Материал: Лабораторная работа №1 - 2018
Рис. 8. Перемежающиеся дуговые замыкания в соответствии с гипотезой Петерса и Слепяна
К моменту погасания дуги свободные колебания затухают и для рас-
смотренного на рис. 8 случая смещение нейтрали составляет |
|
|||||
UN tг,n |
U A tг,n UB tг,n UC tг,n |
|
|
|||
|
3 |
|
(20) |
|||
|
|
|
|
|
||
|
0 1,5Uфm |
1,5Uфm |
|
|
||
|
Uфm. |
|
|
|||
|
3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя (20) в |
(16), и учитывая, что EA tз,n Uфm и |
|||||
EB tз,n 0,5Uфm , получим
Umax 1,5Uфm Uфm Uфm 1 k 1 d 1,5Uфm 2Uфm 1 k 1 d . (21)
Для случая k = 0,2 и d = 0,1 формула (21) дает Umax 2,94Uфm .
Гипотеза Белякова
Эксперименты с дуговыми замыканиям в действующих сетях, проведенные Н.Н. Беляковым в 1950-х годах, позволили построить более физически обоснованную гипотезу. Экспериментально было установлено, что пик гашения в поврежденной фазе не превышает значения (0,23–0,37)Uфm. Отсутствие в экспериментальных осциллограммах больших пиков гашения физически объясняется тем, что им соответствуют большие скорости перехода высокочастотного тока через ноль, при которых дуга не успевает гаснуть.
13
Принимая с запасом Uп.г. = 0,4Uфm с помощью формулы (14) можно
установить максимально возможное смещение нейтрали: |
|
UN 0,5Uп.г. EA tг1 0,2Uфm EA tг1 . |
(22) |
Полагая EA tг1 Uфm , получим оценку максимально |
возможного |
смещения нейтрали |
|
UN max 1,2Uфm . |
(23) |
Подставляя (23) в (16), и принимая, что замыкания происходят в мо- |
|
мент максимума напряжения промышленной частоты, получим |
|
Umax 1,5Uфm 2,2Uфm 1 k 1 d . |
(24) |
Для случая k = 0,2 и d = 0,1 формула (24) дает Umax 3,08Uфm .
Рис. 9. Перемежающиеся дуговые замыкания в соответствии с гипотезой Белякова
Характерные осциллограммы процесса дуговых ОЗЗ по гипотезе Н.Н. Белякова показаны на рис. 9. Видно, что ток дуги гаснет не при первом его переходе через нулевое значение, что вызвано условием Uп.г. ≤ 0,4
Uфm.
Зажигания дуги на рис. 9 происходят в моменты времени, соответствующие максимумам напряжения промышленной частоты. Можно показать, что наибольшие перенапряжения по гипотезе Белякова возникают при замыканиях в более ранние моменты. Установить эти моменты времени – одно из заданий лабораторной работы.
14
Способы подавления перенапряжений при перемежающихся дуговых замыканиях
Как было установлено, наибольшие перенапряжения при ОЗЗ возникают в случае, если они носят перемежающийся характер. Уровень перенапряжений зависит не только от характера дугового замыкания, но и параметров сети. Так, в сетях, выполненных из кабелей однофазного исполнения, междуфазные емкости близки к нулю (k = 0), и при d = 0,1 гипотеза Белякова дает по формуле (24) Umax 3,5Uфm. Перенапряжения такой крат-
ности нежелательны по двум причинам. Для внутренней изоляции многократное воздействие таких перенапряжений создает предпосылки для снижения длительной электрической прочности, вызывая ее ускоренное старение. Вторая причина связана с состоянием внешней изоляции длительно эксплуатируемых сетей. Во внешней изоляции накапливаются дефекты (экстремальное загрязнение поверхности изоляторов, трещины в фарфоровых покрышках и т.д.), также приводящие к снижению электрической прочности. Как следствие, в процессе перемежающихся ОЗЗ в одной фазе возможны пробои и перекрытия изоляции соседних фаз, что приводит к двухфазным многоместным коротким замыканиям. В результате возникают перерывы электроснабжения и происходит ускоренное срабатывание ресурса выключателей, что приводит к снижению общей надежности сети.
Ситуация осложняется тем, что применение ОПН для ограничения перенапряжений при дуговых ОЗЗ практически невозможно. ОПН – аппарат, предназначенный для ограничения кратковременных воздействий, а перемежающиеся дуговые ОЗЗ могут существовать длительно.
Уровень ограничения коммутационных перенапряжений для современных ОПН составляет 2,2 – 2,5 UнрОПН, где UнрОПН – наибольшее дли-
тельно допустимое рабочее напряжение аппарата, поэтому ограничение будет происходит при кратностях перенапряжений, превышающих
k |
U |
ост |
|
2,2 – 2,5 UнрОПН |
. |
||
Uнрсети |
2 / 3 |
Uнрсети |
2 / 3 |
||||
|
|
|
|||||
Если принять UнрОПН Uнрсети, то уровень ограничения перенапряжений
составит (2,7–3,1)Uфm. Как следствие, ОПН будет ограничивать перенапряжения почти при каждом ОЗЗ. На рис. 10 показана осциллограмма фазных напряжений, токов и энергий в ОПН. Видно, что при повторных зажиганиях дуги ОПН пропускает через себя импульс тока, поглощая при этом энергию порядка 0,5 кДж. С учетом того, что постоянная времени остывания ОПН весьма велика (десятки минут), ОПН быстро разогревается и выходит из строя.
15
Рис. 10. Перемежающиеся дуговые замыкания по гипотезе Петерса и Слепяна при ограничении перенапряжений с помощью ОПН
Получается, что применять ОПН для ограничения рассматриваемых перенапряжений нельзя. Более того, ОПН должен быть отстроен от коммутационных перенапря-
жений путем завышения его вольтамперной характеристики так, чтобы ограничивать только грозовые перенапряжения. Эта концепция заложена, например, в аппараты производства компании «Таврида Электрик».
Причиной повышенного уровня перенапряжений при перемежающихся дуговых ОЗЗ является смещение нейтрали, возникающее при погасании дуги и существующее доста-
точно длительно. Поэтому снизить уровень перенапряжений можно, обеспечив быстрый разряд емкостей сети в контуре нулевой последовательности. При изолированной нейтрали этот контур разомкнут, и фазные емко-
16
сти разряжаются только через активные проводимости сети на землю. Если установить в нейтраль сети высокоомный резистор (рис. 11), то можно обеспечить разряд емкостей за необходимое время. Междуфазные емкости на схеме рис. 11 не показаны, так как они в схеме нулевой последовательности всегда находятся под нулевым напряжением.
Постоянная времени разряда фазных емкостей τ = 3RNCф. Полагая, что
нейтраль |
полностью |
разряжается за время 3τ, установим требование |
||||
3τ 0,5T |
|
π |
, |
где T |
|
0,02 с – период промышленной частоты. Тогда, |
ω |
|
|||||
50 |
|
|
50 |
|
||
необходимое значение активного сопротивления резистора в нейтрали составит:
|
|
|
|
|
R |
|
|
π |
. |
|
|
|
(25) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
N |
|
9ωC |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
Ток резистора в установившемся режиме ОЗЗ составляет |
|
||||||||||||
I |
R |
|
Uф |
|
9ωCфUф |
3ωC U |
I |
C |
, |
(26) |
|||
|
|
||||||||||||
|
|
RN |
π |
|
|
ф ф |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
поэтому условие для выбора резистора часто формулируют так: IR IC .
Применение резистора, выбранного по этому критерию, приведет к тому, что перемежающиеся дуговые ОЗЗ будут создавать такие же перенапряжения, как и одиночные замыкания, т.е. (2,2–2,5)Uфm. Однако при этом возрастает ток ОЗЗ. К емкостной составляющей тока ОЗЗ добавляется ток резистора
Iз |
IС2 IR2 |
2IС . |
(27) |
Для сетей со значительными емкостными токами порядка 10 А, такое увеличение нежелательно. Поэтому применение высокоомного резистивного заземления нейтрали целесообразно в сетях с емкостными токами, не превышающими несколько ампер, т.е. преимущественно в воздушных сетях и в кабельных сетях малой протяженности.
Альтернативным способом влияния на напряжение нейтрали и, следовательно, на уровень перенапряжений при ОЗЗ, является заземление нейтрали через дугогасящий реактор. Это – предмет лабораторной работы
№2.
17