолько маловероятны, что в системах с ограниченным током однофазного короткого замыкания на землю, особенно в системах с резонансным заземлением нейтрали, проблема индуктивной связи теряет свою остроту. Разумеется, не надо полагать, что резонансное заземление нейтрали, снижая ток короткого замыкания до долей емкостного тока замыкания на землю, тем самым исключает из рассмотрения контур провод — земля системы. Этот контур остается; он образован, с одной стороны, токами компенсирующей катушки и, с другой,—распределенными емкостными токами, протекающими между проводами системы и землей. Индуктивный эффект такого контура не так уж мал, если принять во внимание ограниченную величину протекающего но нему тока. Однако он легко поддается учету, так как не зависит от положения места короткого замыкания (см. § 7 гл. 6).
Надо отметить, что вредное действие магнитного влияния усиливается с ростом протяженности и мощности системы.
Значительные различия между разными способами заземления нейтрали с точки зрения помех на промышленной частоте являются только одним из аспектов проблемы. Необходимо исследовать также помехи звуковой частоты. Они вызываются э.д.с., созданными в металлическом контуре одной или несколькими составляющими из перечисленных ниже: третья гармоника, протекающая в контуре провод — земля в нормальном симметричном режиме; высшие гармонические зарядного тока и тока нагрузки, протекающих в недостаточно симметричных металлических контурах фаз линии электропередачи; высшие гармоники токов короткого замыкания в металлическом контуре или контуре провод — земля.
Хотя содержание гармоник в уравновешенных составляющих или составляющих нулевой последовательности может быть низким и вдобавок влияние металлического контура мало в сравнении с влиянием контура провод — земля, тем не менее эффект высших гармонии может быть значительным, поскольку звуковые частоты имеют больший коэффициент помех. Способ заземления нейтрали системы играет важную роль, так как в системах с глухо заземленной нейтралью третья гармоника тока может протекать в контуре провод — земля и поэтому должна находиться под контролем.
Коэффициентом помех называют коэффициент, который учитывает зависимость от частоты коэффициента связи, восприимчивость телефонного оборудования к различным частотам и изменение чувствительности человеческого уха в диапазоне звуковых частот. Этот комплекс, а также коэффициент влияния на линии телефонной связи (TIF), принятый в США [Л. 80], и «телефонный форм-фактор», предложенный и сведенный в таблицы международным консультативным комитетом телефонной связи (CCIT) [Л. 81 и 84], повсеместно приняты для расчетов.
Так же как и в случае электростатического влияния, далее будет рассмотрено взаимодействие различных контуров.

Взаимодействие контура провод — земля с контуром провод — земля

Коэффициент индуктивной связи определяется из соотношений, приведенных в § 7 данной главы. На рис. 1 приложения приведены характерные величины взаимных индуктивностей, активных сопротивлений и взаимных сопротивлений [см. формулу (42б)]. Краевой эффект, близость точек заземления и экранирование не учитываются. Для расстояний порядка тысячи метров активное сопротивление представляет собой значительную или даже главную часть взаимного сопротивления.
Надо иметь в виду, что в системах с глухо заземленной нейтралью проблема электромагнитных помех осложняется не только величиной токов короткого замыкания; трудности возрастают из-за физических размеров контура, которые довольно велики вследствие значительной глубины залегания эквивалентного провода, как бы несущего обратный ток в земле. Он расположен в земле значительно ниже, чем электрическое и геометрическое зеркальное изображение, определяющее электростатическое взаимодействие. Приближенно глубина залегания обратного тока может быть подсчитана из соотношения [см. уравнение (41в)]
Влияние такой шириной петли сохраняет заметную величину на значительно больших расстояниях, чем в случае электростатического взаимодействия.
Если расстояние между двумя линиями меняется, связь определяется для более или менее параллельных участков сближения и результат составляет:
где ωт — сопротивление взаимоиндукции на единицу длины.
В то время как при электростатической связи в каждой точке параллельного сближения наводится одинаковое напряжение, магнитное влияние накапливается, линейно нарастая по длине параллельного сближения. Если ток подтекает к месту короткого замыкания с двух противоположных сторон, то вызванные им нарастающие напряжения находятся в противофазе, так что общий эффект, если речь идет о циркулирующих в линии связи токах, может быть значительно снижен. Однако практически этот благоприятный эффект ограничен, поскольку он зависит от места замыкания и последовательности работы 'выключателей. Одной из особенностей систем с резонансным заземлением нейтралей является возможность предусмотреть и создавать подобного рода компенсирующие контуры (см. § 7 гл. 6). Магнитное взаимодействие между двумя контурами провод — земля имеет следующие характерные черты:

Некоторые из пунктов этой таблицы далее будут рассмотрены более подробно.

Повреждения.

В нормальном режиме и в случае небольших помех от токов коротких замыканий, когда уровень помех не представляет опасности для оборудования и обслуживающего персонала, наблюдались лишь вредные явления вроде вибрации контактов реле и ложного срабатывания линий вызова. При замыканиях в разомкнутых цепях линии связи может быть наведено напряжение до нескольких тысяч вольт. Оборудование телефонных станций можно защитить от повреждения изоляции, однако на линии напряжение относительно земли может возрасти до величины, представляющей опасность для обслуживающего персонала. Кроме того, возможное неравенство пробивных напряжений защитных элементов может вызвать протекание токов через приемную аппаратуру и акустический удар. Если разрядный ток благодаря своей интенсивности или длительности не будет оборван своевременно, может возникнуть перерыв работы из-за устойчивого заземления.

Фактор времени, частота возникновения.

Если токи короткого замыкания вызывают помехи, то очень эффективной мерой является уменьшение длительности помех. Средством уменьшения длительности перекрытия линии и ограничения переноса энергии являются трубчатые разрядники, хотя величины токов замыкания и индуктивное влияние на соседнюю линию связи не уменьшаются. Благоприятным является также применение быстродействующих выключателей. Однако если на линии применяется быстродействующее повторное включение, акустический удар, вызванный первоначальным замыканием, повторяется при наличии на линии устойчивого короткого замыкания. Поскольку такие случаи сравнительно редки, можно считать, что современная защита электропередач в значительной степени компенсирует недостатки систем с глухим заземлением нейтрален с точки зрения магнитных помех. Системы с резонансным заземлением нейтрали имеют бесспорное преимущество, так как ток замыкания в таких системах имеет умеренную величину и распределение тока не зависит от места замыкания. Это преимущество отсутствует в системах, где предусмотрено автоматическое отключение устойчивого короткого замыкания на землю. В таких системах при устойчивом замыкании релейная защита должна временно зашунтировать катушку или катушки активным сопротивлением или выключателем. Однако число замыканий, отключаемых таким образом, в сравнении с числом быстро ликвидируемых преходящих замыканий достаточно мало, чтобы не вызвать чрезмерных неприятностей в отношении индуктивного влияния.

Экранирование.

Защитные тросы на линиях высокого напряжения уменьшают влияние петли провод — земля, так как они несут часть обратного тока [Л. 82]; однако снижение помех, вызываемое стальным тросом с диаметром 3/8", не превышает 10%. Снижение, вызываемое медными тросами, составляет 30— 40%, в то время как два сталеалюминиевых троса с высокой проводимостью снижают помехи примерно на 55%. Кроме того, применение защитных тросов приводит к предотвращению многих замыканий, вызванных атмосферными перенапряжениями.
Кабельные линии электропередачи не устраняют полностью всех помех, вызванных токами в землю. Конечно, имеется экранирующий эффект свинцовой оболочки и брони (см. рис. 28); в зависимости от конструкции кабеля коэффициент снижения может составлять 0,3—0,6. Несмотря на это, необходима осторожность, поскольку если не рассматривать участия оболочки, контур возврата токов короткого замыкания для кабельных и воздушных линий почти тот же и отсутствует заметное уменьшение размеров петли. Более того, линии связи и пилотирующие кабели часто проложены в одной траншее с кабельной линией электропередачи.
Экранирующее действие оболочки кабеля связи является значительным, хотя и не таким эффективным, как при электростатическом влиянии, когда оно является почти полным. Чтобы нейтрализовать магнитные помехи, в оболочке должны протекать токи, поэтому ее необходимо заземлить по обоим концам, а по возможности и в промежуточных точках. Эти циркулирующие токи должны нейтрализовать наведенное магнитное поле. Из-за наличия активного сопротивления оболочки коэффициент снижения помех для телефонного кабеля (воздушного или подземного) при частоте 60 гц составляет примерно 50%· Другими переменными являются частота и сопротивление земли. Броня из двух 40-миллиметровых стальных лент улучшает эффект экранирования, и коэффициент снижения может быть доведен до 0,1—0,2. Применение заземленных экранирующих проводов внутри оболочки кабеля сводит наведенное напряжение к величине порядка 0,05 напряжения, наведенного на проводе без экрана. Экранирующие токи могут также протекать в распределенных проводимостях самих проводов, в заземленном оборудовании, установленном на концах и промежуточных усилительных пунктах, и через сработавшие защитные промежутки. Всегда надо иметь в виду, что в противоположность электростатическому влиянию напряжение на некотором расстоянии от заземленных точек поднимается до значительных величин.
Нельзя также забывать того, что экранирование может быть частично уничтожено в результате протекания токов в двух противоположных направлениях.
Значительный эффект экранирования может быть получен при наличии в земле разветвленного трубопровода большой протяженности. Это может быть объяснено снижением активного сопротивления земляного возврата.
Перед тем как принимать меры по улучшению условий работы линии связи, желательно проверить вычисленные значения напряжения путем испытаний на линии.

Защитное оборудование.

Угольные защитные разрядники представляют собой довольно деликатное устройство. Чтобы искровой промежуток пробивался при напряжениях, больших 350 в, величина воздушного зазора должна быть всего 0,075 мм. Для того чтобы избежать последствий их неправильной работы (т. е. перерыва связи из-за устойчивого замыкания на землю) или необходимости частого ремонта, устанавливают дополнительные реле, временно шунтирующие защитные разрядники. Электровакуумные разрядники являются противоположностью угольных и применяются там, где допустим более высокий защитный уровень. Ограничители акустического удара, срабатывающие в том случае, если несимметричная работа разрядников приводит к акустическому удару, состоят из нелинейных сопротивлений, например батареи меднозакисных выпрямителей, шунтирующих приемное устройство.
Другими устройствами для защиты концевых пунктов являются продольные дроссельные катушки, намотанные таким образом, что они представляют собой низкое сопротивление для токов, текущих в металлическом контуре, и высокое — для токов в контуре провод — земля, имеющих одинаковое направление в обоих проводах. Наведенное напряжение ложится на эти катушки; небольшие намагничивающие токи замыкаются через конденсаторы, соединенные с землей. Таким образом ограничивается ток, наведенный в контуре провод — земля, а вместе с ним ограничиваются все помехи, вызванные неравенством последовательно включенных активных сопротивлений в контуре провод — земля. В дальнейшем будет показано, что латное наведенное напряжение оказывается приложенным к линейному концу дросселя.
Применение отсасывающих схем, описанных в § 14.1.1 и устанавливаемых на обоих концах сближения, может оказаться полезным. Нейтрализующие трансформаторы представляют собой простые устройства для борьбы с индуктированными напряжениями. Нейтрализующий провод, подвергающийся действию тех же напряжений, применяется для намагничивания одного или нескольких последовательно соединенных нейтрализующих трансформаторов. Провод заземлен с обоих концов, и полное наведенное напряжение ложится на первичные обмотки трансформаторов. В качестве нейтрализующего провода можно использовать оболочку кабеля. Вторичные обмотки соединены последовательно с проводами металлического контура, так что напряжение трансформатора компенсирует напряжение, наведенное в отдельных контурах между проводами и землей. Нейтрализующие трансформаторы, соответствующим образом распределенные по линии, являются важным средством бесперебойной работы связи между электрическими станциями и подстанциями во время аварий в энергосистеме.
Для нейтрализующих трансформаторов, защищающих от магнитных влияний сигнальные системы постоянного тока, используется один из двух проводов линии.
Изолирующие трансформаторы защищают оборудование концевых пунктов, однако они не предотвращают воздействий высоких напряжений на изоляцию линии. Однако при соответствующей расстановке изолирующих трансформаторов эти напряжения могут быть снижены до безопасных величин. Как было отмечено выше, это не предохраняет линию от напряжений, наведенных электростатически. Они могут быть сняты с помощью заземления средних точек.

Влияние способа заземления нейтрали электропередачи; замечания о транспозиции.

Токи короткого замыкания в системах с глухим заземлением нейтрали или заземлением через низкое сопротивление так велики, что с точки зрения магнитных помех эти системы представляют значительно большие трудности, чем системы с ограниченными токами замыкания на землю. Среди последних наиболее интересным решением является применение компенсирующих катушек. Такое же ограничение тока замыкания может быть достигнуто заземлением нейтрали через сопротивление, однако при этом возрастает уровень динамических перенапряжений [Л. 60].
Необходимо обращать внимание на токи, циркулирующие в системе с резонансным заземлением нейтрали, поскольку они вызывают небольшие длительные помехи в нормальном режиме. Эти помехи появляются в особых случаях и могут быть снижены в первую очередь уравновешиванием всей передачи в целом, например путем простого изменения конфигурации проводов на отправной и приемной подстанциях.
В системах, хорошо уравновешенных в целом, вне зависимости от способа заземления нейтрали имеет место протекание токов небаланса между различными участками, например между полными циклами транспозиции. Следовательно, транспозиция имеет ограниченное влияние, если она не скоординирована со сближением. Таким образом, роль надлежащим образом выполненной транспозиции линии электропередачи с точки зрения магнитного влияния не надо переоценивать.

Взаимодействие контура провод — земля электропередачи с металлическим контуром линии связи

Если напряжения относительно земли, наведенные в отдельных проводах линии связи, различаются по величине, например из-за небольшой разницы коэффициентов связи, то индуктированное перенапряжение действует в металлическом контуре. Особая чувствительность телефонных приемников к определенному диапазону частот обусловливает значительные помехи, даже если наведенные токи невелики, потому что все же легко могут достигнуть или превысить величину нормального сигнала. Высшие частоты, возникающие в контуре провод — земля линии электропередачи, являются отчасти следствием емкостного небаланса высших гармонических, а частично вызваны третьей гармоникой. Уже было отмечено, что заземление нейтрали замыкает контур, состоящий из обмоток трансформаторов, проводов линии и емкостей на землю, создавая, таким образом, условия появления третьей гармоники напряжения на проводах линии. Связанная с ней третья гармоника тока вызывает магнитные помехи.
Кроме небольшого различия коэффициентов связи, имеется и другой механизм возникновения «металлического»1 шума вследствие появления третьей гармоники тока в земле. Если линия связи заземлена на центральной станции, а вблизи удаленного конца имеет место неуравновешенный шунт высокого сопротивления (звонок, утечка), то в металлическом контуре протекают составляющие тока шума.
Имеется также возможность появления небольших сопротивлений на землю на обоих концах. В этом случае по проводам линии связи протекают значительные токи.
1То есть возникающего в петле, образованной двум I проводами, а не проводом и землей. (Прим. ред.) Последовательная несимметрия в линии связи вызывает падение напряжения, создающее токи шума в металлическом контуре.
Эти помехи возникают в первую очередь при нормальном режиме электропередачи и имеют следующие основные признаки:
Природа помех
Шумы при нормальном режиме липни связи.
Однако высокочастотная связь, как правило, влиянию не подвергается.
Имеются также низкочастотные помехи на линиях высокоскоростной телеграфной связи

Взаимодействие металлического контура линии электропередачи с металлическим контуром линии связи

Уравновешенные токи (составляющие прямой и обратной последовательностей) могут вызвать магнитное влияние на линию связи. Однако это влияние обусловлено расположением проводов и существенно не зависит от способа заземления нейтрали. Мы только отметим это как еще одну причину применения транспозиции, скоординированной в обеих линиях.
Если трехфазная линия питает трансформатор, работающий на выпрямитель, то и в токе нагрузки будет содержаться много гармоник, в особенности в том случае, если регулирование напряжения осуществляется с помощью сеточного управления, а не переключением ответвлений. Так как эти гармоники не принадлежат к группе третьей гармоники, отсутствует связь со способом заземления нейтрали.
Низкочастотные помехи могут вызвать искажение сигналов скоростной телеграфной линии.
Таблица основных признаков подобна приведенной в § 14.1.3 для электростатического влияния. Отличие состоит только в более высоком уровне энергии магнитных помех и несколько более слабом влиянии экранирования.

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

Этот вид влияния имеет менее важное значение. Однако надо помнить, что, как было показано выше в § 14.2.1, напряжения низкой частоты, наведенные в контурах провод — земля, даже не достигая по величине уровня срабатывания разрядника, могут быть опасными для линий вызова. Кроме того, будучи обусловленными расположением проводов л ин им электропередачи, по которым протекает ток симметричной нагрузки, эти помехи выходят за рамки нашего рассмотрения проблемы влияний.

Однопроводные линии связи

Поскольку контур провод — земля включает и приемное оборудование, магнитная индукция токов линии электропередачи является источником серьезных помех. В ряде стран Центральной Европы преимущества резонансного заземления нейтрали для решения некоторых аспектов проблемы в значительной степени повлияли на идеи инженеров-энергетиков в области способов заземления нейтрали.
Мешающие влияния, вызываемые гармоническими составляющими тока в земле, в нормальном режиме вызывают серьезные затруднения. В линиях электропередачи наибольшей длины и наивысшего напряжения, работающих в системах с заземленной нейтралью, гармоники зарядного и намагничивающего токов могут иметь значительные величины. (В противоположность менее неприятным гармоникам напряжения небаланса в системах с изолированной нейтралью или резонансным заземлением нейтрали.) Более непосредственным источником токов в земле (а также напряжений) является третья гармоника в линиях электропередачи с заземленной нейтралью (системы с изолированной нейтралью и резонансным заземлением не создают помех от третьей гармоники). На линиях сравнительно малой длины и низкого напряжения источником такого рода помех может быть нагрузка с заземленной нейтралью.
Сопротивление контура линии связи ограничивает токи, созданные магнитной индукцией.
Однопроводные телеграфные линии постоянного тока, ток в которых прерывается 25— 60 раз в секунду, чувствительны к помехам на промышленной частоте.
Транспозиция на линии электропередачи, соответствующим образом скоординированная со сближением, полезна с точки зрения снижения помех в нормальном режиме. Она компенсирует симметричные составляющие на линии связи. Кроме того, такая транспозиция, даже не согласованная со сближением, помогает устранить смещения нейтрали и токи небаланса, вызванные несимметрией системы. Свидетельством изобретательности инженеров связи является то, что были найдены решения для многих случаев и линии связи работают даже совместно с передачами с глухо заземленной нейтралью. Эти решения не всегда выдерживают испытание временем. Система растет, и может оказаться, что работа линии связи с возвратом тока через землю не соответствует практическим условиям. В этом случае «металлизация» сближения является последним выходом.