Подавляющее большинство замыканий на землю в системах с резонансным заземлением нейтрали быстро подавляются и поэтому не требуют автоматического отключения. Это весьма благоприятное обстоятельство, так как в системах с резонансным заземлением нейтрали весьма трудно определить место замыкания на землю. Что касается тока замыкания, то его величина в месте повреждения существенно снижается, а его фаза (опережающая или отстающая) не может быть предсказана заранее. С другой стороны, распределение напряжения при замыкании на землю практически одинаково во всей системе и не дает простых и надежных критериев для обнаружения места повреждения. Это было замечено самим Петерсеном, который предложил использовать активную составляющую остаточного тока как средство для обнаружения. Ситуация с тех пор не изменилась. Тот факт, что малая по величине составляющая тока должна быть выделена в системе, в которой течет гораздо больший ток нагрузки, остался слабым пунктом метода заземления нейтрали, со всех других сторон привлекательного и успешного.
Обнаружение наличия замыкания на землю
Очевидный метод наблюдения за изоляцией системы относительно земли заключается в измерении или записи напряжения нейтрали, или тока в нейтрали, или напряжения относительно земли всех трех фаз. Однако эти измерения не помогают обнаружить место замыкания на землю. Для обнаружения существования замыкания на землю может быть применено следующее оборудование:
а) трансформатор напряжения нейтрали вместе с устройством для указания или записи напряжения или релейным устройством, действующим на сигнал; для этой цели может также быть использована вспомогательная обмотка дугогасящей катушки;
б) трансформатор тока на заземленной стороне дугогасящей катушки, снабженный амперметром (желательно записывающим);
в) три однофазных трансформатора напряжения, включенных между фазами и землей, или один трехфазный пятистержневой трансформатор, питающий три вольтметра, измеряющие напряжение относительно земли; кроме того, может применяться обмотка, соединенная в открытый треугольник, или вспомогательная обмотка на четвертом и пятой стержнях, включенные на сигнал.
Примеры таких цепей изображены на рис. 272.
Если вместо пофазных вольтметров выбраны индикаторные пофазные реле, должны быть приняты меры для предотвращения ложных показаний. Уменьшение до нуля напряжения в поврежденной фазе не должно быть единственным указанием наличия замыкания; оно непременно должно сопровождаться ростом напряжения на двух остальных фазах. Это условие может быть выполнено при соответствующем последовательном соединении контактов.
Быстродействующее обнаружение перемежающеюся замыкания на землю
Есть вероятность, что быстро погашенная дуга замыкания на землю зажигается в том же месте снова, часто даже при отсутствии очевидных внешних причин, таких, как, например, гроза. Это является признаком ослабления изоляции или начальной стадии постепенно развивающегося повреждения. Эксплуатационный персонал заинтересован в получении информации о действительном месте повреждения, чтобы иметь возможность предотвратить более серьезную аварию. Может быть предложено быстродействующее реле для обнаружения замыкания малой длительности, действующее на принципе динамометрического ваттметра. Так как создание селективных выдержек времени в данном случае едва ли возможно, оно действует только на сигнал.
Вред от случайного неправильного срабатывания этого чувствительного реле невелик, но следует помнить, что чем быстрее действие, тем больше влияние различных мешающих факторов. Как будет показано в § 14.3.1, активная составляющая тока замыкания не является единственным током нулевой последовательности, текущим в системе. В действительности реактивная составляющая много больше независимо от того, настроена ли система точно в резонанс или нет. Наличие этой реактивной составляющей приводит к тому, что вращающий момент прибора, в среднем положительный, может быть отрицательным в какую-то часть каждого периода. Поэтому время, меньшее двух полупериодов, может оказаться недостаточным для срабатывания прибора. Кроме того, апериодическая составляющая переходного тока (см. § 5 гл. 5) обусловливает вращающий момент, продолжающийся несколько полупериодов; при этом знак тока зависит от момента замыкания на землю. Благодаря этому действие реле может быть задержано до тех пор, пока апериодическая составляющая не затухает.
Есть другой фактор, создающий возможность еще большей задержки. Предположим, что дуга была погашена при первом же проходе тока через нуль. Напряжение смещения нейтрали и реактивный ток не исчезнут, а продолжатся в форме собственных колебаний (восстанавливающееся напряжение, см. § 1 гл. 5). Энергия колеблется между магнитным и электрическим полями; активные потери покрываются постепенным уменьшением энергии колебаний. В течение переходного процесса направление потока активной мощности, если отвлечься от его колебательного характера, не зависит от места замыкания. Показания реле в это время не дают ясной картины явления. Для тою чтобы избежать этого осложнения, время действия реле и, следовательно, минимальная продолжительность замыкания должны превосходить продолжительность переходного процесса с достаточным запасом. В этой связи нужно напомнить, что смещение нейтрали может быть следствием временной емкостной асимметрии (неодновременное отключение) и необязательно происходит от замыкания на землю.
Как разновидность средств обнаружения перемежающегося короткого замыкания на землю могут быть предложены приборы, приводимые в действие бегущими волнами [Л. 50]. Такие приспособления, способные обнаруживать место замыкания на землю в линиях электропередачи, описаны в работах Бониевильского энергетического управления [Л. 51 и 52]. Они используют разрядные волны, возникающие в месте замыкания. В первом варианте прибора волна или, точнее, ее крутой фронт регистрировались на станции, где установлен прибор и откуда бегущая волна отражается обратно в линию. В месте замыкания происходит новое отражение, и волна вновь бежит по направлению к станции.
Интервал времени между первым и вторым приходами волны фиксируется. Первая волна запускает горизонтальную развертку осциллоскопа. Процесс фиксируется в форме короткого всплеска, за которым следует второй всплеск, отстоящий от первого по горизонтали на расстояние, пропорциональное расстоянию между станцией и местом аварии.
Существуют, однако, другие пики; один из них, в частности, обусловлен отражением от дальнего конца линии, от которого волна отражается в направлении записывающей станции, возвращаясь частично как наведенная в здоровых фазах, частично распространяясь по поврежденной фазе, так как сопротивление на землю в месте замыкания недостаточно низко. Так как всплески одинаковы по форме, картина требует расшифровки. Расстояние до места замыкания может быть измерено непосредственно на экране с помощью калибровочных импульсов. Явление однократно; оно фотографируется кинокамерой с постоянно открытым объективом. Новый кадр ставится каждый час или после экспозиции. Опыт эксплуатации прибора показал, что импульсы помех также фиксируются на пленке, что проявление пленки приводит к нежелательной задержке в расшифровке записи и, кроме того, от персонала требуется некоторый опыт.
Усовершенствованный локатор не. имеет ряда перечисленных недостатков. Индикатор, расположенный на одной из станций, отпирается приходящей волной, которая запускает электронный счетчик. На подстанции, находящейся по другую сторону от места замыкания, расположен детектор, который при приходе волны на отдаленный конец посылает радиосигнал. Как только сигнал получается индикатором, действие электронного счетчика прекращается. Поскольку время, требуемое для прохождения радиосигнала от передатчика, установленного на приемном конце, до приемника постоянно, то счетчик может быть прокалиброван по расстоянию до места замыкания. Показание должно быть записано, а прибор — возвращен в исходное положение. Индикатор и прибор на удаленном конце необязательно должны быть установлены на соседних станциях. Проявления и расшифровки фотографических пленок не требуется, и отсутствуют помехи, связанные с многократными отражениями. Однако остается возможность ошибки, связанная с появлением импульсов при разрядах молнии или коммутационных операциях. Кроме того, стоимость этого оборудования довольно велика.
Следует заметить, что фронт крутой волны распространяется со скоростью света и не подвержен запаздыванию, которое в соответствии с многоскоростной теорией наблюдается на хвосте волны.
Волны, образующиеся в месте замыкания, требуют приборов, работающих в широком диапазоне амплитуд. Эта трудность и возможность срабатывания от посторонних импульсов могут быть преодолены с помощью еще одного типа локаторов перемежающихся замыканий, хотя и ценой введения короткой временной задержки. При возникновении однофазного замыкания приходит в действие фазоизбирательное реле, присоединяя локатор через конденсаторы связи к поврежденной фазе или фазам. Это занимает 2—2,5 периода от начала аварии. Затем посылается единичный зондирующий импульс с амплитудой 10 кВ; одновременно запускается измеритель времени, и полученный импульс накладывается на посланный. Время, протекшее до возвращения посланного импульса, фиксируется. Получение ярко выраженного отражения облегчается посылкой импульса только в одну фазу, а именно в ту, в которой имеется замыкание.
Аппараты, аналогичные только что описанному, были разработаны Гидроэлектрической комиссией Онтарио и употребляли короткие волны, содержащие около 10 периодов частотой 250 кгц.
Поскольку техника измерений еще не установилась, этих заметок будет достаточно для характеристики современных тенденций.
