Зависимость электрических величин от режима нейтрали при замыкании фазы на землю

Зависимость электрических величин при замыкании фазы на землю от режима нейтрали удобно рассмотреть по схеме рис. 1. В этой схеме режим нейтрали будет варьироваться изменением сопротивления в нейтрали (Х _н или R _н) или проводимости нейтрали .

Каждая единица длины любой сети обладает емкостью С и активным сопротивлением изоляции (из-за несовершенства ее) по отношению к земле. Распределенные вдоль линии емкости С и активные проводимости изоляции каждой фазы G представлены на рис. 1 в виде сосредоточенных емкостей

С_А = С_В = С_С = С _Ф и проводимостей G_А = G_В = G_С. Тогда полные проводимости фаз относительно земли в комплексной форме будут иметь вид

 

U_А = G_А + j w С_А; U_В = G_В + j w С_В; U_С = G_С + j w С_С. (1)

 

Обычно активной проводимостью фазной изоляции G _Ф относительно земли можно пренебречь по сравнению с емкостной и в расчетах не учитывать.

Напряжение между нейтралью системы и землей может быть определено в любом режиме работы по формуле

 

(2)

 

Примем, что (фаза А – основная), тогда ,

где а – фазовый множитель, учитывающий сдвиг фаз

 

(3)

 

 

С учетом этого выражение (2) может быть записано в виде

 

(2,а)

 

Напряжения на неповрежденных фазах при несимметричных режимах определяются из выражений

 

(4)

 

Токи в фазах при несимметрии системы соответственно равны

 

(5)

 

Ток в нулевом проводнике определяется как

 

(6)

В сетях с изолированной нейтралью U _н = 0 проводимость замкнутой на землю фазы, например, фазы А, равна

(7)

 

где R _п - переходное сопротивление в месте замыкания.

Если пренебречь проводимостью фаз G_А + G_В + G_С, то проводимость замкнутой на землю фазы будет равна . Тогда напряжение смещения нейтрали

(8)

 

При металлическом замыкании на землю R _п = 0, U _н = - U _ф и емкостный ток через место замыкания будет максимален и равен

 

(9)

 

В симметричном режиме U_А + U_В + U_С + U _Ф и, учитывая, что , получим, что

 

I ₃= - 3 U _ф U _ф = -3w СU _ф. (10)

 

В сетях с компенсированной нейтралью (рис. 5) при замыкании какой-либо фазы на землю через место замыкания протекает емкостный ток замыкания на землю такой же величины, как и в сетях с изолированной нейтралью и индуктивный ток катушки I _L, которые отличаются по фазе на угол 180^о и, следовательно, они компенсируют друг друга. Если индуктивную проводимость катушки U_L выбрать приблизительно равной сумме емкостных проводимостей фаз, то I ₃ будет равен нулю. Теоретически точность компенсации равна ± 20 %, так как через место аварии кроме емкостного тока течет ток, обусловленный активной проводимостью катушки, и токи утечки, обусловленные состоянием изоляции сети, т. е. проводимостями G_А, G_В, G_С.

Результирующий ток замыкания на землю какой-либо фазы с нейтралью, заземленной через катушку (L_к), может быть определен из уравнения

(11)

 

которое можно преобразовать к виду

(12)

 

При условии резонанса, полагая, что r_к << wL_к

 

(13)

 

Рис. 5. Схема замещения сети с нейтралью, заземленной через катушку индуктивности и пути протекания токов в аварийном режиме

Rк

L к

Iк

Iк

IСС

Icc

Icc

Iсв

Iсв

Iсв

I за = I к- Icc - Iсв

Ico

Iк

Iк

Cв

Са =0

Сс

 

 

 

 

Однофазное замыкание на землю в системах с глухозаземленной нейтралью представляет собой однофазное КЗ, так как поврежденная фаза оказывается короткозамкнутой через землю и нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями источников питания и линий и поэтому является током КЗ (рис. 2). При этом ток замыкания практически не зависит от величины сопротивления изоляции и емкости системы относительно земли, так как где R ₃ – сопротивление заземляющего устройства. Поэтому ток однофазного КЗ на землю приближенно можно определить из выражения

 

(14)

Точно этот ток рассчитывается методом симметричных составляющих.

Напряжение всех фаз относительно земли при замыкании фазы А на землю согласно выражений (4) будет равно

 

 

Емкостные токи фаз при замыкании на землю фазы А также определяются геометрической суммой емкостных токов фаз в нормальном режиме и током смещения нейтрали .

Следовательно,

 

Емкостный ток (полный) замыкания на землю I _{3 А} равен геометрической сумме емкостных токов неповрежденных фаз в аварийном режиме