В данном примере рассмотрим расчет тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) для подстанции 10 кВ (Схема подстанции представлена на Рис.1). Релейная защита и автоматика всех фидеров выполнена на микропроцессорных терминалах SEPAM S40 (фирмы Schneider Electric).
Рис.1 — Схема подстанции 10 кВ
1. Чтобы повысить точность наших расчетов при определении ОЗЗ используем метод, основанный на определении удельного емкостного тока замыкания на землю. (Также значения удельного емкостного тока замыкания на землю, можно использовать из справочных данных из таблицы 1, либо же взять из технических характеристик кабеля, которые предоставляет Завод-изготовитель)
где:
- Uф — фазное напряжение сети, кВ;
- ω = 2Пf = 314(рад/с);
- Со — емкость одной фазы сети относительно земли (мкФ/км);
2. После того как мы определили удельный емкостной ток замыкания на землю, рассчитываем собственный емкостной ток кабельной линии:
Таблица 1 — Удельное значения емкостных токов в кабельных сетях (А/км)
Результаты расчетов заносим в таблицу 2.
Таблица 2 — Результаты расчетов
| Наименование присоединения | Тип реле защиты | Марка кабеля, сечение, мм.кв |
Длина, км | Удельный емкостной ток замыкания на землю Iс, А/км | Собственный емкостной ток кабельной линии Iс.фид.макс,А |
|---|---|---|---|---|---|
| КЛ-10 кВ №1 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х120 | 0,5 | 1,89 | 0,945 |
| КЛ-10 кВ №2 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х95 | 0,3 | 1,71 | 0,513 |
| КЛ-10 кВ №3 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х70 | 0,7 | 1,55 | 1,085 |
| КЛ-10 кВ №4 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х95 | 0,3 | 1,71 | 0,513 |
| КЛ-10 кВ №5 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х70 | 0,2 | 1,55 | 0,31 |
| КЛ-10 кВ №6 | SEPAM S40 | АПвЭВнг-3х95 | 0,6 | 1,71 | 1,026 |
3. Рассчитываем ток срабатывания защит, при этом отстраиваемся от собственного емкостного тока по формуле (данное условие обеспечивает несрабатывание защиты при внешнем однофазном замыкании на землю):
где:
- Кн – коэффициент надежности (принимаем равным 1,2);
- Кбр – коэффициент «броска», который учитывает бросок емкостного тока в тот момент, когда возникает ОЗЗ;
- Ic.фид.макс– максимальный емкостный ток защищаемого фидера.
Для электромеханических реле рекомендуется принимать Кбр= 2–3. При этом защита выполняется без выдержки времени. При использовании для защиты от ОЗЗ современных цифровых реле, можно принимать значения Кбр=1–1,5 (обращаю Ваше внимание, что данный коэффициент лучше уточнить у фирмы-изготовителя). Для SEPAM S40 рекомендуется принимать Кбр= 1-1,5.
Первичный ток срабатывания защит составляет:
- КЛ-10 кВ №1 Iсз = 1,134 А;
- КЛ-10 кВ №2 Iсз = 0,62 А;
- КЛ-10 кВ №3 Iсз = 1,3 А;
- КЛ-10 кВ №4 Iсз = 0,62 А;
- КЛ-10 кВ №5 Iсз = 0,37 А;
- КЛ-10 кВ №6 Iсз = 1,23 А
4. Проверяем чувствительность защит, с учетом, что будет включено минимальное количество включенных линий, в нашем случае это все присоединения, которые находятся на секции.
Обращаю Ваше внимание, что коэффициент чувствительности согласно ПУЭ пункт 3.2.21 равен: для кабельных линий — 1,25, для воздушных линий — 1,5. В книге «Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г» приводиться Кч=1,5-2,0. В данном расчете, я принимаю коэффициент чувствительности по ПУЭ. Какой коэффициент чувствительности принять, выбирайте уже сами.
где:
IсΣmin — наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока.
В моем случае наименьшее реальное значение суммарного емкостного тока, является суммарный емкостной ток по секциям:
- I секция — IсΣmin = 2,543 (А);
- II секция — IсΣmin = 1,849 (А);
5. Определяем время срабатывания защит от ОЗЗ:
Для всех отходящих кабельных линий 10 кВ время срабатывания защит принимаем равным 0,1 сек.
Таблица 3 — Результаты расчетов срабатывания защит от ОЗЗ
| Наименование присоединения | Тип реле защиты | Первичный ток срабатывания Iсз, А |
Время срабатывания защиты, сек | Коэффициент чувствительности, Kч |
|---|---|---|---|---|
| КЛ-10 кВ №1 | SEPAM S40 | 1,134 | 0,1 | 1,4 > 1,25 |
| КЛ-10 кВ №2 | SEPAM S40 | 0,62 | 0,1 | 3,27 > 1,25 |
| КЛ-10 кВ №3 | SEPAM S40 | 1,3 | 0,1 | 1,12 < 1,25 |
| КЛ-10 кВ №4 | SEPAM S40 | 0,62 | 0,1 | 2,2 > 1,25 |
| КЛ-10 кВ №5 | SEPAM S40 | 0,37 | 0,1 | 4,2 > 1,25 |
| КЛ-10 кВ №6 | SEPAM S40 | 1,23 | 0,1 | 0,67 < 1,25 |
Для присоединений КЛ-10 кВ №3 и №6 чувствительности защиты недостаточно, поэтому мы должны применить вместо терминала Sepam S40 → терминал Sepam S41 или S42, который позволит выполнить направленную защиту нулевой последовательности.
Для того что бы не тратить много времени на расчет вручную, была сделана: «Программа по расчету уставок защиты от замыканий на землю.
Литература:
- Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. М.А. Шабад -2003 г.
- РД 34.20.179 Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ — 1993 г.
- Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Расчет уставок ненаправленных токовых защит. Шалин А.И. // Новости ЭлектроТехники. – 2005 г.
Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.
Током замыкания
на землю называется ток, проходящий
через место замыкания на землю, т. е. в
месте случайного электрического
соединения токоведушей части
непосредственно с землей или нетоковедущими
проводящими конструкциями или предметами,
не изолированными от земли.
Электроустановки
по значению тока замыкания на землю
условно разделяются на две группы:
а.
Установки
с большими токами замыкания на землю,
в которых однофазный ток замыкания
на землю больше
500 А. К ним
относятся установки трехфазного
тока напряжением
110 кВ и выше
с глухозаземленной нейтралью, т. е.
присоединенной к заземляющему
устройству непосредственно или через
малое сопротивление (трансформатор
тока и др.).
б.
Установки с малыми токами замыкания на
землю, в которых однофазный ток замыкания
на землю не превышает
500 А. К ним
относятся установки трехфазного тока
напряжением до
35 кВ
включительно с изолированной
нейтралью, т. е. не присоединенной к
заземляющему устройству или присоединенной
через аппараты, компенсирующие емкостный
ток в сети, трансформаторы напряжения
и другие аппараты, имеющие большое
сопротивление.
В установках с
большими токами замыкания на землю
расчетным током является наибольший
из токов однофазного замыкания
(установившееся значение), проходящих
через рассчитываемое заземляющее
устройство. При определении этого
тока должны быть учтены: возможность
замыкания фазы на землю как в пределах
проектируемой электроустановки, так и
вне ее; распределение тока замыкания
на землю между заземленными нейтралями
сети; различные варианты схем работы
сети.
Покажем это на
примере сети с несколькими подстанциями,
приведенной на рис.1
а) нейтрали
трансформаторов заземлены на всех
подстанциях Тогда при замыкании
одной из фаз на землю ток Iз,
стекающий в землю, будет равен сумме
токов, посылаемых к месту замыкания
каждой подстанцией, т. е. Iз
= IА
+ IВ
+ IС
Если замыкание
произошло а пределах одной подстанции,
например А,
то токи, проходящие через заземления
подстанций, будут: для подстанции А
– Iз,
а для других – соответственно IВ
и IС
.
б) если замыкание
фазы на землю произошло вне подстанций,
то через заземления подстанций будут
проходить токи IА
, IВ
и IС
соответственно.
Рис.1.
К определению тока замыкания на землю
в установках выше 1000
В с большими токами замыкания на
землю.
в) если на подстанциях
А
и С
нейтрали изолированы, то при замыканий
фазы на землю на подстанции А
через заземляющие устройства подстанций
А
и В
пройдет полный ток замыкания на землю
Iз
= IВ
, который посылается подстанцией В.
Очевидно,
при этой схеме во всех случаях замыкания
наибольшим током для каждой подстанции
будет ток IВ;
он и будет расчетным током.
В установках с
малыми токами замыкания на землю
расчетный
ток зависит от наличия аппаратов,
компенсирующих емкостный ток сети.
В установках,
не имеющей компенсирующих аппаратов,
расчетным является полный ток замыкания
на землю. Для сети с изолированной
нейтралью он приближенно определяется
выражением:
где, U
– линейное
напряжение, кВ;
LКЛ,
LВЛ
– длины электрически связанных кабельных
и воздушных линий электропередачи.
Для установки с
малыми токами замыкания на землю в целях
упрощения допускается принимать в
качестве расчетного ток срабатывания
релейной защиты от междуфазных замыканий
или ток плавления предохранителей, если
эта защита обеспечивает отключение от
замыкания на землю. В этом случае ток
замыкания на землю должен быть не менее
1,5 – кратного тока срабатывания релейной
защиты или 3-кратного номинального тока
предохранителя.
В установках с
компенсацией емкостных токов в качестве
расчетного принимается ток равный 125 %
номинального тока аппарата:
Соседние файлы в папке ИДЗ-3заземл
- #
- #
- #
Определение понятия.
Ток замыкания на землю (earth fault current) — это электрический ток, протекающий в землю, открытые и сторонние проводящие части и защитный проводник при повреждении изоляции части, находящейся под напряжением (согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]). В некоторой нормативной документации термин «ток замыкания на землю» имеет другое название «ток повреждения на землю».
В условиях повреждения возможно замыкание какой-то токоведущей части электроустановки здания на стороннюю проводящую часть здания. Из токоведущей части в стороннюю проводящую часть будет протекать электрический ток, который также является током замыкания на землю.
В своей книге [2] Харечко Ю.В. пишет о том, как возникает ток замыкания на землю:
« В аварийном режиме электроустановки здания из-за повреждения изоляции какой-то токоведущей части резко уменьшается сопротивление между этой токоведущей частью, с одной стороны, и открытой проводящей частью электрооборудования класса I и присоединенным к ней защитным проводником, сторонними проводящими частями, а также землей, с другой стороны. В результате этого резко увеличивается величина электрического тока, протекающего из токоведущей части в открытую проводящую часть электрооборудования класса I и присоединенный к ней защитный проводник, в сторонние проводящие части, в землю, а также в проводящие части, соединенные защитными проводниками с заземляющим устройством электроустановки здания и с заземленной токоведущей частью источника питания. »
[2]
Подобный электрический ток, протекающий в условиях единичного или множественных повреждений, в международной нормативной документации называют током повреждения на землю, а в национальной нормативной документации – током замыкания на землю.
Путь протекания.
О том по каким путям протекает ток замыкания на землю, наиболее полно, на мой взгляд, написал Ю.В. Харечко в своей книге [2]. Приведу основные цитаты:
« Путь, по которому может протекать ток замыкания на землю в системе распределения электроэнергии, зависит от типа заземления системы. Рассмотрим наиболее распространенную систему распределения электроэнергии, которая представляет собой электроустановку здания, подключенную к низковольтной распределительной электрической сети, состоящей из понижающей трансформаторной подстанции (ПС) и воздушной (ВЛ) или кабельной (КЛ) линии электропередачи. »
[2]
« Если произошло повреждение основной изоляции какой-либо опасной токоведущей части электрооборудования класса I и возникло ее замыкание на открытую проводящую часть, то в электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы TT (рис. 1), ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть. Далее из открытой проводящей части по защитному проводнику, главной заземляющей шине, заземляющим проводникам и заземлителю электрический ток протекает в локальную землю. Через землю ток замыкания на землю протекает к заземлителю заземляющего устройства источника питания, которым является трансформатор, установленный в трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. К этому заземляющему устройству присоединена токоведущая часть источника питания, а именно – нейтраль понижающего трансформатора. »
[2]
« В электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы IT, ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть. Далее из открытой проводящей части по защитному проводнику, главной заземляющей шине, заземляющим проводникам и заземлителю электрический ток протекает в локальную землю. Поскольку в системе IT нейтраль трансформатора, установленного в ПС, обычно изолирована от земли, ток замыкания на землю через землю и полные сопротивления фазных проводников относительно земли протекает в находящиеся под напряжением фазные проводники. »
[2]
На рисунке 1 показан путь протекания тока замыкания на землю в системе TT. На рисунке обозначено: 1 — заземляющее устройство источника питания; 2 — заземляющее устройство электроустановки здания; ПС — трансформаторная подстанция; ВЛ (КЛ) — воздушная (кабельная) линия электропередачи; Iз — ток замыкания на землю
Применительно к системам TT и IT можно говорить о «классическом» пути протекания «классического» тока замыкания на землю, а именно – из токоведущей части в землю.
Далее Харечко Ю.В. детализирует путь протекания тока замыкания на землю для случая, если электроустановка здания соответствует типам заземления системы TN [2]:
« Если электроустановка здания соответствует типам заземления системы TN-S, TN-C или TN-C-S (рис. 2), ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть электрооборудования класса I и присоединенные к ней защитные проводники электроустановки здания. Далее преобладающая доля тока замыкания на землю по PEN-проводникам низковольтной распределительной электрической сети протекает к заземленной нейтрали трансформатора. Одновременно незначительная доля тока замыкания на землю протекает в земле параллельно PEN-проводнику линии электропередачи между заземляющими устройствами электроустановки здания и источника питания. Указанный путь протекания тока замыкания на землю следует рассматривать в качестве характерного пути его протекания в системе TN-C-S. В системах TN-S и TN-C токи замыкания на землю протекают по аналогичным путям, которые различаются лишь видом защитных проводников, применяемых в электроустановках зданий и линиях электропередачи, соответствующих типам заземления системы TN-S и TN-C. »
[2]
Харечко Ю.В. подводит итог [2]:
« Таким образом, основные пути, по которым протекают токи замыкания на землю в системах TN, резко отличаются от «классических» путей их протекания в системах TT и IT. Однако эти искусственные проводящие пути созданы специально с целью многократного увеличения токов замыкания на землю в системах TN, по сравнению с аналогичным током в системе TT и тем более в системе IT. »
[2]
На рис. 2 показан путь протекания тока замыкания на землю в системе TN-C-S. Обозначения такие же как и на рисунке 1.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] поясняет как протекает ток замыкания на землю аварийного электрооборудования классов 0, II и III:
« Токи замыкания на землю аварийного электрооборудования классов 0, II и III протекают по менее определенным проводящим путям, чем у электрооборудования класса I, например, через проводящую оболочку электрооборудования в землю или сторонние проводящие части. Причем частью этого проводящего пути может быть тело человека, который держит в руках переносное электрооборудование или находится в электрическом контакте с доступными проводящими частями передвижного или стационарного электрооборудования классов 0, II и III. Ток замыкания на землю может протекать через полы, стены и другие элементы здания, если они имеют незначительное сопротивление или по каким-то причинам (например, из-за повышенной влажности) их сопротивление резко уменьшилось, а также по иным заранее неизвестным проводящим путям. »
[2]
Величина.
В своей книге [2] и статье [4] Харечко Ю.В. подробно пишет о величине токов замыкания на землю в зависимости от типа заземления системы. Приведу основные цитаты:
« Величина тока замыкания на землю зависит от типа заземления системы, которому соответствует электроустановка здания. Наименьшие токи замыкания на землю (обычно до 1 А) имеют место в системах IT, в которых токоведущие части источников питания изолированы от земли или какие-то их токоведущие части соединены с землей через большие сопротивления. »
[2]
« Существенно бóльшие токи замыкания на землю (до нескольких десятков ампер) возникают в системах TT. Ток замыкания на землю здесь приблизительно равен частному от деления номинального фазного напряжения на сумму полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания. »
[2,4]
« Очень большие токи замыкания на землю (до нескольких тысяч ампер), могут быть в электроустановках зданий, соответствующих типам заземления системы TN-C, TN-S и TN-C-S. Токи замыкания на землю в системах TN сопоставимы с токами однофазного короткого замыкания, поскольку фазный проводник замыкается на защитный проводник, PEN-проводник или комбинацию этих проводников, соединенных с заземленной токоведущей частью источника питания. »
[2,4]
Расчетная оценка тока замыкания на землю.
О том как правильно производить расчетную оценку токов замыкания на землю писал Харечко Ю.В. в своей книге [2]. Привожу основные цитаты:
« Для оценки токов замыкания на землю рассмотрим схемы замещения систем TT (рис. 3) и TN-C-S (рис. 4), которые соответственно представлены на рис. 1 и 2. В схемах замещения не показаны полные сопротивления источника питания и земли, поскольку они незначительно влияют на оценку токов замыкания на землю. Поскольку далее рассматриваются короткие замыкания на землю, в схемах замещения отсутствуют переходные сопротивления между фазными и защитными проводниками электроустановок зданий. »
[2]
На рисунке 3 приняты следующие обозначения:
- ZL ЛЭП – полное сопротивление фазного проводника линии электропередачи от низковольтного распределительного устройства ПС до вводных зажимов электроустановки здания;
- ZL ЭЗ – полное сопротивление фазных проводников распределительных и конечных электрических цепей от вводных зажимов электроустановки здания до места замыкания на землю;
- ZPE ЭЗ – полное сопротивление защитных проводников распределительных и конечных электрических цепей от главной заземляющей шины заземляющего устройства электроустановки здания до места замыкания на землю;
- ZЗУ ИП – полное сопротивление заземляющего устройства источника питания;
- ZЗУ ЭЗ – полное сопротивление заземляющего устройства электроустановки здания;
- IEF — ток замыкания на землю.
« В системе TT ток замыкания на землю, генерируемый источником питания, протекает в замкнутом контуре, образованном полными сопротивлениями фазных проводников ВЛ или КЛ, фазных и защитных проводников электрических цепей электроустановки здания, а также полными сопротивлениями заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания. Сумма полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания ZЗУ ИП и электроустановки здания ZЗУ ЭЗ обычно многократно превышает сумму полных сопротивлений фазных и защитных проводников линии электропередачи и электроустановки здания. Поэтому ток замыкания на землю в системе TT можно приближенно определить по формуле:
IEF ≈ Uo / (ZЗУ ИП + ZЗУ ЭЗ) ,
где Uo – номинальное напряжение переменного или постоянного тока линейного проводника относительно земли, В. »
[2]
Если, например, номинальное напряжение электроустановки здания 230/400 В, полное сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора, установленного в ПС, равно 4 Ом, а полное сопротивление заземляющего устройства электроустановки здания – 10 Ом, то максимальное значение тока замыкания на землю будет приблизительно равно:
IEF ≈ 230 В / (4 + 10) Ом ≈ 16,4 А,
где 230 В – номинальное фазное напряжение.
« Если какая-то токоведущая часть источника питания в системе IT заземлена через сопротивление, ток замыкания на землю протекает по аналогичному проводящему пути. Его значение можно рассчитать по указанной выше формуле. Если в системе IT все токоведущие части изолированы от земли, ток замыкания на землю из земли протекает в фазные проводники через их емкостные сопротивления относительно земли. »
[2]
К обозначениям описанным для рисунка 3, на рисунке 4 добавлено следующее:
- ZPEN ЛЭП – полное сопротивление PEN-проводника линии электропередачи от низковольтного распределительного устройства ПС до вводных зажимов электроустановки здания.
Для системы TN-C-S Харечко Ю.В. поясняет отдельно [2]:
« В системе TN-C-S преобладающая часть тока замыкания на землю протекает в замкнутом контуре, образованном полными сопротивлениями фазных проводников ВЛ или КЛ, фазных и защитных проводников электрических цепей электроустановки здания, а также полным сопротивлением PEN-проводника линии электропередачи. Сумма полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания многократно превышает полное сопротивление PEN-проводника линии электропередачи. Поэтому частью тока замыкания на землю, который протекает через эти два сопротивления, включенные параллельно сопротивлению PEN-проводника, можно пренебречь. »
[2]
« Поскольку сечения и протяженности нейтральных и защитных проводников распределительных и конечных электрических цепей от вводных зажимов электроустановки здания до места замыкания на землю, как правило, равны, равны и полные сопротивления этих проводников. Поэтому максимальное значение тока замыкания на землю в системе TN-C-S равно току однофазного короткого замыкания между фазным и нейтральным проводниками в электрических системах переменного тока или току однополюсного короткого замыкания между полюсным и средним проводниками в электрических системах постоянного тока. »
[2]
Если электроустановка здания расположена близко к ПС и подключена к ней линией электропередачи, имеющей проводники большого сечения, или трансформаторная подстанция встроена в здание, при расчете токов короткого замыкания на землю следует учитывать сопротивление трансформатора.
Мера защиты.
О том, как защититься от токов замыкания на землю писал Харечко Ю.В. в своей книге [2]:
« Для защиты от поражения электрическим током в электроустановках зданий применяют специальную меру защиты – автоматическое отключение питания, ориентированную на распознавание токов замыкания на землю и отключение электрических цепей, в которых произошли замыкания на землю. В зависимости от типа заземления системы, которому соответствует электроустановка здания, отключение электрических цепей с аварийным электрооборудованием класса I выполняют с помощью различных защитных устройств. »
[2]
- « В системах TN-S, TN-C и TN-C-S, характеризующихся очень большими токами замыкания на землю, автоматическое отключение обычно обеспечивают посредством устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей;
- В системах TT, имеющих небольшие токи замыкания на землю, автоматическое отключение в большинстве случаев осуществляют с помощью устройств дифференциального тока (УДТ);
- В системах IT обычно используют устройства контроля изоляции, которые индицируют появление первого замыкания на землю. »
Электрический ток, протекающий через тело человека или животного в землю или проводящие части, электрически соединенные с землей, при его прикосновении к находящейся под напряжением токоведущей части или открытой проводящей части, является током замыкания на землю. Обнаружение и отключение подобного тока возможно с помощью устройства дифференциального тока. Практически все защитные устройства, которые отключают токи замыкания на землю, прямо или косвенно защищают людей и животных от поражения электрическим током в условиях повреждений.
Использованная литература
- ГОСТ 30331.1-2013
- Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 3// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2013. – № 4. – 160 c.;
- Харечко В.Н., Харечко Ю.В. О токе замыкания на землю, токе утечки и дифференциальном токе// Главный энергетик. – 2007. – № 7.
- Харечко Ю.В. Ток замыкания на землю// Электрика. – 2013. – № 8.
Понятие и расчет тока замыкания на землю
Такое явление, как растекание тока при замыкании на землю одного из фазных проводников, возникает вследствие его случайного соприкосновения с грунтом. К этому же типу внештатных ситуаций следует отнести и снижение изоляционных характеристик защитной оболочки кабеля, проложенного в земле.
Явление растекания
В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.
При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.
Одновременно с этим суммарный магнитный поток (индукция) в двух других обмотках НТМИ увеличится в √3 раз, а соответствующими вольтметрами вместо фазного измеряется линейное напряжение.
В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.
Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.
Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:
С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:
Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.
Последствия замыкания
Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.
Стекание тока
Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.
В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.
Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.
Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.
Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.
Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.
В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.
Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).
Возникновение дуги
Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.
Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.
Компенсационные меры защиты
В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.
Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (смотрите рисунок 1, б). С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.
Практически установлено, что при наличии компенсатора воздушные и кабельные линии могут работать в критическом аварийном режиме довольно продолжительное время и вот почему.
Как только протекающий в реакторе индуктивный ток Ip сравнивается по своей величине с противофазной емкостной составляющей Ic – наблюдается эффект компенсации, при котором Iр + Iс = 0 (явление резонанса токов).
Реакторы с индуктивным импедансом достаточно просто настраиваются на работу с переменным значением компенсационного потока и могут эксплуатироваться в режимах недо- и перекомпенсации.
Использование дугогасящего реактора оказывает определённое влияние на распределение потенциалов в линейных проводах и в нейтрали. В последней появляется напряжение смещения Ucм , вызванное асимметрией в цепи и приложенное к выводам реактора.
В резонансном режиме такое рассогласование приводит к искажению нормальной картины распределения потенциалов даже в отсутствии однофазного замыкания (ОЗЗ).
Искусственное предупреждение резонансных явлений может быть достигнуто путём преднамеренного рассогласования соответствующих цепей, в результате чего удаётся снизить Ucм и выровнять показания контрольных приборов.
Дополнительное замечание. Варьировать величину компенсационных токов допускается в пределах, при которых образовавшееся в случае аварии рассогласование не приводило бы к появлению Ucм более чем 0,7 Uф.
Порядок расчёта параметров однофазного замыкания
Расчет емкостного тока замыкания предлагаем рассмотреть на примере типовых электрических подстанций с действующим напряжением 10 киловольт.
Для повышения точности проводимых при этом выкладок советуем воспользоваться методом, при котором за основу берётся показатель удельного ёмкостного тока. (С его рабочими значениями можно будет ознакомиться в одной из таблиц, приведённых в приложении). Формула, в соответствии с которой рассчитывается этот показатель, выглядит следующим образом:
где:
Uф – эта фазное напряжение 3-х фидерной электросети, киловольты,
ω=2Пf=314(радианы/секунду).
Со – величины ёмкости каждой отдельной фазы по отношению к земле (микрофарады/километры).
Сразу же вслед за этим можно будет приступать к определению величины ёмкостной составляющей тока в самой фидерной линии:
По завершении основного расчёта переходим к определению параметров срабатывания защиты от перенапряжений (компенсационных токов).
При их проведении следует исходить из показателя емкостного тока защиты, определяемого по формуле:
где:
Кн – показатель надежности работы защиты (обычно он принимается равным 1,2),
Кбр – показатель так называемого «броска», учитывающий скачок тока в момент возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ),
Ic фидера макс. – емкостный ток подлежащего защите фидера.
Соблюдение неравенства, обозначенного в приведённой выше формуле, позволяет обеспечить условия, при которых даже при возникновении однофазного замыкания на землю защита не будет срабатывать.
Для реле ЭМ типа рекомендуемый показатель надёжности срабатывания защиты, как правило, выбирается равным 2 или 3 единицам. При этом в защитной схеме не предусматривается специальная временная задержка. При установке в этих цепях цифровых реле рабочее значение показателя Кбр = 1-1,5.
В заключение отметим, что для различных промышленных устройств фидерной защиты указанные параметры могут иметь значения, несколько отличающиеся от тех, что приведены в расчётах.
