Содержание материала

РЕЗОНАНСНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Глава пятая
ДУГОГАСЯЩИЕ УСТРОЙСТВА. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ

1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Дугогасящая матушка была предложена Петерсеном в 1916 г. в результате его первой работы по исследованию явлений при замыкании на землю. Это был весьма редкий случай в технике, когда важное достижение явилось результатом работы одного человека, одинаково выдающегося как в анализе основных фактов так и в умении предложить простое решение проблемы и дать его ясное и законченное теоретическое обоснование. Напомним, что в свое время было выдвинуто несколько проектов, претендовавших на то, что они свободны от недостатков, якобы имеющихся в предложении Петерсена. Однако оказалось, что они не имеют никаких преимуществ и не являются независимыми от работы Петерсена, которая была настолько обширна, что заключала в себе все множество вариантов решения проблемы, рассматриваемых в § 11 настоящей главы.

2. РАБОТА ДУГОГАСЯЩЕГО АППАРАТА ПРИ УСТОЙЧИВОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

Емкостный ток замыкания на землю возвращается в систему через место повреждения, что, конечно, справедливо и для других составляющих тока замыкания, обусловленных иными проводимостями между проводом и землей. Результирующий ток в месте замыкания определяется наложением этих составляющих. Особый интерес представляет специальный случай, когда две составляющие тока замыкания, равные по величине и противоположные по знаку, складываясь, компенсируют друг друга. Это становится возможным) при наложении на емкостный ток замыкания индуктивного тока соответствующей величины.)
Уравновешивание тока в месте замыкания не зависит от способа создания компенсирующего тока, важна лишь его величина. Рассмотрение удобно начать со схемы, в которой параллельно емкостям проводов на землю подключены индуктивности (рис. 109,а). Компенсирующий эффект в такой схеме очевиден. Однако ясно, что это неэкономичное решение вопроса. В самом деле, индуктивность, присоединенная к заземленному проводу, не участвует в создании компенсирующего тока. Кроме того, токи в двух реакторах, оставшихся в работе, сдвинуты на угол 60°, и следовательно, складываясь в месте замыкания, они дают не двойной ток, а лишь ток в 3 раз больший, чем ток одного реактора. Хотя устройство, показанное на рис. 109,а, и не используется в таком виде на практике, оно часто рассматривается для сопоставления с вариантом заземления нейтрали через реактор (рис. 109,6) с тем чтобы показать, что включение реактора в нейтраль является наилучшим способам компенсации.


Рис. 109. Резонансное заземление.
а — при помощи трех реакторов, присоединенных к фазам; б — при помощи реактора в нейтрали.

Как уже указывалось ранее (см. § 4 гл. 2), различие между нормальным режимом и работой с одной заземленной фазой полностью отражается составляющими нулевой последовательности тока и напряжений. Общий подход к решению задачи в случае многопроводной системы был дан в § 2 гл. 2. На рис. 110 представлена схема замещения системы с устойчивым замыканием на землю одной фазы. Мы начнем рассмотрение со схемы замещения для симметричной системы при отсутствии замыканий на землю. В § 2 гл. 2 было показано, что взаимодействие между проводами системы и землей эквивалентно замещается тремя (или в общем случае п) емкостями проводов на землю, перенесенными в нейтраль. Кроме того, указывалось, что появление некоторой проводимости между нейтралью и землей, например при заземлении нейтрали через реактор с сопротивлением Хe=wLe, на схеме замещения отражается подсоединением к соответствующим точкам и, следовательно, параллельно емкостям, перенесенным в нейтраль, той же проводимости (в нашем случае обусловленной включением реактора с Xe=wLe). Отсутствие симметрии емкостей проводов на землю приводит к смещению нейтрали. Осложнения, вызываемые этим фактом, будут рассмотрены несколько позже. Замыкание одной фазы на землю влечет за собой (см. § 3 гл. 2) повышение потенциала нейтрали трансформатора до величины фазного напряжения.
Тетерь становится очевидным, что ток через заземляющую индуктивность

тогда как емкостных ток

Выполнением условия мы можем достигнуть того, что емкостный «ток системы, с одной стороны, и ток, преходящий через реактор, — с другой, будут в месте замыкания компенсировать друг друга.
Рис. 110. Схема замещения системы с дугогасящим устройством.


В результате через место замыкания на землю будет протекать только ток, обусловленный потерями и высшими гармоническими. Уравнение (77) является математическим выражением правила Петерсена, состоящего в том, что заземляющие реакторы должны быть выбраны так, чтобы они настраивались в резонанс с емкостью системы.
Если емкости фаз на землю неодинаковы, то, как это было указано в § 2 гл. 2, взаимодействие системы с землей будет правильно представлено при перенесении этих емкостей в точку нулевого потенциала S (электрический центр тяжести). Для полной компенсации тока в месте замыкания в этом случае компенсирующее реактивное сопротивление следовало бы включить между точкой нулевого потенциала и землей. Это теоретическое правило, однако, не используют на практике, включая катушку между нейтралью трансформатора и землей.
Не следует делать различия между разными случаями включения реактивного сопротивления нулевой последовательности Хе. Идея в чистом виде состоит в заземлении электрического центра тяжести системы через сопротивления Xе=wLe, где

Различные устройства, с помощью которых может быть получено требуемое сопротивление нулевой последовательности, будут описаны в одном из следующих параграфов. Однако мы наибольшее внимание обратим на схему с заземлением нейтрали трансформатора через реактор, настроенный более или менее точно по (77а). Кроме того, вначале мы будем считать, что различием между точкой системы с пулевым потенциометром и нейтралью трансформатора можно пренебречь. Отмеченные обстоятельства не скажутся на полноте анализа систем, работающих с дугогасящими аппаратами, так как при этом будут упущены лишь несущественные детали.
Выводы, которые мы так просто получили с помощью схемы замещения (рис. 110), могут быть также без особого труда установлены на основании обычных одно- или трехфазных схем. Для этого на рис. 111 для однофазной (вверху) и трехфазной (внизу) систем приведено распределение токов при замыкании на землю (рис. 111,а) а системе с хорошо настроенным реактором, включенным в нейтраль. В правой части (рис. 111,а) дано соответственно распределение токов в системе с реакторами, включенными между фазами и землей, в центре для того же момента времени — нормальное распределение зарядных токов в системе (рис. 111,б).
Важным фактом, вытекающим из рассмотрения этих схем, является отсутствие тока в самом месте замыкания на землю. Ток в заземленном проводе проходит мимо места замыкания, не ответвляясь в него.
В первом приближении простейшее действие устройства на рис. 111,в состоит в том, что каждый реактор воспринимает ток емкости своей фазы. При этом оказывается, что источник не принимает участия в питании емкостей, и можно легко увидеть, что это справедливо как при замыкании на землю, так и без него. Для того чтобы составить более правильное представление о работе схемы, необходимо учесть следующие два обстоятельства.
Во-первых, зарядные токи междуфазных емкостей, которые не указаны на схеме, создаются источниками системы. Во-вторых, хотя емкостные токи на землю и компенсируются действием реакторов, включенных между фазами и землей, следует иметь в виду, что это не входит в основные функции реакторов. Нейтрализация нормального зарядного тока, распределение которого показано на рис. 111,в, происходит потому, что реакторы, подключенные к фазам (рис. 111,в), находятся под напряжением и, таким образом, потребляют реактивную мощность даже при нормальной симметричной работе системы. Это приводит к излишнему увеличению потерь. Более удачная картина получается при заземлении нейтрали через реактор. Очевидно, что при нормальном режиме через него не протекает ток и распределение токов получается таким же, как и в обычной системе с источником по рис. 111,б.
Примечательным в данном случае является, как это видно из сопоставления рис. 111,а и б, отсутствие дополнительной реактивной нагрузки при замыкании на землю, которую покрывает настроенный заземляющий реактор. Это обстоятельство может быть истолковано двояко: в противоположность схеме с реакторами в фазах в данном случае точка возвращения емкостного тока замыкания перемещается из места замыкания в место заземления индуктивности или иначе, дугогасящее устройство накладывает на систему второе распределение тока нулевой последовательности, в результате чего компенсируется ток в месте замыкания.

Рис. 111. Распределение зарядных токов емкостей на землю в системе с резонансным заземлением. Вверху— однофазная система, внизу — трехфазная система. а— заземляющее устройство в нейтрали, одна фаза замкнута на землю; б — заземляющее устройство в нейтрали, нормальный режим; в— заземляющее устройство каждой фазе, одна фаза замкнута на землю.

 Результат рассмотрения схем, представленных на рис. 111,а, может быть сформулирован следующим образом. Дугогасящие устройства освобождают источники системы от тока замыкания на землю. Генераторы «не замечают» случившегося замыкания. Через место замыкания протекает незначительный ток, остальной ток циркулирует по поврежденной фазе. Результирующее распределение тока, таким образом, не зависит от места повреждения и для данной системы остается одним и тем же при всех полных замыканиях на землю независимо от их места.
Это, конечно, несколько упрощенная картина, и она в нашем последующем анализе будет дополнена. Вопрос, который сразу же возникает из сказанного выше, состоит в том: как полностью компенсированная система может сохранять смещенный уровень напряжения при замыкании на землю, если нет взаимодействия между землей и системой в месте замыкания? Объяснение может быть найдено в существовании незначительных составляющих тока, обусловленных потерями энергии.
Показанные на рис. 111 схемы трехфазной системы могут быть также проанализированы методом, показанным на рис. 53, где трехфазная схема разделяется на две однофазные, а затем исследуется та из них, в которой имеется замыкание на землю. При этом имеется аналогия с однофазной системой, работающей с напряжением, в 1,5 раза большим нормального фазного, которое приложено между заземлившейся фазой и двумя объединенными неповрежденными проводами.

Рис. 112. Резонансное заземление при помощи реактора в нейтрали. Распределение тока в обмотках заземляющего трансформатора.

Оставшаяся неучтенной составляющая тока, обусловленная напряжением между неповрежденными фазами, является внутренней для системы и не требует нейтрализации в месте замыкания. Полный ток замыкания на землю на рис. 111, как и следовало ожидать (см. § 4 гл. 2), будет Еф 3ω Се.
Распределение тока при включении реактора в нейтраль содержит одно положение, требующее ясного понимания. Из того, что было сказано в предыдущих главах относительно природы дополнительного зарядного тока при замыкании на землю, совершенно ясно, что компенсирующий ток должен быть током нулевой последовательности.
Он распространяется по сети и проходит по сопротивлениям нулевой последовательности, включая те трансформаторы, у которых есть нейтраль. На рис. 112 представлены схемы двух таких трансформаторов с соединением обмоток звезда — звезда и треугольник — звезда. Ток нулевой последовательности не проникает во внешнюю цепь другой обмотки (если нe приняты специальные меры) независимо от того, идет ли речь о повышающем трансформаторе на станции или понижающем на подстанции. Также токи нулевой последовательности не будут влиять и на линейные напряжения.
Между нейтралью и выводами фаз могут иметь место падения напряжения, одинаковые по величине и фазе, однако очевидно, что они отсутствуют в междуфазных напряжениях.
Это обстоятельство находится в полном соответствии с правилом об отсутствии взаимодействия между симметричными составляющими разного рода. Таким образом, получается, что ток, протекающий через заземляющий реактор, разветвляется поровну в три ветви, образованные обмотками фаз и проводами системы, или, если система однофазная, в две ветви. На первый взгляд это положение может показаться не вполне согласующимся с тем, что было найдено в начале этого параграфа. В качестве примера рассмотрим представленный на рис. 113 простой случай. Слева на рисунке показан генератор, питающий однофазную линию с открытым концом. Взаимными емкостями между проводами пренебрегаем. Поврежденная фаза не имеет напряжения по отношению к земле и по ней не протекает ток. Полный ток реактора проходит по другой фазе. Кажущееся противоречие с приведенным выше положением о распределении тока устраняется при соответствующем разделении тока, а именно при отделении зарядного тока нормального режима от дополнительной составляющей, созданной замыканием на землю, как это указано на рис. 113 справа. Теперь становится очевидным, что наличие реактора вызывает появление тока нулевой последовательности, одинакового во всех фазах. Сложение прямой и нулевой составляющих (рис. ИЗ) ведет к исчезновению емкостного тока поврежденной фазы и в тоже время к увеличению до полного значения тока в неповрежденной фазе (или фазах). Таким же образом был найден однофазный ток на рис. 19, где та же задача ставилась для системы с незаземленной нейтралью. Итак, можно сделать вывод, что в системах, снабженных дугогасящими аппаратами, генераторы избавлены от однофазной нагрузки, вызываемой токами замыкания на землю.
Более полный анализ распределения тока получается при использовании схемы замещения типа показанной на рис. 23.
Если дугогасящее устройство настроено в соответствии с выражением (77), то результирующее сопротивление нулевой последовательности схемы на рис. 23,в настолько велико, что можно пренебречь сопротивлениями прямой и обратной последовательностей при рассмотрении замыканий на землю. Схема на рис. 23 воспроизведена на рис. 114 с реактивными сопротивлениями ωLe, представляющими здесь сопротивления Zе заземления нейтралей.


Рис. 114. Схема нулевой последовательности системы с резонансным заземлением.

На схеме величина сопротивления, отнесенного к фазе, равна 3ωLе, так как три таких реактора с сопротивлением в Lе каждый и током одной фазы в каждом из них могут быть замещены их параллельной комбинацией, включенной между нейтралью и землей. Сопротивления нулевой последовательности трансформаторов, нейтрали которых заземлены через реакторы, обозначены Ζ0Т. Порядок величин Z0Т был рассмотрен в § 8 гл. 2, а порядок величин сопротивления, изображающих различные участки линий, —в § 7 той же главы.
Переходное сопротивление в месте замыкания 3Ζ, отнесенное к фазе, показано присоединенным в точке повреждения, однако ток в месте замыкания на схеме замещения отсутствует, так как предполагается, что емкости и индуктивности в схеме замещения нулевой последовательности точно настроены и что ни один элемент схемы не дает потерь энергии. Мы можем утверждать, что неизбежно имеющиеся потери энергии, даже в системе с совершенной настройкой, приведут к появлению остаточного тока в месте замыкания, протекающего по схеме нулевой последовательности и далее по схемам двух других последовательностей, как указано на рис. 23.
Остаточный ток, связанный с потерями энергии, не является единственным током, проходящим через место повреждения. Кроме токов высших гармонических, которые явятся предметом последующих рассмотрений (см. § 1 гл. 6), мы должны ожидать также реактивных токов основной частоты. Только в редких случаях составляющие нулевой последовательности, проходящие через реактор, точно компенсируют емкостный ток. Как правило, условие настройки (77) не осуществляется точно.


Рис. 115. Система с резонансным заземлением. Распределение остаточного тока при точной настройке.

Здесь можно ввести термин "перекомпенсация" для случая, когда индуктивная составляющая превышает емкостный ток, и «недокомпенсация», указывающий на то, что остаточный ток имеет емкостный характер. В обоих случаях через место замыкания будет протекать сравнительно небольшой ток, определяемый разностью двух составляющих. Для расчета остаточного тока, как отмечалось ранее, требуется полная схема замещения, подобная приведенной на рис. 23.
То обстоятельство, что остаточный ток проходит по схемам прямой и обратной последовательностей, должно учитываться при определении однофазной нагрузки источника (рис. 115).
Реактивная составляющая остаточного тока в месте замыкания определяется как
(78)
Обычно связывают остаточный ток в месте повреждения с емкостным током замыкания  и определяют отклонения от точной настройки в процентах по выражению
(78а)
Если уравнение (77,б) удовлетворено точно, то δ становится равным нулю. Для эффективной работы дугогасящих устройств не требуется точная настройка. При отклонении в значительных пределах в ту или иную сторону не происходит ощутимого снижения эффективности устройства по сравнению со случаем точной настройки. При любой точности настройки остается активная составляющая тока из-за потерь энергии. Реактивная составляющая остаточного тока суммируется с ней геометрически. Следовательно, при точной компенсации емкостного тока получается минимум тока в месте повреждения. Если построить зависимость остаточного тока в месте замыкания в функции от тока, протекающего через реактор, то получим V-образную кривую с явным минимумом; эта зависимость будет рассмотрена ниже (см. рис. 135). Допустимое отклонение от точной настройки лежит в пределах 10—25% и зависит от размеров сети и ее номинального напряжения (см. § 4 этой главы).

3. РАБОТА СИСТЕМЫ С УСТОЙЧИВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ НА ЗЕМЛЮ

Преимущества системы, могущей работать с устойчивым замыканием на землю, очевидны. Передача энергии по линии может продолжаться и после повреждения в течение некоторого времени, необходимого для перевода потребителей на резервное питание. Компенсация тока в месте замыкания устраняет препятствия к проведению такой процедуры. Генераторы остаются свободными от несимметричной нагрузки, заземлившийся провод защищен от опасности повреждения из-за выгорания, опасность для жизни уменьшена до минимума, а влияние на соседние линии связи незначительно. Практика показывает, что при выполнении этих условий работа с устойчивым замыканием на землю может продолжаться несколько часов.
В разных странах со стороны тех, кто не связан тесно с эксплуатацией систем, выдвигались возражения, идея которых состояла в том, что напряженности, возникающие на неповрежденных фазах во время устойчивого замыкания на землю, оказывают значительное воздействие на изоляцию, снижая степень надежности; кроме того, предполагают, что длительное и частое воздействие таких напряженностей может постепенно снизить прочность изоляции. Что касается степени надежности, то мы уже анализировали способность различных изоляционных устройств противостоять таким напряженностям.
Из того что было сказано в § 10. 4. 1. гл. 2, можно напомнить вывод о необходимости при правильном рассмотрении проблемы учета фактора времени. Полное суммарное время таких режимов не превышает нескольких часов в год. Типичный пример из опыта эксплуатации системы 110  кВ был уже приведен в§ 1. 5 гл. 3. В табл. 6, приведенной в § 10. 4. 1 гл. 2, составленной на основании опыта эксплуатации, приведены данные, свидетельствующие о том, что устойчивое замыкание на земле — довольно редкое явление, а подавляющее большинство всех замыканий вообще носит преходящий характер. Устойчивые замыкания бывают главным образом между фазами и ликвидируются действием выключателей. Возможно, что наиболее правильно оставить на усмотрение инженеров эксплуатации решение вопроса о том, когда допустимо продолжать работу с замыканием одной фазы на землю.
Нахождение устойчивого замыкания на землю, а также принятие мер по устранению его без перерыва в снабжении потребителей являются делом 1 или 2 ч.
По поводу таблицы, на которую делались ссылки, следует заметить, что она содержит сведения (часть которых опубликована), полученные различными компаниями, эксплуатирующими высоковольтные сети, снабженные дугогасящими устройствами и базирующиеся на опыте их эксплуатации в течение ряда лет.
Ни в одной компании не используются устройства для ограничения времени работы с устойчивым замыканием на землю.