Замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

Если в сетях напряжением 0,38 , 110 кВ и выше всякое замыкание на землю представляет собой однофазное короткое замыкание (вследствие глухого заземления нейтрали), то в электрических сетях 6…35 кВ включительно соединение провода с землёй не является коротким замыканием ( так как нейтраль изолирована от земли). Такое замыкание в рассматориваемых сетях называется замыканием на землю.

При замыкании на землю, если переходное сопротивление в месте замыкания равно нулю, то напряжение повреждённой фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжение неповреждённых фаз – повышается в раз и становится равным междуфазному.

Провода ВЛ обладают ёмкостью по отношению к земле, и через неё течёт ёмкостный ток замыкания на землю. Сила этого тока не велика, она составляет единицы или десятки ампер, но при некоторых условиях может вызвать отрицательные последствия. Поэтому необходимо уметь определять силу тока замыкания на землю, чтобы оценить возможную опасность от его прохождения в сети.

Пусть имеем трёхфазную сеть с изолированной нейтралью (рис. 4.13 а). Ёмкости фазных проводов по отношению к земле приблизительно равны:

          .

Тогда токи, протекающие через эти ёмкости также равны:

т.е.  .

Кроме того, эти токи сдвинуты один относительно другого на угол 120⁰.

Следовательно, их геометрическая сумма равна нулю и ток в земле – отсутствует.   

При замыкании на землю, например фазы ''А'', её напряжение относительно земли станет равным нулю, следовательно, ток также будет равен нулю, т.е. .

При этом в двух других, неповреждённых фазах напряжение возрастёт в   раз, а токи в этих фазах будут определяться как геометрическая сумма с током  до замыкания.

Абсолютное значение токов в этих фазах будет определяться как по следующим выражениям.

Ток в фазе ''В'': ,

Ток в фазе ''С'': .

Ток в земле равен геометрической сумме токов в фазах:

             .

Из представленной векторной диаграммы (рис. 4.13, б), при условии, что , следует, что: ,

где - фазное номинальное напряжение сети; - угловая частота переменного тока при Гц;  - ёмкость линии по отношению к земле. Для ВЛ ; для КЛ: .

Рис. 4.13, б. Векторная диаграмма токов до и после замыкания фазы на землю

Подставив полученные значения в исходную формулу, можно получить приближённые формулы для определения тока замыкания на землю в сетях 6…35 кВ с изолированной нейтралью:

- для сетей, выполненных ВЛ:      ;

- для сетей, выполненных КЛ:       ,

где - линейное (междуфазное) напряжение, кВ; - общая длина всех электрически соединённых линий данного напряжения, км.

Величина тока замыкания на землю не должна превосходить следующих значений:

Напряжение, кВ:     6        10       20         35

Сила тока, А:          30       20         15         10.

В электрических сетях напряжением 6…35 кВ, выполненных на железобетонных или металлических опорах сила тока замыкания на землю во всех случаях не должна превышать 10 А.

Если сила тока не превышает указанных значений, то при замыкании фазы на землю нет необходимости немедленно отключать линию (если это не грозит безопасности людей и животных) и она может работать до тех пор, пока не будет найден и отключен для ремонта повреждённый участок (но не более чем на 2 часа).

  При токах, больше приведённых значений, в месте замыкания на землю может возникнуть перемежающаяся дуга. Она загорается и гаснет с частотой, равной рабочей частоте тока в установке или даже превышая её. В связи с этим в сети возникают перенапряжения, которые могут достигать трёх,-четырёхкратных значений номинального напряжения, что представляет опасность для изоляции, особенно при напряжении 35 кВ.

Кроме того, от термического действия дуги в месте замыкания на землю возникает опасность повреждения изоляции, разрушения железобетонных и возгорания деревянных опор. Вследствие этого увелдичивается вероятность перехода дуги замыкания на землю в короткое замыкание между фазами, особенно в кабельных сетях.

Для уменьшения тока замыкания на землю, который является ёмкостным, между нейтралью трансформатора и землёй включают дугогасительную индуктивную катушку. Её индуктивный ток может полностью компенсировать и даже перекомпенсировать ёмкостный ток замыкания на землю. Электрические сети, нейтраль которых соединена с землёй через индуктивную дугогасительную катушку, называются компенсированными.

Следует учитывать, что воздушные сети напряжением 35 кВ, не имеющие мощной нагрузки компенсируют в отдельных случаях. При этом при напряжении 6…20 кВ чаще всего компенсация не выполняется. Вместе с этим, в кабельных сетях ток замыкания на землю в 30…35 раз больше, чем в воздушных линиях при той же длине. Поэтому кабельные сети часто приходится компенсировать дугогасительными катушками даже при напряжении 6…10 кВ.