Длительность (в долях периода рабочего напряжения)
Имеются два принципиально различных пути образования замыканий на землю. Первая группа охватывает случаи, при которых изоляция постепенно ослаблена или напряжение постепенно возросло. Этот процесс длится в течение многих периодов рабочего напряжения. Вторая группа включает такие случаи, в которых изоляционная прочность нарушена при внезапном повышении напряжения, длящемся обычно доли периода. Пробой первого типа может, очевидно, случиться на максимуме рабочего напряжения, как только наступает момент, когда диэлектрическая прочность не способна противостоять максимальному напряжению. К этой группе относятся замыкания при приближении посторонних предметов и выполнении вручную операций выключения. Вторая группа охватывает перекрытия изоляции импульсным напряжением, но включает в себя также заземления быстродействующими масляными выключателями. В этих случаях изоляция может быть пробита не в момент максимума рабочего напряжения.
Если имеется несколько проводов, то наложение внешнего воздействия на рабочее напряжение будет определять тот провод, на котором произойдет перекрытие.
В связи с этим интересно рассмотреть вероятность того, что импульсное перекрытие не будет сопровождаться силовой дугой; эта вероятность невелика, но все же не равна нулю. Статистические исследования в 10 системах, которые были подробно рассмотрены в § 1.5, обнаружили, что в системах с заземлением нейтрали через сопротивление с рабочим напряжением 26—66 кВ самоугасание происходило в пределах 9,6—20% числа зарегистрированных случаев (в среднем 14%), в то время как в системах с глухо заземленной нейтралью с рабочим напряжением 33—220 кВ соответствующие цифры составляют 5,9—24%, в среднем— 15%. Это относится к случаям замыканий продолжительностью 1 период или менее. Случаи самоустраняющихся замыканий большей продолжительности составляют в среднем 6,5% для систем с заземлением через сопротивление и 13% для систем с глухо заземленной нейтралью.
Условия, которые могут приводить к немедленному самоугасанию дуги, были исследованы Пиком, Итоном и Данхэмом [Л. 39] в работе, которую мы будем обсуждать в § 4.5 гл. 3. Они подчеркивают влияние величины емкостного тока, протекающего в месте замыкания. Этим вопросом занимались также Саутгейт и Уайтхед [Л. 40]. Для данного угла сдвига между моментом приложения импульсной волны и нулем напряжения рабочей частоты на промежутке расстояние между электродами, при котором дуга поддерживается, изменяется пропорционально величине рабочего напряжения. Для выяснения влияния самого угла сдвига необходимо рассмотреть два явления: переходный процесс разряда линии на место замыкания и возникновение тока короткого замыкания рабочей частоты.
При перекрытии емкость линии начинает разряжаться через канал перекрытия. Ток определяется разностью между мгновенным напряжением поврежденного провода и напряжением на искре, причем эта разность приложена к волновому сопротивлению линий в обе стороны от места замыкания. Для перекрытия, происходящего вблизи нуля напряжения рабочей частоты, ток разряда будет небольшим и будет стремится погаснуть.
Условия для тока рабочей частоты в течение первого полупериода будут аналогичными. Если перекрытие произошло вблизи нуля напряжения, в токе замыкания возникает постоянная составляющая, причем при замыкании немедленно после нуля напряжения первая полуволна тока будет иметь большие амплитуду и длительность, в то время как при замыкании перед нулем напряжения возникает кратковременный пик тока малой величины. Из этого можно заключить, что после каждого перехода напряжения через нуль вероятность существования силовой дуги резко возрастает, остается высокой до момента максимума напряжения и затем постепенно снижается до момента следующего перехода напряжения через нуль. Это положение хорошо подтверждено опытами с лабораторной установкой, состоящей из генератора и мощного источника 26 кВ, включаемых параллельно на испытываемый промежуток. Емкость линии в испытательной установке не была представлена. С точки зрения условий погасания дуги определенное значение имеет природа диэлектрика. Если разряд проходит через дерево и длина пути разряда превышает 30,5 см при 26 кВ, дуга не развивается из-за деионизирующего действия узкого канала.
Кроме этих двух факторов, влияющих на самоустранение перекрытия, нужно принимать во внимание третий — переходный процесс средней частоты, наложенный на первый полупериод тока замыкания на землю в системах, не работающих с глухим заземлением нейтрали. Из детального анализа, данного в § 2.3 этой главы, станет ясным, что переходный процесс средней частоты создает дополнительную возможность, для быстрого затухания тока, особенно в том случае, когда перекрытие произошло в момент максимума напряжения системы или близко к нему (см. рис. 90,б).
Сведения о количестве перекрытий, не сопровождающихся силовым током, даны разными исследователями. Некоторые результаты, полученные в системах с линиями на металлических опорах, даны в табл. 22.
Таблица 22
Для линий на деревянных опорах количественная информация имеется у множества авторов. Хардер и Клейтон [Л. 41] указывают, что число самопогасающих перекрытий вдоль дерева или через него достигает 50—6о% всех перекрытий. Иквелл (Л. 42] нашел, что вероятность образования устойчивой дуги зависит от длины пути перекрытия, деленного на напряжение системы. Белласки [Л. 43] заключает из лабораторных опытов, что в комбинации подвесных изоляторов и деревянных траверс самопогасание дуги происходит в том случае, если средняя напряженность (напряжение системы, деленное на общую длину перекрытия) равна 0,2 квдейст, на сантиметр или менее, тогда как повышение средней напряженности до 1,14 кВ/см повышает вероятность образования устойчивой дуги до 50%. Нужно, однако, полагать, что влага, содержащаяся в дереве, оказывает значительное влияние. На линиях 33 кВ Паблик Сервис Компани ов Нордзерн Иллинойс с деревянными опорами со средней напряженностью 0,12 кВ/см 14% перекрытий сопровождались силовой дугой. Подобные же результаты были получены Иквеллом на линиях 33 кВ Филадельфиа Электрик Компани с деревянными опорами [Л. 45]. В системе Иллинойс, однако, были обнаружены другие свойства. В этой системе имелась тенденция защищать промежуточные опоры анкерными на протяжении нескольких пролетов, но в то время как промежуточные опоры имели показатель перехода перекрытия в силовую дугу, равный 13%, анкерные давали 42%. Эта величина повышалась до 907ο для вертикальных угловых опор, которые имели наинизшую изоляцию относительно земли.
Замыкания на землю в кабельных системах
Громадное большинство замыканий в кабелях развивается как пробой изоляции между фазным проводом и землей. Кабели могут быть повреждены механически, если на трассе кабеля ведутся земляные работы. Во время прокладки кабеля оболочка может получать скрытые повреждения; впоследствии вода, проникающая в кабель, портит изоляцию. Динамические и тепловые воздействия при коротких замыканиях могут давать необратимые изменения в структуре диэлектрика, связанные главным образом с неэластичным растяжением оболочки и образованием полостей.
Причины внешних повреждений, постепенно развивающихся в замыкания на землю: оседание почвы, механические повреждения и тепловые перенапряжения в местах пересечения трассы кабеля с трубопроводами, в частности с паропроводами. Большая часть всех замыканий в кабельных сетях происходит в муфтах и закрытых воронках, которые не могут быть смонтированы и испытаны на электрическую прочность и водонепроницаемость на месте производства кабеля. Некоторые инженеры предпочитают поэтому устанавливать муфты и воронки для напряжения на один класс выше, чем рабочее напряжение сети.
Часто думают, что концевые муфты в точках соединения кабеля с воздушной линией подвергаются опасности из-за отражений волн. Такое предположение едва ли может быть принято, по крайней мере для волн, приходящих в кабель с воздушной линии и уходящих на другую линию; амплитуда таких ноли снижается, во-первых, из-за много меньшего волнового сопротивления кабеля и затем под действием полной емкости кабеля. Волны грозовых перенапряжений, образующиеся в кабеле и движущиеся вдоль него, очень редки, однако можно представить себе грозовые разряды в землю, для которых заземленная оболочка действует как провод, собирающий и перераспределяющий ток разряда. Между жилой и оболочкой отсутствует поле, так как оболочка, окружая жилу, действует как фарадеева клетка.
В новейших типах кабелей избыточное внутреннее давление предохраняет от проникновения воды, когда в оболочке образуются разрывы.
