Материал: Лабораторная работа №2

Как видно из табл. 1, при действующих нормах на несинусоидальность напряжения вклад гармоник в остаточный ток ОЗЗ может быть весьма большим. Для распределительных сетей, где основным источником гармоник являются силовые трансформаторы, основной вклад вносят 5-я и 7-я гармоники. В сетях промышленных предприятий могут преобладать 11-я и 13-я гармоники. При высоком уровне высших гармоник в токе ОЗЗ применение ДГР может не обеспечивать выполнение требований электробезопасности. Это необходимо учитывать при проектировании новых и реконструкции действующих электрических сетей.

Работа ДГР в режиме дуговых ОЗЗ. Ограничение скорости восстановления напряжения на дуговом промежутке

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие однофазное замыкание на землю в сети с ДГР. Начальная стадия процесса при возникновении ОЗЗ протекает практически так же, как и в сети с изолированной нейтралью. Это объясняется тем, что индуктивность настроенного ДГР намного выше фазных индуктивностей сети и оказывает большое сопротивление высокочастотным токам. Поэтому, несмотря на наличие в сети ДГР, возникновение одиночного ОЗЗ приводит к появлению перенапряжений с наибольшей кратностью 2,2–2,5, как и в сети с изолированной нейтралью. Кратность этих перенапряжений зависит от соотношения фазных и междуфазных емкостей сети и от ее добротности.

Погасание дуги может произойти как при переходе через нулевое значение высокочастотного тока переходного процесса, так и в соответствии с гипотезой Петерса и Слепяна – при первом переходе через нулевое значение тока промышленной частоты. Рассмотрим последний случай более подробно.

В момент погасания дуги tг напряжение на нейтрали сети UN оказывается равным взятой с обратным знаком ЭДС поврежденной фазы (рис. 4). Это объясняется тем, что к моменту tг высокочастотный переходный процесс успевает затухнуть, и на нейтрали устанавливается напряжение, про-

6

тивофазное ЭДС поврежденной фазы EA. За счет наличия в КНПС реактора, фазные емкости сети начинают разряжаться через него с частотой, равной (при идеальной настройке ДГР) частоте сети, при этом собственные колебания КНПС оказываются в противофазе фазному напряжению сети. Если бы в КНПС отсутствовали потери, то напряжение на поврежденной фазе после погасания дуги оставалось бы равным нулю. Однако наличие потерь приводит к затуханию колебаний, в результате чего напряжение на поврежденной фазе медленно восстанавливается.

Рис. 4. Восстановление напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги ОЗЗ при переходе тока промышленной частоты через нулевое значение (идеальная настройка ДГР)

Такой характер восстановления напряжения весьма благоприятен с точки зрения восстановления электрической прочности поврежденного участка изоляции. Для изоляции, обладающей свойством полного или частичного самовосстановления (газовая изоляция, комбинированная изоляция, имеющая в основе жидкие диэлектрики), чем медленнее восстанавливается напряжение, тем выше вероятность «самозалечивания» за время восстановления, и тем ниже вероятность повторного зажигания дуги. Т.е.

одна из задач, решаемых ДГР, – повышение вероятности восстановления нормального режима работы сети без отключения поврежденного присоединения.

Если же повторные зажигания дуги будут происходить, то точная настройка позволяет значительно увеличить интервал времени между ними. Каждое зажигание дуги создает в сети импульсное перенапряжение и приводит к выделению энергии в месте повреждения – к его разогреву. Поэтому, сокращение числа таких воздействий желательно по соображениям повышения общей надежности сети.

Оценим возможные значения интервалов времени между повторными зажиганиями дуги. Математически, напряжение на поврежденной фазе после погасания дуги можно записать так:

7

При идеальной настройке ω0 = ω, и напряжение на поврежденной фазе восстанавливается (рис. 4) до значения Uфm с огибающей

где T = 20 мс – период колебаний на частоте 50 Гц. При характерном значении δа = 0,05 восстановление напряжения будет продолжаться в течение 20 периодов промышленной частоты (0,4 с), что намного медленнее, чем в режиме изолированной нейтрали. За время τ напряжение восстанавливает-

ся до значения 1 e 3 Uфm 0,95Uфm . Будем считать, что при этом напря-

жении происходит повторное зажигание дуги, тогда найденное значение τ

– искомый интервал времени между повторными зажиганиями. Рассмотрим теперь влияние расстройки реактора. Если пренебречь

потерями в реакторе и в сети, то при ω0 ≠ ω напряжение на поврежденной фазе будет иметь характер незатухающих биений (рис. 5,а), как это обычно бывает при сложении двух синусоид с близкой, но неодинаковой частотой:

Ω0 имеет порядок единиц или даже десятых долей герц, и результирующее напряжение на фазе А представляет собой синусоидальное колебание с медленно модулированной амплитудой:

Без учета возможности возникновения повторного зажигания напряжение на поврежденной фазе восстанавливается до максимального значения 2Uфm, что, очевидно, нежелательно, но это – теоретический предел. При учете потерь в сети и в реакторе выражение для огибающей имеет вид (вывод см. в Приложении 2):

8

а)

б)

в)

Рис. 5. Восстановлениенапряжениянаповрежденнойфазепри степенирасстройки

ϑ= 10% и различных уровнях потерь в сети, соответствующих:

а– δа = 0; б – δа = 2%; в – δа = 5%

На рис. 5,б и 5,в показаны восстанавливающиеся напряжения для случаев δа = 0,02 (сети с очень высокой добротностью) и δа = 0,05 (типичное значение). При δа = 0,02 напряжение восстанавливается до максимального значения 1,56Uфm, при δа = 0,05 – до 1,25Uфm.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что расстройка реактора приводит к тому, что после погасания дуги напряжение на поврежденной фазе может восстанавливаться до значений, превышающих Uфm. Скорость восстановления напряжения тем больше, чем выше степень расстройки. Потери в сети и в реакторе ограничивают максимальное значение, до которого восстанавливается напряжение, облегчая тем самым условия восстановления электрической прочности поврежденного участка изоляции.

9

Если предположить, что повторные зажигания дуги происходят при достижении напряжением на поврежденной фазе значения разрядного напряжения Uр = 0,95Uфm (по аналогии с ранее рассмотренным случаем идеальной настройки), то можно оценить интервал времени до возникно-

вения повторного зажигания τ из условия Uог τ 0,95Uфm , подставляя в него уравнение огибающей из формулы (19):

Трансцендентное уравнение (20) может быть разрешено относительно τ графически или численно. На рис. 6 показана совокупность решений в зависимости от степени расстройки ϑ при различных значениях δа. Видно, что степень расстройки реактора оказывает сильное влияние на интервалы времени между повторными зажиганиями, особенно в сетях с малыми ак-

точнее компенсировать емкостные токи. Поэтому, утвержденный в 2017 СТО ПАО «Россети» [2] содержит требование к степени расстройки компенсации не более 2% (1% – погрешность определения уставки тока компенсации, и еще 1% – погрешность настройки реактора на ток компенсации). Для сетей с δа = 3–4% (характерное значение для современных сетей, проложенных кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена) это новое требование позволит более чем в 3 раза увеличить ожидаемые интервалы времени между повторными зажиганиями дуги и повысить число самоликвидирующихся ОЗЗ.

Таким образом, требование точности настройки реакторов обосновывается не только стремлением точнее компенсировать емкостный

10