3 Внутрішні перенапруги та їх обмеження

3.3 Підвищення напруги на здорових фазах при однофазних замиканнях

Однією з основних причин застосування заземленої нейтралі в мережах напругою 110 кВ і вище є ізоляційна проблема; заземлення нейтралі обмежує підвищення напруги на здорових фазах при однофазних коротких замиканнях. Розглянемо це питання детальніше.

На рис. 3.4,а наведено структурну схему мережі, в якій відбулося однофазне коротке замикання. Побудуємо для неї універсальну комплексну схему. Така схема показана на рис. 3.4,б. Напруги  є еквівалентними джерелами симетричної напруги,  і   еквівалентними опорами у каналах прямої і нульової послідовностей. Фаза а заземлена через опір заземлення , фази b і с ізольовані.

 

Рисунок 3.4 Універсальна комплексна схема для несиметричної комутації однофазного короткого замикання:

а) початкова схема; б) розрахункова схема

Відповідно до схеми на рис. 3.4,б напруги здорових фаз рівні:

,

а

.

 

Підставляючи значення  і враховуючи, що  утворюють симетричну трійку векторів, отримуємо:

                                                (3.9)

 

де .

Зазвичай можна нехтувати активними опорами прямої послідовності, тобто прийняти . Активні опори нульової послідовності мають істотну величину, і тому приймається .

На рис. 3.5 наведено криві залежностей напруги Ub/Ea і Uc/Ea від відношення реактивних опорів x0/x1 при різних r0/x1 і . Позитивним x0/x1 відповідає область заземленої нейтралі системи, негативним x0/x1, коли  має ємнісний характер, відповідає область ізольованої нейтралі. Як видно з кривих, напруга на фазі c вища, ніж на фазі b, і вони однакові тільки при r0=0. Відношення Ub/Ea та Uc/Ea, що характеризують підвищення напруги на здорових фазах при однофазних коротких замиканнях, позначаються через коефіцієнт заземлення .

В області заземленої нейтралі зі зростанням x0/x1 і r0/x1 напруги Ub/Ea та Uc/Ea зростають, прямуючи при х0 або r0 до .

Зазвичай, в розрахунках перенапруг нехтують активними опорами і, відповідно, приймають z0/z1=x0/x1. В цьому випадку Ub=Uc.

Використовуючи будь-яку з формул (3.9), знаходимо:

 

           ,  (3.10)

 

де  і   значення струмів однофазного і трифазного короткого замикання в точці комутації. Формула (3.10) зручна в розрахунках, оскільки струми короткого замикання в мережах зазвичай відомі. Формулі (3.10) відповідають кривій r0/x1=0 в правій області рис. 3.5.

 

Рисунок 3.5 Криві залежності напруги на здорових фазах b і с від відношення x0/x1 для різних r0/x1 при однофазному короткому замиканні на фазі,

а) криві ; б) криві ; z1=0+jx1; z0=r0+jx0

 

Області ефективно заземленої нейтралі відповідають значення . За кривими на рис. 3.5 або за формулою (3.10) знаходимо, що  і  відповідає kЗ =1,25. З урахуванням того, що  і , нормами для вибору ізоляції встановлено підвищення напруги робочої частоти на здорових фазах до .

В області ізольованої нейтралі при значенні  виникає резонанс. Резонанс виникає між індуктивним опором прямої послідовності і ємнісним опором нульової послідовності (опором ємностей фаз на землю). Напруги на здорових фазах згідно з кривими на рис. 3.5 зростають до дуже високих значень. Практично подібний резонанс можливий тільки в дуже розгалужених кабельних мережах, які живляться відносно малопотужним джерелом. Але в таких мережах, як правило, встановлюється дугогасильна котушка, що різко підвищує  мережі. При  прямує до . Отже, в нескінченності область значень кривих на рис. 3.5 в правій і лівій областях зливаються.

Криві на рис. 3.5 належать випадку . Вплив опору заземлення  показаний кривими на рис. 3.6. На осі ординат відкладено відношення , де Uтах - максимальна напруга на фазах b і с. При зростанні RЗ/x1 до одиниці коефіцієнт kЗ зростає. Подальше підвищення RЗ/x1 веде до зниження kЗ. Очевидно, що при  коротке замикання відсутнє і kЗ=1.

 

Рисунок 3.6 Криві залежності максимальної напруги на здорових фазах від відношення x0/x1 для різних R3/ x1 при однофазному короткому замиканні,