Дугогасящая катушка была изображена как устройство для гашения дуги и ограничения перенапряжений, возникающих при дуговых замыканиях на землю. Эта первоначальная точка зрения в настоящее время потеряла свое значение. Резонансное заземление нейтрали применяется благодаря другим своим эксплуатационным преимуществам. Действительно, не доказано, что при дуговых замыканиях на землю возникают опасные перенапряжения (см. § 11.2.2 гл. 2 и § 4.5 и 4.7 гл. 3). Однако несомненно, что дугогасящая катушка исключает возможность возникновения перенапряжения этого рода. Теперь следует выяснить, как дугогасящая катушка влияет на другие виды перенапряжений.
Перенапряжения основной частоты
Возрастание напряжения здоровых фаз при замыканиях на землю до 1,73 фазного напряжения не может рассматриваться как перенапряжение. Вопрос этот был рассмотрен в § 10 гл. 2.
Так называемые резонансные явления, вызываемые емкостным небалансом и другими причинами, были рассмотрены в § 4 этой главы. где показано, что даже в крайних случаях они не вызывают перекрытий в системе.
В системах с изолированной нейтралью распределение напряжения при замыкании на землю изменяется вдоль системы, вызывая протекание емкостного тока замыкания на землю через распределенные или сосредоточенные индуктивности (см. § 10.10 гл. 2). Резонансное заземление снижает емкостный ток замыкания на землю до очень малых величин и, таким образом, исключает его влияние. Отмечалось (Л. 27], что особого внимания требуют системы с большим отношением емкостной мощности замыкания на землю к мощности короткого замыкания (последняя определяется величиной реактивного сопротивления короткого замыкания). Однако даже в случае системы 220 кВ условия, при которых возможно увеличение напряжения в месте замыкания до 1,2 линейного напряжения, представляются искусственными. (Мощность короткого замыкания— не более 300 Мва, нескомпенсированная длина линии —145 км.) Относительно двойного небаланса, вызываемого сочетанием замыкания на землю и обрыва провода, читатель может справиться в § 10.10.2 гл. 2.
Коммутационные перенапряжения
Существенные перенапряжения связаны с отключением токов намагничивания трансформаторов и холостых линий. В системе с дугогасящей катушкой специальную проблему представляет отключение двухфазного замыкания на землю.
В § 11.4 гл. 2 были приведены экспериментальные данные, показывающие, что величины коммутационных перенапряжений не зависят существенно от способа заземления нейтрали. Однако иногда считают, что глухое заземление нейтрали имеет некоторые преимущества при отключении холостых линий.
Отключение токов намагничивания
В определенных типах выключателей дугогасящие устройства действуют даже при малых токах и стремятся прервать ток до перехода его через нуль. Энергия, запасенная в магнитной цепи отключаемого трансформатора, переходит в электрическую энергию относительно малой емкости вводов трансформатора и соединительных проводов (рис. 251,а). Колебания средней частоты возникают между этой емкостью и индуктивностью трансформатора.
Дугогасящая катушка, присоединенная к нейтрали, не принимает участия в переходном процессе, во-первых, потому, что через нее не протекает ток и она не содержит запасенной энергии, во-вторых, потому, что колебания симметричны относительно нейтральной точки.
Предполагаемый максимум напряжения в переходном колебательном процессе часто настолько велик, что происходит повторное зажигание дуги в выключателе на возрастающей полуволне переходного напряжения (точка Р, рис. 251,б). При этом максимальное напряжение определяется мгновенной диэлектрической прочностью промежутка выключателя. При пробое промежутка емкость колебательного контура разряжается через образующуюся дугу. Сильно задемпфированная высокочастотная составляющая, обусловленная разрядом емкости, приводит к тому, что ток в дуге вскоре снова проходит через нуль, дуга опять гаснет и цикл повторяется, обусловливая целую серию пикообразных импульсов, показанных на рис. 251,б.
При переходном колебательном процессе L, С при каждом разряде емкости теряется энергия; процесс прекращается, когда не достигается величина напряжения, способного пробить промежуток выключателя.
Рис. 251. Обрыв тока намагничивания.
а — эквивалентная схема; б — ток через индуктивность и напряжение на индуктивности при повторных зажиганиях дуги.
Отсюда следует, что прочность промежутка определяет величину перенапряжений и что наибольшее напряжение имеет место со стороны трансформатора, где переходное напряжение складывается с напряжением источника (рис. 251,б). Сама система перенапряжениям не подвергается. Из анализа механизма образования перенапряжений следует, что способ заземления нейтрали не может влиять на этот вид перенапряжений.
Воздействие волн на изоляцию заземляющих устройств
С первого взгляда может показаться, что глухое заземление нейтрали обеспечивает снижение перенапряжений на нейтрали или около нее. Однако это не очевидно, и требуется анализ воздействия импульсных волн на изоляцию нейтрали. Так как воздействие волн, возникающих при однофазных замыканиях на землю, было разобрано в § 22 гл. 3, то ниже мы обратимся к другим видам падающих волн при различных способах заземления нейтрали.
Рис. 258. Начальное и конечное распределения напряжения, а также огибающая максимальных потенциалов при воздействии импульсной волны на обмотку трансформатора с заземленной нейтралью.
Рис. 259. Начальное и конечное распределения напряжения и огибающая максимальных потенциалов при воздействии импульсной волны на обмотку трансформатора с изолированной нейтралью.
На рис. 258 и 259 кривые А представляют собой начальное (т. е. емкостное) распределение напряжения при падении на трансформатор с глухо заземленной и изолированной нейтралами волны с крутым фронтом. Рис. 259 соответствует первой части графика А на рис. 85, который относится к случаю изолированной нейтрали; он применим и к случаю заземления нейтрали через большое реактивное сопротивление без защитных шунтов. Разница между кривыми распределения напряжения на рис. 258 и 259 очень мала. Если волны одинаковых полярности и амплитуды падают по трем фазам одновременно, то распределение напряжения при заземленной нейтрали остается неизменным, в то время как небольшое напряжение на изолированной нейтрали утраивается. Этот случай иллюстрируется кривой А на рис. 259, который построен без соблюдения масштаба. В действительности, как это будет показано ниже, амплитуда волны, движущейся по трем фазам одновременно, составляет всего около половины волны, приходящей по одной фазе.
Прямая линия Е дает конечное распределение напряжения для бесконечно длинной волны, которое определяется индуктивностью трансформатора (мы пренебрегаем постепенным смещением линии Е, которое рассматривалось в предыдущей главе).
Гиперболическое начальное распределения напряжения А переходит в конечное распределение напряжения Е путем свободных колебаний. Каждая точка обмотки колеблется около ее конечного потенциала, и кривая В дает идеализированную огибающую максимальных потенциалов, достаточно правильно отражающую характерные черты явления.
Преимущества глухого заземления нейтрали в значительной мере теряются благодаря большим напряженностям поля вблизи нейтрали, поэтому изоляция нейтрали требует внимания при любом способе ее заземления. У больших трансформаторов, работающих с заземленной нейтралью, применяются выравнивающие устройства (нерезонирующие трансформаторы), обеспечивающие равномерное распределение потенциала вдоль обмоток. В этих трансформаторах обмотки устроены таким образом, что начальное распределение А3ф и конечное распределение Е примерно совпадают. Если подобного рода меры приняты, то разница между случаями глухо заземленной и изолированной нейтралей незначительна лишь при падении волны по одной фазе (прямой удар молнии). При падении волн по трем проводам одновременно нерезонирующие трансформаторы сохраняют свои преимущества, в то время как трансформаторы с незаземленной нейтралью подвержены колебаниям. Возникновение этих колебаний вызвано наличием значительной емкости секций обмотки, примыкающих к нейтрали. Влияние этой емкости заключается в том, что она обусловливает начальное распределение напряжения, которое хотя выпрямлено по сравнению с кривой А3ф (рис. 259), все же ниже кривой конечного распределения. Равномерное распределение напряжения поддерживается в течение всего переходного процесса колебаний в обмотке.
Испытания показывают, что при падении волн одновременно по трем фазам (индуктированные волны) их амплитуда не превышает 50% амплитуды волны, образующейся при прямом ударе молнии. Поэтому на рис. 259 ординаты графиков, обозначенных индексом 3, должны быть применительно к практическим условиям уменьшены вдвое. Приняв это во внимание, мы можем сделать следующие выводы:
Обыкновенные трансформаторы: глухое заземление нейтрали приводит к увеличению напряженностей на изоляции около нейтральной точки, которые могут иметь особое значение в случае применения градированной изоляции.
Незаземленная нейтраль нуждается в таком же уровне изоляции, как и вводы трансформатора, так как половина значений кривой В3ф, (рис. 259) имеет тот же самый порядок, что и В.
Нерезонирующие трансформаторы: глухое заземление нейтрали дает возможность применить градированную изоляцию. Незаземленная нейтраль требует такого же уровня главной изоляции, как и на вводах трансформатора, так как здесь колебания нейтрали возможны при индуктированных волнах.
Волны напряжения на нейтрали трансформатора определяют также перенапряжения на присоединенных к нейтрали шинах, изоляторах и коммутационной аппаратуре.
Перенапряжения на обмотке дугогасящей катушки, возникающие вследствие воздействия атмосферных волн, анализировались экспериментально; ниже приводятся некоторые характерные результаты испытаний. Проектировщику требуются сведения о перенапряжениях в слабых местах, особенно на переключателях отпаек. Проходя через обмотку трансформатора, импульсные волны приобретают колебательный характер, однако о частоте этих колебаний ничего общего сказать нельзя. Перекрытие на нейтрали эквивалентно воздействию волны напряжения с крутым фронтом. В проектных работах можно основываться на распределении напряжения, полученном при стандартной волне. Описываемые эксперименты относятся к волне 0,5/50 мксек. Были исследованы две конструкции: одна — с дисковыми катушками, другая — со слоевой обмоткой; последняя была выполнена нерезонирующего типа.
Реактор, собранный из дисковых катушек, содержал их 120 шт.; каждая катушка имела 2 004 витка, разделенных поровну между двумя стержнями сердечника. Обмотка имела 12 отпаек, следующих через 400 витков, которые были расположены иа стержне, не имевшем воздушных зазоров. Конструкция аналогична приведенной на рис. 290,а. Реактор испытывался импульсами с полностью введенными и выведенными отпайками и всегда при электрически присоединенных неиспользованных отпайках. В обоих случаях напряжение любой отпайки на землю не превышало 100% приложенного напряжения.
Что касается напряжения между катушками, то примерно 100% приложенного импульса появляется на секции с отпайками. Напряжение между отпайками необходимо при проектировании переключателей отпаек. Было найдено, что оно не превышает 90% приложенного импульса. Что касается напряжения между катушками в случае, когда регулировочная часть обмотки представляла собой холостой конец основной обмотки, оно составляет около 70% всего напряжения на регулировочной части обмотки. Из всего этого можно сделать вывод, что продольная изоляция регулировочной секции и между соответствующими концами двух секций должна иметь уровень импульсной прочности не меньший, чем у высоковольтных вводов.
В противоположность этому распределение напряжения реактора со слоевой обмоткой, приведенное на рис. 260, представляет собой прямую линию независимо от того, используются ли всей отпайки или нет. Исследуемый реактор 218 кВА предназначался для системы 33 кВ, 50 гц.
Каждый сердечник имел четыре катушки, в каждой по шесть слоев, соединенных, как показано на рис. 260,а.
Полное число витков 5 720, половина их снабжена отпайками. (В катушке этого типа число отпаек выбрано с запасом.) Рис. 260,б и в относятся к числам витков 2 860 и 3 840.
