Приведены аналитические уравнения для расчета токов замыкания на землю в установившемся и переходном режимах в сетях с изолированной и заземленной через катушку индуктивности нейтралью. Описаны устройства защиты от замыканий на землю и новые методы косвенных измерений токов замыкания на землю.

Однофазным замыканиям на землю в распределительных сетях 6—35 кВ посвящено немало работ как у нас, так и за рубежом.

Однако в одних работах процессы рассматриваются с применением сложного математического аппарата, часто недоступного для многих практиков, в других — рассмотрение упрощается настолько, что не используется теоретическая электротехника, в третьих нередко отсутствует необходимая строгость применения понятий и законов теории электрических цепей. По этим причинам затрудняется понимание физических процессов, происходящих при однофазных замыканиях на землю, а следовательно, и создание надежных и эффективных средств защиты от аварийных режимов.

Цель настоящего раздела заключается в том, чтобы дать специалистам-энергетикам доступное и в то же время строгое изложение основных понятий и физической сущности процессов, происходящих при однофазных замыканиях на землю. На этой основе можно более обоснованно обеспечить защиту электроустановок и сетей от воздействия аварийных токов.

Для инженеров, занимающихся проектированием, эксплуатацией и исследованием электрических сетей, может быть полезна научным работникам, аспирантам и студентам.

В нашей стране неуклонно возрастает электровооруженность труда и увеличивается выработка электроэнергии.

Электрификация — главная энергетическая база технического прогресса. На развитие энергетики затрачивают огромные средства. Поэтому наряду с разработкой и осуществлением мероприятий, позволяющих упростить и удешевить энергостроительство, следует обеспечить надежность электроснабжения. Известно, что даже кратковременные перерывы в подаче электроэнергии наносят огромные убытки народному хозяйству (брак, тяжелые аварии, а иногда несчастные случаи с людьми). Для обеспечения бесперебойного электроснабжения необходима в первую очередь надежная защита от замыканий на землю как наиболее тяжелого аварийного режима.

Замыкания на землю в распределительных сетях 6— 35 кВ является довольно частым явлением и составляют не менее 75% общего числа повреждений. В сети с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю само по себе не является аварией. Однако с увеличением протяженности электросетей увеличивается их емкость и возрастают токи замыкания на землю. Проходя через место повреждения, ток выделяет много тепла, разрушая при этом токоведущие части и изоляцию. Однофазное замыкание переходит в аварийное трехфазное, нарушая энергоснабжение потребителей. Кроме того, ток однофазного замыкания является причиной увеличения напряжения неповрежденных фаз относительно земли в √3 раз. Длительный режим способствует возникновению двойных замыканий на землю, которые даже при хорошем состоянии заземляющих устройств приводят к появлению опасных потенциалов на металлических корпусах оборудования, создают повышенную опасность для персонала.

Причины возникновения замыканий в воздушных и кабельных сетях многообразны. Они появляются вследствие механических разрушений изоляции, обрывов проводов и тросов, а также в результате разрушений изоляции из-за грозовых и внутренних перенапряжений. К внутренним перенапряжениям, как известно, относят коммутационные и резонансные. Коммутационные перенапряжения не могут иметь больших кратностей, так как возникают вследствие переходных процессов. В теоретической электротехнике показано, что коммутационные увеличения напряжений и токов в линейных цепях, как правило, не могут превышать двойную амплитуду установившегося значения. Что касается резонансных перенапряжений, то они изменятся в широких диапазонах и в пределе (теоретически) могут достигать бесконечно больших значений. Перенапряжение зависит от того, насколько соотношения активных, индуктивных и емкостных элементов близки к условиям резонанса в данной цепи. Если в сети отсутствуют индуктивности относительно земли, то, очевидно, резонансные перенапряжения не возникнут.

Резонансные перенапряжения относительно земли в сетях 6—35 кВ с изолированной нейтралью вызываются образованием резонансного контура из индуктивностей и емкостей между фазами сети и землей. В сетях обычно присутствуют индуктивности измерительных трансформаторов напряжения. Емкости в сети всегда имеются как между фазами, так и между фазами и землей. Как показали исследования, проведенные с участием автора, в сетях 6—10 кВ именно резонансные перенапряжения приводят к выходу из строя трансформаторов контроля изоляции.

Эффективным средством, устраняющим аварийный режим замыкания на землю, является быстрое автоматическое отключение поврежденного участка сети. В настоящее время предложено много различных принципов селективной защиты от однофазных замыканий на землю. Однако подобные устройства не нашли применения из-за ложных срабатываний, отрицательно сказывающихся на работе защиты в условиях эксплуатации. Указанное положение во многом объясняется недостаточностью теоретических разработок. В частности, отсутствует обоснованный учет амплитудных и фазовых соотношений токов и напряжений нулевой последовательности при разработке селективных защит от замыкания на землю.

Для уменьшения емкостной составляющей тока замыкания на землю в отечественной практике применяют дугогасящие реакторы, которые включают в нейтраль питающего сеть трансформатора или в нейтраль дополнительного заземляющего трансформатора, не несущего иной нагрузки. В настоящее время накоплен опыт эксплуатации сетей с реактором в нейтрали трансформатора. Однако теория процессов, имеющих место при различных режимах работы таких сетей-, требует дальнейшей разработки.

В данной работе систематизирование излагаются основные вопросы, относящиеся к режимам работы сетей с изолированной и заземленной через катушки индуктивности нейтралью в условиях однофазного замыкания на землю, а также обоснованы теоретические предпосылки, необходимые для расчета, разработки и правильной эксплуатации средств защиты от замыканий на землю в сетях 6—35 кВ.