Xreferat.ru » Рефераты по физике » Растекание тока в земле при замыкании

Растекание тока в земле при замыкании

При замыкании на землю через грунт начинает протекать аварийный ток IЗ, который коренным образом изменяет состояние электроустановок с точки зрения ее безопасности. При этом появляются напряжения между корпусами электрооборудования и землей, а также между отдельными точками поверхности земли, где могут находиться люди.


Растекание тока в земле при замыкании

Рис. 11.2. Растекание тока в земле через полусферический заземлитель


При протекании тока на элементарном участке dx (рис. 11.2) создается падение напряжения dv (принят полусферический заземлитель).


dv = I3 * dr;
dr =

Растекание тока в земле при замыкании * dl

=

Растекание тока в земле при замыкании * dx

; dv =

I3 * Растекание тока в земле при замыкании

* dx,



Растекание тока в земле при замыкании


Растекание тока в земле при замыкании



Растекание тока в земле при замыкании





S

2Растекание тока в земле при замыканииx2



2Растекание тока в земле при замыканииx2



где Растекание тока в земле при замыкании – удельное сопротивление грунта;

S = 2Растекание тока в земле при замыканиих2 – сечение полусферы.

Определим разность потенциалов между точкой А с координатой Х и точкой, где потенциал Растекание тока в земле при замыканиит.е. Растекание тока в земле при замыкании:


Растекание тока в земле при замыкании

Растекание тока в земле при замыкании

Тогда

Растекание тока в земле при замыкании


Это уравнение гиперболы (см. рис. 11.2).

Максимальное падение напряжения будет у заземлителя, а более удаленные точки грунта, имея большое поперечное сечение, оказывают меньшее сопротивление току IЗ. Если поместить точку А на поверхность электрода на расстоянии ХЗ от центра, то ее потенциал будет равен


Растекание тока в земле при замыкании= U3 = I3 * Растекание тока в земле при замыкании / 2Растекание тока в земле при замыканииX3 = I3R3,


где R3 – сопротивление растеканию тока.

Это есть напряжение электрода относительно земли. Материал заземления – металл. Он имеет малое удельное сопротивление, поэтому падение напряжения на заземлителе ничтожно мало. Корпус электроустановки, заземленной через этот заземлитель, будет иметь тот же потенциал, если пренебречь падением напряжения в сопротивлении соединительных проводов. Из экспериментов выяснено, что на расстоянии 20 метров от заземлителя потенциал практически равен нулю.

Напряжение шага Uш (В) – есть напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. При этом длина шага а принимается равной 0,8 м.


Растекание тока в земле при замыкании


где Растекание тока в земле при замыкании – коэффициент шага.

Таким образом, если человек удален на расстояние более 20 м от заземлителя, коэффициент b практически равен нулю, шаговое напряжение UШ = 0, т.е. с удалением от заземлителя UШ уменьшается.

Напряжение прикосновения Uпр(В) есть напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или разность потенциалов рук и ног.


UПР=Растекание тока в земле при замыканииР-Растекание тока в земле при замыканииН,


где Растекание тока в земле при замыканииР, Растекание тока в земле при замыканииН – потенциалы рук и ног относительно земли.


Растекание тока в земле при замыкании

Рис. 11.2. Схема напряжения прикосновения к заземленным токоведущим частям


При пробое на корпус заземлитель и связанные с ним элементы оборудования получают напряжение относительно земли UЗ=IЗRЗ, следовательно, руки человека, касаясь корпусов в любом месте, получают этот потенциал:


Растекание тока в земле при замыканииР = U3 = I3R3 =

I3Растекание тока в земле при замыкании

.

Растекание тока в земле при замыкании



2Растекание тока в земле при замыкании * x3



Потенциал ног определяется формой потенциальной кривой при растекании тока и удалением от заземлителя:


Растекание тока в земле при замыканииН =

I3Растекание тока в земле при замыкании

,

Растекание тока в земле при замыкании



2Растекание тока в земле при замыкании * x



следовательно,


Растекание тока в земле при замыкании


где Растекание тока в земле при замыкании – коэффициент прикосновения для полусферических заземлителей.

При расстоянии Х = Растекание тока в земле при замыкании (практически Х = 20 м) напряжение прикосновения имеет наибольшее значение (точка А, рис. 11.2) UПР=Растекание тока в земле при замыканииЗ, при этом Растекание тока в земле при замыкании=1. Это наиболее опасный случай прикосновения. При наименьшем значении х, когда человек стоит непосредственно на заземлителе, UПР = 0; Растекание тока в земле при замыкании = 0. Это безопасный случай. При других значениях х в пределах 0–20 м Uпр плавно возрастает от 0 до Растекание тока в земле при замыканииЗ, а Растекание тока в земле при замыканииот 0 до 1.

Анализ условий опасности в трехфазных сетях

Анализ условий опасности трехфазных электрических сетей практически сводится к определению величины тока, протекающего через человека, и к оценке влияния различных факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, изоляции токоведущих частей от земли и т.п.

В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью силу тока (А), проходящего через тело человека при прикосновении к одной из фаз сети в период ее нормальной работы (рис. 11.3), определяют следующим выражением в комплексной форме:


IЧ = UФ/RЧ + Z/3,


где Z – комплекс полного сопротивления одной фазы относительно земли.


Растекание тока в земле при замыкании 1000 B

Растекание тока в земле при замыкании

Рис. 11.3. Схема сети с изолированной нейтралью

Если емкость проводов относительно земли мала, т.е. С = 0, а сопротивления изоляции фаз относительно земли равны R1 = R2 = R3 = R, то ток через человека будет равен


I4 = 3UФ .

Растекание тока в земле при замыкании



3RЧ + R

При хорошей изоляции (R = 0,5 МОм) ток имеет малое значение и такое прикосновение неопасно. Поэтому очень важно в таких сетях обеспечивать высокое сопротивление изоляции и контролировать ее состояние для своевременного устранения возникших неисправностей. Если в сети имеется большая емкость относительно земли (разветвленные кабельные линии), то однофазное прикосновение будет опасным, несмотря на хорошую изоляцию проводов.

Растекание тока в земле при замыкании,


где Хс – емкостное сопротивление, равное 1/Растекание тока в земле при замыканииc, Ом;

с – емкость фаз относительно земли.

В сетях с изолированной нейтралью особенно опасно прикосновение к исправной фазе при замыкании на землю любой другой фазы, например второй (рис. 11.3). В этом случае человек включается на полное линейное напряжение.


Растекание тока в земле при замыкании.


В сетях с заземленной нейтралью сопротивление заземления нейтрали RЗ очень мало по сравнению с сопротивлением утечек R. Поэтому ток, протекающий через человека, при прикосновении определяется фазным напряжением сети UФ, сопротивлением пола и обуви RПО и сопротивлением заземления нейтрали RЗ (рис. 11.4).


IЧ = UФ/RЧ + RПО + RЗ.


Растекание тока в земле при замыкании

Рис. 11.4. Схема сети с заземленной нейтралью


Отсюда следует, что прикосновение к фазе трехфазной сети с заземленной нейтралью в период нормальной ее работы более опасно, чем прикосновение к фазе нормально работающей сети с изолированной нейтралью.

При аварийном режиме работы, когда одна из фаз сети замкнута на землю через относительно малое сопротивление RПК (фаза 2), и прикосновений человека к одной из двух других фаз, человек оказывается приблизительно под фазным напряжением (Rз мало, рис. 11.5). Это одно из преимуществ сетей с заземленной нейтралью с точки зрения безопасности.


Растекание тока в земле при замыкании

Рис. 11.5. Векторная диаграмма при замыкании на землю


При анализе сетей напряжением выше 1000 В следует отметить эти сети имеют большую протяженность, обладают значительной емкостью и высоким значением сопротивления изоляции. Поэтому в этих сетях утечкой тока через активное сопротивление изоляции можно пренебречь и учитывать только утечку тока через емкость фазы относительно земли. Следовательно, прикосновение к этим сетям является опасным не зависимо от режима нейтрали.

В соответствии с ПУЭ сети напряжением 6–35 кВ выполняются с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через реактивную катушку с целью уменьшения тока замыкания на землю.

Сети напряжением 110 кВ и выше выполняют с заземлением нейтрали.

Выбор схемы сети, а следовательно и режима нейтрали источника тока производится, исходя из технологических требований и из условий безопасности.

По технологическим требованиям при напряжении до 1000 В предпочтение отдается четырехпроводной сети, поскольку она позволяет использовать два рабочих напряжения: линейное и фазное. По условиям безопасности выбор одной из двух систем производится с учетом выводов, полученных при рассмотрении этих сетей.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять при условии хорошего уровня поддержания изоляции и малой емкости сети. (сети электротехнических лабораторий, небольших предприятий и т.д.).

Сети с заземленной нейтралью следует применять, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды, больших емкостных токов и т.д.). Примером таких сетей являются крупные современные предприятия.

Выбор схемы сети напряжением выше 1000 В рассмотрен ранее.


Эффективность способов ограничения перенапряжений в сетях 6–10 кВ при замыканиях фазы на землю»

растекание ток земля фаза

В условиях постоянного ухудшения технического состояния распределительных сетей из-за отсутствия необходимых средств на своевременную замену и качественный ремонт поврежденного электрооборудования все острее становится проблема поддержания на достаточно необходимом уровне надежности работы систем электроснабжения потребителей электрической энергии. Являясь наиболее протяженными, распределительные сети зачастую работают в весьма тяжелых условиях загрязнения, увлажнения, частых динамических и термических перегрузок, при этом средняя продолжительность эксплуатации большей части основного электрооборудования этих сетей значительно превышает нормативные сроки службы.

Все это приводит к заметному увеличению повреждаемости электрооборудования сетей по причинам различных дефектов, в том числе развивающихся под действием эксплуатационного напряжения.

Наибольшую опасность представляют дуговые перенапряжения, возникающие в сети при перемежающемся (неустойчивом) характере горения дуги в месте пробоя фазной изоляции на землю. Таким образом, основным направлением мероприятий по повышению надежности работы сетей среднего напряжения является предотвращение коммутационных и, особенно, дуговых перенапряжений.

В сложившихся условиях эффективное решение задачи существенного повышения уровня надежности работы распределительных сетей может быть найдено только в комплексном подходе к решению этой проблемы.

С одной стороны, необходимо идти по пути постепенной замены электрооборудования с изношенной изоляцией на новое, для которого большинство внутренних перенапряжений не будут опасны в такой степени, а с другой – принять меры по предельному снижению всех электрических воздействий на ослабленную изоляцию, создав условия для продления срока эксплуатации состарившегося электрооборудования.

Повышение надежности работы распределительных сетей может быть достигнуто путем существенного ограничения внутренних перенапряжений за счет оптимизации режима заземления нейтрали. Режим нейтрали электрической сети высокого напряжения является важнейшим фактором, определяющим характер эксплуатации электрооборудования, влияющим на выбор изоляции и организацию релейной защиты. Этот режим определяет переходные электромагнитные процессы и связанные с ними перенапряжения, условия электробезопасности при замыканиях на землю и требования к заземляющим устройствам электроустановок.

Основным достоинством сетей с изолированной нейтралью является высокая степень надежности электроснабжения потребителей электрической энергии при относительно малых расходах на резервирование, поскольку при однофазных замыканиях на землю (наиболее частый вид повреждения) сеть может оставаться в работе длительное время (до четырех часов), достаточное для отыскания и устранения места повреждения. Однако при работе сети с изолированной нейтралью однофазные замыкания на землю неизбежно сопровождаются возникновением специфических для этого режима перенапряжений, к основным из которых относят дуговые перенапряжения. Такие перенапряжения существуют в виде переходных процессов при перемежающейся дуге и опасны для электрооборудования высокими кратностями и своей продолжительностью.

Возникновение перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю происходит за счет смещения нейтрали сети, что приводит к возрастанию напряжений на здоровых фазах до линейных. Наложенная на установившееся значение напряжения высокочастотная составляющая переходного процесса существенно повышает кратность дуговых перенапряжений. Это можно увидеть на рис. 1. При замыкании фазы С на землю появляется напряжение на нейтрали U0, рост которого в процессе многократного зажигания и гашения дуги тока замыкания приводит к постепенному нарастанию (эскалации) перенапряжений в сети.


Растекание тока в земле при замыкании

Растекание тока в земле при замыкании

Растекание тока в земле при замыкании

Рисунок 1 – Замыкание фазы С на землю и погасание дуги при первом переходе через «нуль» тока высокочастотных колебаний (C=3мкФ, IC=10A)


Поскольку в настоящее время отсутствуют надежные средства защиты электрооборудования сетей собственных нужд от последствий однофазных замыканий на землю, то одно из успешных решений данной проблемы может быть найдено путем оптимизации управления режимом нейтрали, обеспечивающим максимальное ограничение амплитуды и длительности всех возможных повышений напряжения и снижение до минимума тепловых потерь в месте пробоя изоляции.

Определение основных факторов, которые влияют на характер переходных процессов и величину перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, производилось с использованием математической модели, разработанной на кафедре «Электрические станции» Донецкого национального технического университета. Она позволяет моделировать глухое замыкание фазы на землю и через перемежающуюся дугу, с погасанием ее при переходе через нуль высокочастотной составляющей (теория Петерсена) или составляющей тока промышленной частоты (теория Петерса и Слепяна), а также многократный пробой изоляции при различных значениях параметров кабельной сети, трансформаторов, двигательной нагрузки и режима работы нейтрали сети. Пользуясь методом контурных токов, для схемы замещения собственных нужд получена система дифференциальных уравнений 50-го порядка, которая численно интегрируется неявным методом Эйлера, обладающим повышенной численной устойчивостью, общее выражение которого на каждом i-ом шаге расчета h выглядит следующим образом:


Растекание тока в земле при замыкании


где Растекание тока в земле при замыкании – вектор искомых переменных;

Растекание тока в земле при замыкании – вектор начальных приближений;

Растекание тока в земле при замыкании – текущее время расчета;

Растекание тока в земле при замыкании – количество решаемых уравнений.


Полученная система линейных алгебраических уравнений, записанная относительно вектора искомых переменных решается на каждом шаге методом Гаусса:


Растекание тока в земле при замыкании


где A – матрица текущих коэффициентов размером Растекание тока в земле при замыкании;

B – вектор-столбец начальных приближений и свободных членов системы уравнений.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что наличие особенностей в характере переходных процессов в сети с резистивно заземленной нейтралью, где частотные параметры тока и напряжения могут меняться в широких пределах, может быть причиной того, что широко распространенные в настоящее время в сетях собственных нужд электростанций реле РТЗ-51 (РТЗ-50, РТ-40/0,2) в условиях часто повторяющихся пробоев, так называемых клевков, не успевают успешно сработать, и могут находиться в таком состоянии длительное время даже при больших токах замыкания на землю. Хотя и небольшие по величине, но длительно действующие в этом случае перенапряжения могут вызвать повреждение электрооборудования сети. Исходя из изложенного, можно заключить, что резистивное заземление нейтрали сети собственных нужд электростанций не исключает возможности повреждения электрооборудования в условиях неустойчивого горения дуги, что и подтверждается в эксплуатации.

К числу недостатков резисторного заземления нейтрали сети 6 кВ следует также отнести низкую термическую стойкость бэтелового резистора при его величине 100–400 Ом, так как допустимая длительность замыкания при этом не превышает 1,2 минуты. По истечении этого времени присоединительный трансформатор, в нейтраль которого включен резистор, должен быть отключен и сеть переводится в режим с изолированной нейтралью со всеми присущими ей недостатками.

Самым распространенным в настоящее время методом предотвращения аварийных последствий от однофазных замыканий в рассматриваемых сетях является заземление нейтрали сетей через настроенные индуктивности (ДГК), которые, сохраняя преимущества сетей с изолированной нейтралью, призваны улучшить условия работы электрооборудования при однофазных замыканиях на землю. Такое улучшение предполагается за счет существенного снижения скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги и уменьшения тока в месте замыкания на землю до уровня активной составляющей и высших гармоник. Вследствие этого, происходит самопроизвольное погасание дуги, а, следовательно, сокращение объемов разрушений, связанных с термическим действием заземляющей дуги, а также снижением кратности перенапряжений до безопасной величины, так как появляются пути для истекания на землю статических зарядов с емкости элементов сети здоровых фаз. Однако для достижения таких результатов степень расстройки катушки не должна превышать пределов Растекание тока в земле при замыкании.

При установке в сетях 6–35 кВ катушки снижается скорость восстановления напряжения на больной фазе после погасания дуги. При точной настройке катушки в резонанс время восстановления напряжения до номинального составляет несколько секунд. За это время прочность изоляции в месте повреждения успевает восстановиться. Но этот процесс имеет и отрицательные стороны, потому что все это время на здоровых фазах держится напряжение порядка (1,9–2,3) Uф. Относительная длительность существования таких перенапряжений может привести к пробою изоляции в этих фазах, особенно в старых сетях с плохой изоляцией.

В реальных сетях настроить катушку точно в резонанс невозможно, так как индуктивность катушки регулируется дискретно. Допускается расстройка катушки v<5%. При расстройке в 5% восстанавливающееся напряжение на поврежденной фазе имеет характер биений. Огибающая напряжения достигает максимума, составляющего 1,78Uф. В дальнейшем огибающая напряжения стремится к Uф. Прочность изоляции к моменту максимума биений может восстановиться, но напряжение 1,78Uф на больной фазе может вызвать повторный пробой изоляции с последующей кратностью перенапряжений 2,89Uф. При расстройке более 25% кратность перенапряжений такая же, как в сетях без установки дугогасящей катушки. При этом кратность перенапряжений при перекомпенсации немного меньше, чем при недокомпенсации.

При наличии несимметрии настройка установленной в сети ДГК в резонанс ведет к резкому увеличению напряжения смещения нейтрали в нормальном режиме работы сети. Причем несимметрия емкостей фаз относительно земли сильнее влияет на величину смещения нейтрали, чем несимметрия активных сопротивлений изоляции.

На основе проведенных исследований кафедрой «Электрические станции» Донецкого национального технического университета было предложено для устранения выявленных недостатков, вызванных смещением нейтрали сети и длительным существованием повышенных напряжений в режимах замыкания фазы на землю, параллельно ДГК подключить через контактор резистор. Сопротивление резистора выбирается таким, чтобы напряжение несимметрии не превышало допустимого, а величина и длительность перенапряжений были минимальными. Для того чтобы резистор не перегревался большими токами при устойчивом однофазном замыкании он отключается с помощью контактора с выдержкой времени 0,5 с при превышении напряжения нулевой последовательности 20% от номинального.

Из всего разнообразия направлений работы по совершенствованию системы компенсации емкостных токов на землю к практической реализации оказались приемлемыми и получили широкое распространение ДГК типа ЗРОМ со ступенчатым регулированием индуктивности катушки и плунжерные ДГК с плавным регулированием индуктивности. В первом случае регулирование осуществляется путем переключения ответвлений на рабочей обмотке ДГР. Шаг регулирования по току для таких аппаратов составляет не менее 10% от полного тока катушки. Переключение отпаек производится только вручную при полностью снятом напряжении. Следовательно, в современных условиях дефицита мощности и наличия графика аварийного отключения электроприемников при использовании таких ступенчато регулируемых дугогасящих аппаратов возникновение значительных расстроек компенсации является неизбежным.

Во втором случае регулирование ДГК осуществляется за счет плавного изменения величины воздушного зазора между подвижными частями магнитопровода (плунжерами). Такие катушки обладают линейной намагничивающей характеристикой во всех режимах работы сети. Эксплуатируются, как правило, в блоке с устройствами автоматической регулировки компенсации и обеспечивают скорость регулирования по току в пределах 0,25–2 А/с.

В качестве регуляторов используют беспоисковые, изготовленные, как правило, кустарным способом устройства, основанные на принципе фазовой автоподстройки частоты контура нулевой последовательности и рабочего напряжения сети. Регуляторы не имеют системы контроля выхода объекта регулирования в область резонанса и не имеют обратной связи по степени настройки катушки. Если учесть, что точность настройки в значительной мере зависит от суммарной емкости всей сети, длительных и случайных изменений состояния изоляции электрооборудования, большого количества возможных параметрических возмущающих факторов и т.д., которые требуют периодического вмешательства обслуживающего персонала в систему регулирования, то становится очевидным, что в условиях эксплуатации контроль степени настройки катушки значительно затруднен, а высокая точность настройки мало вероятна.

Предлагается также повышение надежности работы сетей собственных нужд 6 кВ электростанций за счет перевода всех возникающих в системе собственных нужд однофазных замыканий на землю в глухие замыкания. Для этой цели следует подключить между сборными шинами 6 кВ и землей три однополюсных выключателя с индивидуальным приводом и управлением (рис. 2).

При возникновении любого вида однофазного замыкания на землю с помощью устройства выбора поврежденной фазы (УВПФ) происходит автоматическое включение соответствующего шунтирующего однофазного выключателя (КМ1-КМ3), соединенного с землей, и тем самым шунтирующего поврежденную фазу. Устройство выбора поврежденной фазы срабатывает с выдержкой времени порядка 0,5 с, отстроенной от времени действия защит на отходящих присоединениях. Пусковой орган УВПФ срабатывает при условии возникновения на трансформаторе TV напряжения 3Uо, превышающего заданную уставку, и при снижении одного из фазных напряжений до заданного уровня подает команду на включение соответствующего шунтирующего выключателя (КМ1-КМ3).


Растекание тока в земле при замыкании

Рисунок 2 – Принципиальная схема ограничения перенапряжений и перевода дуговых замыканий в глухие

Ограничение перенапряжений в системе собственных нужд осуществляется за счет подключения к сборным шинам нелинейных оксидно-цинковых активных сопротивлений типа ОПН-КС-6/47. Последние обеспечивают глубокое ограничение перенапряжений до уровня 2Uф. Однако их недостатком является низкая термическая стойкость, так как допустимое время работы составляет порядка 2 с в режиме однофазного замыкания на землю в сети 6 кВ. В связи с этим предложено в цепи нейтрали фазных ОПН, соединенных в звезду (рис. 1), подключить однополюсный выключатель, через который происходит соединение нейтрали ОПН с землей. При этом между шунтирующими выключателями КМ1-КМ3 и выключателем нейтрали ОПН КМ0 выполняется блокировка, которая при включении любого из шунтирующих выключателей автоматически отключает выключатель нейтрали КМ0 и переводит два последовательно соединенных ОПН на подключение к линейному напряжению, чем ограничивается их время работы при однофазном замыкании на землю.

Подавление перенапряжений в сети