Материал: Повышение надежности распределительных сетей напряжением 6кВ Запорожского железорудного комбината на основе ограничения внутренних перенапряжений

Рисунок 2.8 - Осциллограммы затухания напряжения нулевой последовательности после отключения повреждения в сети с изолированной нейтралью (а) и с резистором в нейтрали (б)

. В сетях с компенсированной нейтралью характер переходного процесса при прочих равных условиях зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Затухание напряжения на нейтрали определяется в основном параметрами изоляции распределительной сети относительно земли и не зависит от режима настройки компенсирующего устройства. Частота свободных колебаний и постоянная времени их затухания в компенсированных сетях значительно превышают аналогичные характеристики в сетях с полностью изолированной нейтралью.

. Переходный процесс в сетях с резистором в нейтрали в значительной степени зависит от значения указанного резистора. В случае установки резистора, сопротивление которого выбирается из условия (2.30), за счет резкого увеличения коэффициента успокоения (затухания) переходный процесс практически заканчивается за полпериода промышленной частоты. На рис. 2.8 представлены для сравнения осциллограммы изменения напряжения нулевой последовательности в реальной распределительной сети напряжением 6 кВ после отключения металлического однофазного замыкания на землю в сети без наложения (а) и с наложением на сеть (б) активной составляющей тока замыкания на уровне 0,6 емкостного.

2.4 Исследование влияния режима нейтрали сети на электробезопасность распределительных сетей

В общем случае электробезопасность электрических сетей, если не учитывать физиологические особенности и психологическое состояние человека, оценивается в основном значениями тока, проходящего через человека, напряжения прикосновения и времени воздействия указанных величин.

2.4.1 Сети с полностью изолированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с полностью изолированной нейтралью, если пренебречь продольным сопротивлением линии электропередачи, определится выражением

где  - номинальное напряжение электрической сети;  -сопротивление тела человека, которое для промышленной частоты считается чисто активным.

Анализ расчетов, выполпенных по выражению (2.36), позволяет утверждать, что для реальных параметров распределительных и питающих сетей прикосновение человека к одной из фаз сети, даже без учета переходного процесса, всегда является смертельно опасным.

Степень опасности распределительных сетей при прикосновении к корпусу электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, характеризуется значением напряжения прикосновения и временем его воздействия. Значение напряжения прикосновения для установившегося процесса замыкания в общем случае определяется значениями тока однофазного замыкания на землю и сопротивления защитного заземления и, без учета шунтирующего действия сопротивления тела человека и активного сопротивления изоляции сети относительно земли, может быть рассчитано по выражению:

где  - сопротивление защитного заземления поврежденного электрооборудования,  - ток однофазного замыкания на заземленный корпус электроустановки.

При дуговых замыканиях имеет место продолжительный переходный процесс, сопровождающийся бросками емкостного тока, что приводит к увеличению действующего значения напряжения прикосновения

где  - коэффициент, учитывающий увеличение тока замыкания в переходном режиме.

Рисунок 2.10 - Зависимость напряжения прикосновения от емкости сети при: 1- металлическом замыкании; 2 - дуговом замыкании

На рис. 2.10 кривыми I и 2 показано изменение величины напряжения прикосновения в сети с изолированной нейтралью, соответственно при глухом (коэффициент  = I) и дуговом (коэффициент  = 4) замыкании на землю в зависимости от величины емкости сети относительно земли при величине сопротивления защитного заземления 4 Ом.

Если условиями эксплуатации сети предусматривается действие защиты от однофазных замыканий на землю на отключение без выдержки времени, время воздействия на организм человека напряжения прикосновения находится в пределах 0,2 с. (время срабатывания защиты и коммутационного аппарата). Для этого времени воздействия и при величине сопротивления защитного заземления не более 4 Ом напряжение прикосновения в установившемся режиме замыкания не превышает допустимое (кратковременно безопасное) значение во всем возможном диапазоне изменения величины тока однофазного замыкания на землю и физических параметров распределительной сети с изолированной нейтралью.

В тоже время, длительно допустимое напряжение прикосновение (общепринятое значение его составляет 40 В), значительно меньше максимально возможных значений при установившемся режиме замыкания. В случае отсутствия или несрабатывания защиты от замыканий на землю появляется реальная опасность поражения человека напряжением прикосновения при соответствующей емкости сети относительно земли.

Значение напряжения прикосновений возрастает в три-пять раз и становится опасным даже при кратковременном воздействии за счет переходных процессов, возникающих при глухих и перемежающихся замыканиях на землю, которые сопровождаются бросками емкостного тока.

2.4.2 Сети с компенсированной нейтралью

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с компенсированной нейтралью в установившемся режиме определяется выражением

Из этого выражения следует, что значение тока через тело человека при непосредственном прикосновении к токоведущим частям одной из фаз сети в значительной степени зависит от степени расстройки компенсации. Ток через человека при резонансной настройке компенсирующего устройства будет:

В сети с компенсированной нейтралью при настройке компенсирующего устройства близкой или равной резонансному режиму, на величину тока через человека в установившемся режиме замыкания может оказать заметное влияние активная составляющая, определяющая потери в сердечнике компенсирующего устройства. С учетом последнего ток через человека определяется выражением:

Без учета переходного процесса при повреждении изоляции относительно земли одной фазы, опасность сетей с компенсированной нейтралью обусловливается в основном степенью расстройки компенсирующего устройства и параметрами электрической сети. При резонансной настройке компенсирующего устройства опасность сети определяется уровнем напряжения и значением активного сопротивления изоляции всей сети относительно земли.

Следует, однако, отметить, что наличие переходного процесса, возникающего в момент касания человеком одной из фаз, преимущества компенсированных сетей в отношении электробезопасности практически сводятся к нулю. В таких сетях в момент замыкания через тело человека пройдет, так называемый, свободный ток компенсирующего устройства, частота которого определяется физическими параметрами электрической сети и дугогасящего устройства, а значение составляет примерно 25% от емкостного тока замыкания /16/.

Значение напряжения прикосновения, так же как и в сетях с изолированной нейтралью зависит от значения тока однофазного замыкания на землю (корпус) и значением сопротивления защитного заземления. Кроме того, в компенсиро-ванных сетях на значение напряжения прикосновения существенное влияние оказывает режим настройки компенсирующего устройства.

В общем случае компенсация емкостного тока замыкания на землю имеет целью уменьшение, кроме тока однофазного замыкания, напряжения прикосновения и шага. Указанные напряжения могут быть уменьшены примерно во столько раз, во сколько раз уменьшен полный ток замыкания на землю. Необходимо отметить, что в переходных режимах, сопровождающих однофазные замыкания на землю, а также при замыканиях через перемежающуюся электрическую дугу, условия электробезопасности значительно ухудшаются. Однако, за счет меньшего значения остаточного тока замыкания и благоприятных условий для гашения электрической дуги, условия электробезопасности даже в переходных режимах намного лучше, чем при тех же условиях в сетях с полностью изолированной нейтралью.

.4.3 Сети с активным сопротивлением в нейтрали

Ток через тело человека при непосредственном прикосновении к одной из фаз сети с резистором в нейтрали с учетом параметров распределительной сети равен

где  - сопротивление, включенное между нейтральной точкой сети и землей.

Для выполнения возложенных на дополнительный активный ток замыкания на землю функций подавления переходного процесса необходимо, чтобы его величина составляла от 50 до 100% емкостного тока замыкания. В этом случае полный ток замыкания на землю, в том числе и через человека, при прочих равных условиях увеличивается максимум в 1,41 раз по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью. Отсюда, при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям сети с резистором в нейтрали, также как и сети с полностью изолированной нейтралью для реальных физических параметров изоляции фаз сети относительно земли являются опасными, даже в случае использования защиты от замыканий на землю действующей на отключение.

Степень опасности сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования, оказавшегося под напряжением вследствие повреждения изоляции в установившемся режиме также несколько возрастает по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью за счет увеличения полного тока замыкания на землю и, соответственно, увеличения напряжения прикосновения.

Значение тока глухого однофазного замыкания на землю в сети с резистором в нейтрали определяется геометрическим сложением двух составляющих: емкостной, и активной, т.е.:

 или ,

где ka - коэффициент, учитывающий долю дополнительного активного ток, А замыкания на землю по сравнению с емкостным

.

Однако в переходном режиме замыкания, который в сетях с изолированной нейтралью при определенных параметрах сети представляет опасность для человека, в сетях с резистором в нейтрали опасность прикосновения к корпусам поврежденного оборудования значительно уменьшается за счет резкого сокращения длительности переходного процесса, а также за счет уменьшения амплитуды бросков тока замыкания на землю. При наложении активной составляющей тока однофазного замыкания на землю величиной 50 % от емкостного тока, напряжение прикосновения при дуговых замыканиях уменьшается (например, при емкостном токе замыкания 10 А) в 1,8...2,0 раза по сравнению с сетью с полностью изолированной нейтралью.

Напряжение прикосновения при глухих двойных замыканиях на землю значительно превышает безопасные уровни даже при расстоянии между точками замыкания 3 км. Шаговые напряжения и соответствующие им токи представляют опасность для человека даже на удалении 5 м, причем степень опасности возрастает с уменьшением расстояния между точками замыкания на землю двух разных фаз.

Степень опасности двойных замыканий на землю практически не зависит от режима работы нейтрали распределительной сети, но вероятность появления таких повреждений в сетях с изолированной нейтралью небольшая, так как этим сетям соответствуют максимальные (по сравнению с иными режимами нейтрали) кратности внутренних перенапряжений, вызывающих повреждения изоляции в других точках распределительной сети.

Выводы по главе 2

. Достаточно широко используемый в электрических распределительных сетях систем электроснабжения полностью изолированный режим работы нейтрали в сравнении с другими не является экономичным, не отвечает требованиям электробезопасности и обладает самой низкой надежностью за счет роста повреждаемости элементов системы электроснабжения.

. Позитивное влияние компенсации емкостных токов замыкания на землю с точки зрения надежности, экономичности и электробезопасности соответствует резонансному режиму настройки компенсирующих устройств, однако, учитывая возможную динамику распределительных сетей, применение их нецелесообразно без достаточно точных средств автоматической настройки индуктивности в резонанс с емкостью сети.

. Разработаны математические модели для исследования аварийных токов и параметров нулевой последовательности при замыканиях на землю в распределительных сетях с нейтралью заземленной через индуктивность и активное сопротивление и позволяют учитывать переходное сопротивление в месте повреждения и составляющие проводимостей изоляции сети и устройства заземления нейтрали.

. Появление и ликвидация несимметричных аварийных режимов сопровождаются переходными процессами, параметры которых зависят от режима заземления нейтрали и прямым или косвенным способом влияют на эксплуатационную надежность и электробезопасность систем электроснабжения.

. Переходные процессы, сопровождающие металлические, дуговые и перемежающиеся замыкания на землю в сетях с полностью изолированной и компенсированной нейтралью, способствуют снижению надежности электрических сетей за счет появления и негативного проявления значительных внутренних перенапряжений. Значительно меньшие уровни перенапряжений соответствуют сетям с резистором в нейтрали, сопротивление которого должно быть соизмеримо с емкостным сопротивлением изоляции сети относительно земли.

. По условиям электробезопасности распределительные сети при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям ни один из рассмотренных режимов нейтрали нельзя признать благоприятным. Независимо от режима нейтрали с учетом реальных параметров изоляции распределительных сетей и времени действия устройств защиты и применяемой коммутационной аппаратуры, значение тока через тело человека значительно превышает безопасные уровни.

. Степень опасности электрической сети при прикосновении человека к корпусам электрооборудования и машин, оказавшимся под напряжением вследствие повреждения изоляции одной из фаз, в значительной степени зависит от режима нейтрали. Если учитывать переходные процессы, сопровождающие металлические и дуговые однофазные замыкания на землю, то наиболее благоприятным следует считать электрическую сеть с активным резистором в нейтрали.

3. Исследование влияния параметров изоляции, режима нейтрали и структуры построения схемы электроснабжения комбината на функциональные характеристики средств защиты