Если замыкание на землю не самоустраняющееся, оно рано или поздно будет ликвидировано выключением. Ток замыкания прерывается в момент прохождения его через нуль, однако в некоторых случаях ток, разрываемый выключателем, может содержать другие составляющие, например ток нагрузки; тогда ток замыкания может быть прерван в момент, когда наложение двух токов дает нуль, что может произойти при любом мгновенном значении тока замыкания на землю.
Прежде чем анализировать процесс устранения замыкания на землю в системах с заземленной нейтралью, рассмотрим более подробно некоторые вопросы, применительно к системам с изолированной нейтралью. Рис. 92,а изображает процесс при самоустранении замыкания на землю. Момент L, который отделяет период работы с заземленной фазой (слева) от процесса восстановления (справа), совпадает с максимумом смещения нейтрали. Разница в напряжениях при наличии замыкания на землю и в новом установившемся состоянии одинакова для всех трех проводов и нейтральной точки (см. рис. 14). Вся система сохраняет остаточное напряжение относительно земли и соответствующий удержанный ею заряд. В случае отсутствия соединения с землей, через которое может стекать свободный заряд, этот постоянный удержанный заряд будет оставаться в системе наряду с переменным зарядом, обусловленным напряжением системы. Таким образом, нормальные пульсации напряжений проводов будут накладываться на постоянное напряжение, которое можно рассматривать как составляющую нулевой последовательности с нулевой частотой (пунктирная линия на рис. 92,а). В практических условиях задержанный заряд не остается на проводах системы длительно. Проводимость утечки фаз позволяет системе разрядиться на землю, как показывает рис. 92,б. Тонкими линиями показаны напряжения фаз и нейтрали, которые были бы при сохранении замыкания фазы W на землю, пунктирными линиями — нормальные напряжения относительно земли, а жирными линиями — постепенный переход между двумя состояниями.
При неизменной постоянной составляющей напряжение всех трех фаз колеблется между 2 Еф и нулем без изменения полярности. Это приводит к тому, что в месте замыкания спустя полпериода после устранения этого замыкания напряжение равно удвоенному нормальному фазному напряжению. Непосредственно после ликвидации замыкания напряжение относительно земли увеличивается незначительно, так что имеется достаточное время для восстановления электрической прочности промежутка.
Несколько слов нужно сказать об ошибочном заключении, к которому можно прийти в связи с этим. Может показаться, что в момент времени, когда поврежденный провод отсоединяется от земли, на нем может мгновенно наводиться напряжение, как на изолированном проводе, находящемся в поле других проводов, т. е. напряжение на промежутке будет мгновенно восстанавливаться до определенной величины. В действительности этого не происходит, так как на изолированном проводе нет зарядов, а провод, отсоединенный от земли, удерживает на себе заряд, который он имел, будучи замкнутым на землю, и, следовательно, после устранения замыкания его потенциал остается равным нулю. Поэтому при любых способах заземления нейтрали, если замкнутый на землю провод отсоединяется οт земли в момент, соответствующий нулевому значению его напряжения в нормальном режиме, напряжение на промежутке начинает восстанавливаться с нулевого значения.
Переходный процесс восстановления в системах, заземленных через реактивное сопротивление, качественно является точно таким же, как и для систем с глухо заземленной нейтралью, до тех пор, пока повреждение сохраняет характер короткого замыкания. Совершенно особый характер приобретает процесс, если индуктивный ток замыкания имеет величину такого же порядка, как и величина емкостного тока замыкания незаземленной системы. Наиболее важным применением этого типа заземления через высокоомное реактивное сопротивление является дугогасящая катушка, переходный процесс восстановления в которой будет подробно описан в § 4, гл. 5. На данном этапе мы обращаем внимание на два факта:
а) С увеличением индуктивного сопротивления заземляющего устройства падение напряжения все более перемещается из схем прямой и обратной последовательностей к схеме нулевой последовательности. Когда индуктивное и емкостное сопротивления становятся равными
цель блокируется и ток замыкания уменьшается до нуля. Процесс восстановления напряжения определяется схемой нулевой последовательности, так как в двух других схемах при ликвидации замыкания заряды не освобождаются.
б) Частота свободных колебаний уменьшается с увеличением реактивного сопротивления до тех пор, пока собственная частота дугогасящей катушки не станет равной промышленной частоте (ωj=ω). Отсюда видно, что переходный процесс восстановления в системах, заземленных через дугогасящие катушки, задерживает восстановление напряжения между поврежденной фазой и землей на несколько периодов, тем самым облегчая условия угасания дуги (см. рис. 116—118). Это уникальное свойство изменяется, но не исчезает, если условия компенсации емкостного тока замыкания на землю выполняются не
совсем точно. Собственная частота тогда должна быть близка к частоте системы, и наложение нормального напряжения по отношению к земле на свободные колебания будет создавать биения. Установившееся напряжение на поврежденной фазе будет превышать нормальное фазное, но оно достигается только по истечении нескольких периодов (рис. 119 и 120). Если реактивное сопротивление заземления значительно уменьшается, то время переходного процесса сокращается, а его частота возрастает. Поэтому напряжение в месте повреждения будет быстро достигать двойной величины по отношению к нормальному. Промежуточный случай будет показан ниже на рис. 121. С другой стороны, если реактивное сопротивление увеличивается до значения, много большего, чем необходимее для компенсации емкостного тока замыкания на землю, мы получим предельный случай трансформатора напряжения, установленного в нейтрали. (Это эквивалентно трем однофазным трансформаторам напряжения, установленным между фазами и землей, или трехфазному индуктивному заземляющему устройству, предназначенному для измерения напряжений между фазами и землей. Идея применения таких приборов заключалась в том, что удержанные системой заряды могут быть легко отведены в землю через эти приборы, так как их реактивное сопротивление не создает препятствий для протекания постоянного тока. Однако разряд в реальных условиях будет носить колебательный характер за счет емкостей системы и реактивного сопротивления заземления. Учитывая, что намагничивающий ток трансформатора напряжения составляет несколько миллиампер, в то время как зарядный ток системы в 1 000 раз больше (обе величины отнесены к нормальной промышленной частоте и фазному напряжению), находим, что частота, при которой токи становятся равными, значительно меньше частоты системы (приблизительно в √1 000 раз).
Рис. 94. Заземление через трансформатор напряжения Переходный процесс при устранении замыкания на землю.
1— напряжение; 2 —ток.
Имеющее место на практике соотношение между свободной и промышленной частотами иллюстрируется рис. 94, на котором нанесены отметки времени, соответствующие нормальной частоте. Прямоугольная форма волны напряжения объясняется наличием очень больших потоков, необходимых для того, чтобы поддержать напряжение при такой низкой частоте. Соответствующий намагничивающий ток (нижняя кривая) имеет форму коротких пиков. Частота не остается постоянной, а постепенно уменьшается в соответствии с уменьшением степени насыщения. Рис. 94 представляет процесс в нейтральной точке системы; напряжение проводов системы с учетом наложения колебания нормальной частоты показано на рис. 122.
Трансформаторы напряжения с заземленными выводами — не защитные, а измерительные приборы, их длительная эксплуатация исключает какое-либо эффективное разрядное действие.
Приведенная выше трактовка переходного процесса, который следует за устранением замыкания на землю, основывается на том предположении, что переходный процесс, связанный с установлением замыкания на землю, уже прекратился. В системах с незаземленными нейтралями это необязательно имеет место. Перекрытие и погасание могут следовать друг за другом в быстрой последовательности, и последнее может иметь место в то время, когда среднечастотный переходный процесс, показанный на рис. 89, еще продолжается. Система остается не только со смещением нейтрали, но и с чрезмерным напряжением между фазами, которое является источником дальнейшего переходного процесса. Условия такого рода будут проанализированы в следующем разделе.
