Ограничение токов КЗ на землю

Наиболее частым повреждением в электрических сетях является однофазное КЗ. Однофазное КЗ нарушает симметрию в электрических сетях, но при этом, в зависимости от способа заземления нейтрали трансформатора, сети по разному реагируют на однофазное КЗ. По способу заземления нейтралей трансформаторов различают сети с глухозаземленной, эффективно–заземленной, изолированной и резонансно–заземленной нейтралями.

В электрических сетях с глухозаземленной нейтралью обеспечиваются условия для организации надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты и, как следствие, облегчается работа изоляции электрооборудования при возникновении однофазного КЗ на землю. В то же время основным недостатком электрических сетей с глухозаземленной нейтралью является то, что в них токи однофазного КЗ на землю могут превышать токи трехфазного КЗ. Для ограничения токов однофазного КЗ в таких сетях:

1) при отключении КЗ разземляют нейтрали части трансформаторов сети (рис. 8.15, ), если это допустимо для изоляции их нейтралей, и переводят сеть в режим работы с изолированной нейтралью;

2) увеличивают эквивалентное сопротивление сети току нулевой последовательности включением в цепь нейтрали силовых элементов реакторов с линейной и нелинейной характеристиками, линейных и нелинейных резисторов ( рис. 8.15,б,в,г,д) и др. При такой организации заземления электрическую сеть называют сетью с эффективно–заземленной нейтралью. При этом устройства, изменяющие режим работы нейтрали силовых элементов, могут включаться в цепь нейтрали постоянно или вводиться в нее с помощью коммутационных аппаратов при возникновении КЗ на землю.

Рис. 8.15. Ограничение токов КЗ на землю

В сетях с изолированной нейтралью напряжением 3…20 кВ небольшой протяженности токи однофазного замыкания на землю малы и сами по себе не опасны для сети. При увеличении напряжения и протяженности сети токи однофазного замыкания на землю возрастают и достигают десятков и сотен ампер. При таких токах длительная работа сети с изолированной нейтралью недопустима, так как в случае повреждения изоляции относительно земли какой–либо другой фазы сети возникает двухфазное КЗ на землю, которое может привести к серьезным повреждениям. Для уменьшения емкостных токов однофазного замыкания на землю между нейтралью трансформатора и землей включаются дугогасящие реакторы. Электрические сети, в которых нейтрали трансформаторов присоединяется к заземляющему устройству через дугогасящий реактор, называются сетями с резонансно-заземленной нейтралью.

При КЗ на землю одной или двух фаз трехфазной сети напряжение неповрежденных фаз относительно земли возрастает. Степень увеличения напряжения характеризуется коэффициентом заземления сети

,

где напряжение между неповрежденной фазой и землей в точке КЗ на землю другой фазы (или двух других фаз); напряжение между фазой и землей в этой точке до КЗ. При сеть считают эффективно-заземленной. Для сети с глухозаземленной нейтралью, для которой токи КЗ на землю наибольшие, значение является наименьшим. Для сети с изолированной нейтралью, для которой токи КЗ на землю получаются наименьшими, .

Режим работы нейтралей трансформаторов в электрических сетях зависит от уровня напряжения, значения емкостных токов замыкания на землю, условий безопасности и рабочей среды предприятия:

1) с глухозаземленной нейтралью обычно работают сети напряжением до 1кВ;

2) в условиях рабочей среды, где определяющим фактором являются требования электро – и взрывобезопасности, сети напряжением до 1кВ выполняют с изолированной нейтралью. С изолированной или резонансно – заземленной нейтралью работают сети напряжением 3 – 35кВ;

3) с эффективно – заземленной нейтралью эксплуа-тируются сети напряжением 110 кВ и выше, когда коэффициент замыкания на землю, характеризующий степень увеличения напряжения неповрежденных фаз относительно земли

В этом случае напряжение на неповрежденных фазах в любой точке сети не превышает 80% линейного напряжения сети ( ). При таком напряжении обеспечивается надежная работа устанавливаемых в сетях 80%-х разрядников. Неравенство (8.14) выполняется при соотношении параметров сети

где и , и – результирующие сопротивления для токов прямой и нулевой последовательностей;

4) по условиям работы выключателей желательно, чтобы токи КЗ на землю в любой точке сети напряжением 110 кВ и выше не превышали тока трехфазного КЗ в той же точке:

Это требование выполняется, если

При заземлении нейтрали трансформатора через резистор или нелинейное активное сопротивление начальное действующее значение периодической составляющей тока однофазного КЗ снижается на 20 – 30%, при этом резко уменьшается время воздействия его апериодической составляющей. Одновременно облегчаются условия работы релейной защиты и предотвращается появление перемежающихся дуговых КЗ на землю, хотя напряжения на нейтрали и неповрежденных фазах при КЗ увеличиваются.

При атмосферных и коммутационных перенапряжениях заземление нейтрали через резистор равносильно ее глухому заземлению. Заземление нейтрали через индуктивное сопротивление ограничивает ток КЗ в большей степени, чем при заземлении через активное сопротивление того же значения, снижает напряжение на нейтрали, но менее эффективно при атмосферных перенапряжениях. В сетях напряжением 110 кВ для ограничения токов КЗ на землю эффективнее использовать резисторы, чем реакторы. Степень снижения тока КЗ на землю при этом ограничивается допустимым повышением напряжения на неповрежденных фазах (до ). В сетях напряжением 220 кВ в зависимости от параметров сети эффективным может быть применение как резисторов, так и реакторов. Заземление нейтрали трансформаторов в таких сетях через резистор или реактор позволяет снизить установившийся ток КЗ до 50 – 80% значения тока КЗ при глухозаземленной нейтрали без превышения допустимых уровней перенапряжений на нейтрали и неповрежденных фазах.