4.6.4. Гасіння ємнісного струму замикання на землю за допомогою дугогасних апаратів

 

У системах з ізольованої нейтралю через місце однофазного замикання протікає невеликий ємнісний струм і можливе самозагасання дуги. Однак дугове замикання на землю швидко самоліквідується тільки при невеликих струмах замикання на землю (5...10 А в мережах 35 кВ і 20...30 А в мережах 6...10 кВ). При середніх струмах дуга має перемежований характер і може приводити до істотних перенапруг, тривалість яких дорівнює часу горіння дуги. При більших струмах дуга має сталий характер, може горіти необмежено довго і зрештою перекидається на інші фази, приводячи до багатофазного короткого замикання і відключення лінії. Тому у всіх випадках необхідна по можливості швидка ліквідація дуги. У системах з резонансним заземленням нейтралі це здійснюється за допомогою дугогасних апаратів.

Розглянемо найпростішу трифазну систему, у якій відбулося замикання на землю однієї з фаз (рис. 4.50). Для простоти припустимо, що ємності фаз на землю рівні між собою.

Струм замикання I_з містить дві складові I_A і I_B, які протікають, відповідно, під дією лінійних напруг ( і ( і по модулі рівні ωС. Геометричне додавання струмів  (див. векторну діаграму на рис. 4.50.) дає нам сумарний струм замикання на землю:

 

                                 I_з = 3U_ФωС.                        (4.97)

 

Для зменшення (компенсації) цього струму за допомогою дугогасних апаратів у схему вводиться індуктивний струм, рівний по величині і зворотний по напрямку струму короткого замикання на землю (рис. 4.50).

Як видно з рис. 4.50, при замиканні на землю однієї з фаз напруга на нейтралі дорівнює U_Ф. Струм, що протікає через котушку,

I_L = U_ф/ωL.

 

  

Рис. 4.50. Компенсація ємнісного струму С_А = С_В = С_С = С

 

При повній компенсації ємнісного струму замикання на землю
I_L = I_з, отже

 

                                                           (4.98)

 

Можливі також ще два режими роботи: недокомпенсація, коли I_L < I_з і перекомпенсація, коли I_L > I_з.

При цьому залишковий струм у місці замикання на землю

                             ,                     (4.99)

 

де  – активна складова струму в місці замикання на землю; r_k, L_k – відповідно, активний опір й індуктивність дугогасної котушки.

З виразу (4.92) слідує, що при ідеальній компенсації частота власних коливань схеми ω₀ =  дорівнює частоті мережі, тобто  в мережі має місце явище резонансу для струмів основної частоти. Тому поряд з термінами «компенсація ємнісного струму», «заземлення через котушку Петерсена», «заземлення через настроєну індуктивність» застосовується термін «резонансне заземлення нейтралі».

Якщо розглянути процес запалювання і наступного гасіння дуги в мережі з дугогасною котушкою, то можна показати, що запалювання дуги, також як і у мережі з ізольованої нейтралю, супроводжується коливальним процесом, причому частота й амплітуда коливань мало залежать від наявності котушки. Дійсно, індуктивність котушки зашунтована дуговим проміжком й індуктивністю ушкодженої фази L, що значно менше, ніж L_k. Після обриву дуги в момент переходу високочастотного струму через нульове значення починається коливальний процес перетікання надлишкових зарядів з ємностей неушкоджених фаз на ємність ушкодженої фази через індуктивність розсіювання трансформаторів. Індуктивність котушки включена паралельно індуктивності ушкодженої фази, але оскільки L_k >> L, вона в цьому випадку практично не робить впливу ні на частоту, ні на амплітуду коливань. Після загасання коливань нейтраль здобуває потенціал щодо землі, рівний 2/3 U_m (U_m – напруга на здорових фазах у момент обриву дуги). І до цього моменту часу процес у схемі з котушкою й у схемі без котушки протікає однаково.

Далі в схемі без котушки ця напруга зберігається аж до наступного запалювання дуги і є причиною додаткового підвищення напруги на проводах. У схемі з дугогасною котушкою всі три ємності починають розряджатися через неї. Частота вільних коливань у цьому випадку дорівнює частоті джерела або незначно відрізняється від неї, залежно від того, у якому режимі працює мережа (компенсація або невелика разтройка). Амплітуда вільних коливань приблизно дорівнює 2/3U_m, причому вона перебуває у протифазі з напругою джерела.

 

На рис. 4.51, а наведена напруга на ушкодженій фазі при відсутності котушки, а на рис. 4.51, б – при наявності котушки (режим ідеальної настройки). З порівняння кривих видно, що пік гасіння в обох випадках однаковий, але подальший хід процесу різний. У випадку ізольованої нейтралі напруга після загасання високочастотних коливань зростає і через півперіоду може привести до повторного запалювання дуги. У схемі з котушкою напруга після загасання високочастотних коливань росте повільніше, тому що складова вільних коливань низької частоти і фазова напруга спрямовані в протилежні сторони. Відновлення напруги на дуговому проміжку до величини фазової напруги відбудеться після загасання вільної складової, тобто через кілька напівперіодів. За цей час міцність дугового проміжку відновлюється і нове запалювання дуги стане малоймовірним.

Таким чином, дугогасні апарати сприяють гасінню дуги не тільки за рахунок зменшення струму в місці замикання, але й завдяки істотному зменшенню швидкості відновлення напруги після загасання дуги. Так як по теорії Н.Н. Белякова максимальні напруги при дуговому замиканні на землю можуть досягатися вже при другому запалюванні дуги і визначаються в основному величиною піка гасіння, то включення котушки Петерсена не робить істотного впливу на гранично можливі перенапруги. Однак вона різко обмежує їхня тривалість, що дуже важливо для трансформаторної ізоляції, і зменшує ймовірність появи перенапруг, близьких до граничного.