1.3. Параметры различных перенапряжений и степень их опасности для линий и оборудования

Перенапряжения прямого удара молнии

Этот вид перенапряжений наиболее опасен для всех видов изо­ляции. При прямом ударе молнии в линию электропередачи на проводах создается высокое напряжение относительно земли, под действием которого в обе стороны от места удара вдоль линии рас­пространяются электромагнитные волны. Прямой ток каждой вол­ны проходит по проводам, а обратный — по земле, при кратковре­менных импульсах этот ток проходит на небольшой глубине.

Дойдя до подстанции, набегающие с линии волны, создают на­пряжение на изоляции оборудования. Чтобы определить это на­пряжение, необходимо уметь рассчитывать деформацию волны при пробеге вдоль линии, ее преломление на элементах подстанции, как в узловой точке с иным сопротивлением. Для качественной и при­ближенной количественной оценки происходящих на подстанции процессов полезно проанализировать воздействие набегающих с линии волн на простейшие схемы, состоящие из активных сопро­тивлений, емкостей и индуктивностей.

При решении такой задачи необходимо установить форму им­пульса воздействующего напряжения и составить расчетную схему замещения. При ударе молнии в линию напряжение на проводах имеет форму апериодического импульса. В зависимости от характе­ра решаемой задачи обычно применяют один из трех более простых расчетных импульсов — прямоугольный импульс (рис. 1.11, а), им­пульс с косоугольным фронтом, он может быть представлен как разность двух бесконечных косоугольных импульсов, сдвинутых относительно друг дуга на время _ф (рис. 1.11, б), экспоненциаль­ный импульс (рис. 1.11, в).

Когда период собственных колебаний соизмерим с длительностью фронта, но много меньше длительности импульса, то в качестве рас­четного будет использоваться импульс с косоугольным фронтом; при этих условиях крутизна или амплитуда напряжения на выходе схе­мы зависят от длительности фронта и не зависят от длительности импульса, которая может быть принята бесконечно большой.

Расчетный экспоненциальный импульс применяется тогда, ко­гда постоянная времени или период собственных колебаний схемы намного больше длительности фронта, но соизмерим с длительно­стью импульса, в этом случае длительность фронта практически не влияет на крутизну и амплитуду напряжения на выходе схемы, ко­торые зависят от длительности импульса. Фронт импульса может быть принят прямоугольным, когда постоянная времени или пери­од собственных колебаний намного меньше длительности фронта воздействующей волны.

Рассмотрим случай, когда прямой удар молнии попадает в опо­ру линии. При наличии тросов ток молнии растекается по тросам и опоре (рис. 1.12).

В связи с этим возникают волны напряжения. Длина пролета между соседними опорами l_пр намного больше, чем высота опоры h_оп, и при крутых длинах фронта тока молнии влиянием заземле­ния тросов можно пренебречь. Весь волновой процесс будет про­исходить между узловой точкой А (точкой попадания прямого уда­ра молнии) и сопротивлением заземления троса R3 После прелом­ления в узловой точке волна направится по опоре к сопротивлению заземления; отразится с обратным знаком и вернется к точке А, в которой произойдет новое отражение. Таким образом, вдоль опо­ры будут совершать движения преломленные и отраженные вол­ны. Все волны, отраженные от сопротивления заземления, будут накладываться на напряжение падающей волны. При необходимос­ти можно рассчитать и построить изменение напряжения в точке А, а затем и на изоляции. Такие расчеты позволяют определить за­щитный уровень линии и приблизительно рассчитать удельное чис­ло отключений линий.

Прямой удар молнии в объект способен вызвать его разнооб­разные повреждения.

Индуктированные перенапряжения

Индуктированные перенапряжения на проводах линии электро­передачи возникают как при ударе молнии в землю вблизи линии, так и при прямом ударе молнии в трос или опору линии. Непосред­ственной причиной появления таких перенапряжений является раз­рушение электростатического поля лидерного канала молнии обрат­ным разрядом от заземленного объекта по направлению к облаку.

При спуске отрицательного лидера на проводе индуктируется положительный заряд. Чем ближе участок провода к лидерному каналу, тем больше плотность такого заряда. Электрическое поле этого заряда связано с зарядами лидера. На этой стадии волновой ток в линии пренебрежимо мал, следовательно, и потенциал прово­да, определяемый по закону Ома, тоже будет равен нулю: u = i z = 0 (рис. 1.13). С момента начала обратного разряда от земли к облаку освобождаются связанные до этого момента индуктированные за­ряды на проводе и в обе стороны от места удара молнии

вдоль про­вода начинают двигаться электромагнитные волны. Фронт этих волн близок к отвесному, а длительность достигает десятков мик­росекунд.

При индуктированных перенапряжениях напряжение, приходя­щееся на межфазную изоляцию, будет в основном определяться расстоянием между высотами подвеса проводов в фазах. Как пра­вило, этого напряжения недостаточно, чтобы перекрыть изоляцию.

Индуктированные перенапряжения зависят от скорости нарас­тания тока воздействующей волны, а в контурах электротехниче­ского оборудования, антеннах и электрических схемах их значение может быть очень большим. На проводах воздушных линий амп­литуда индуктированных перенапряжений в редких случаях может достигать величины 500—600 кВ и будет зависеть от величины тока молнии, средней высоты подвеса провода, расстояния от линии до места прямого удара. Наличие заземленных тросов снижает индук­тированные перенапряжения, так как тросы частично экранируют провода, вследствие чего на проводах индуктируется меньший за­ряд. С применением защитных тросов амплитуда индуктирован­ных перенапряжений снизится тем больше, чем ближе будет распо­лагаться трос к проводам линии, но в этом случае уменьшается их защитное действие от прямых ударов молнии.

Отключение ненагруженной линии переменного тока

В сетях с изолированной нейтралью при отключении ненагру­женных линий вследствие того, что потенциал нейтрали не фикси­рован, возрастает влияние одной фазы на другие и возникают боль­шие перенапряжения. Это способствует более высокому значению восстанавливающегося напряжения на межконтактном промежут­ке коммутационного аппарата. В результате могут создаваться ус­ловия для повторных пробоев промежутка (характерно для аппа­ратов с низкой скоростью движения контактов), что, в свою оче­редь, увеличивает перенапряжения. Например, при отключении ненагруженной линии переменного тока масляными выключателя­ми могут возникнуть повторные зажигания дуги в выключателе. При каждом таком зажигании по линии распространяются волны напряжения с крутым фронтом.

Допустим, что в начале линии включен источник питания с на­пряжением U_ф, линия работает в режиме холостого хода (конец линии разомкнут). Выключатель, расположенный в начале линии, отключает ее в тот момент, когда емкостный ток линии проходит через нулевое значение (рис. 1.14, а). Величина напряжения будет максимальна и на линии сохранится напряжение, амплитудное зна­чение которого равно фазному. Через полпериода с момента от­ключения линии напряжение на источнике питания достигнет от­рицательного максимума, и разность потенциалов на выключате­ле возрастет до 2U_ф. Если в этот момент времени расстояние между контактами мало, то произойдет его пробой под действием удво­ившегося напряжения — возникнет электрическая дуга. Линия бу­дет перезаряжаться до отрицательного минимума -Uф, так как по линии распространяется волна -2Uф (рис. 1.14, б). На конце ра­зомкнутой линии волна -2U_ф отразится с тем же знаком и напря­жение волны достигнет величины -4U_ф, но так как на линии име­лось напряжение +U_ф, то результирующее напряжение будет равно -4U +U_ф = -3U_ф. Когда отраженная волна достигнет начала ли­нии, ток в выключателе спадет до нуля и дуга в выключателе по­

гаснет. На линии останется заряд, удерживающий ее потенциал на уровне -3U_ф. Через полпериода напряжение за счет источника вновь изменит знак и напряжение на выключателе достигнет +4U_ф. Если это напряжение достаточно для нового пробоя между контактами в выключателе, то вновь появится дуга, и напряжение на линии в процессе перезарядки может снова возрасти.

Распространение по линии таких перенапряжений может стать причиной ухудшения изоляции линии и в некоторых случаях при­вести к ее пробою (если на изоляции сказывается процесс старе­ния — ухудшение своих характеристик в ходе эксплуатации).

В воздушных выключателях электрическая прочность промежут­ка нарастает более быстро, чем в масляных включателях. Кратность перенапряжений в воздушных выключателях при малых токах сре­за больше, чем в масляных выключателях, а при значительных то­ках среза эта разница невелика. Максимальная кратность перена­пряжений может достигать порядка 4U_ф. При больших токах крат­ность перенапряжений определяется максимально возможным значением тока среза. При малых токах масляный выключатель дает меньшие перенапряжения из-за относительно медленного расхож­дения контактов, и кратность перенапряжений является функцией отключаемого тока, волнового сопротивления, коэффициента за­тухания системы, заземления нейтрали.

Экспериментальные данные показывают, что при отключении ненагруженных линий масляными выключателями перенапряжения в 2% случаев достигают 4,5U_ф, а перенапряжения, превышающие 3U_ф, составляют примерно 7 %.

Отключение ненагруженных трансформаторов

Напряжение источника U

Обрыв тока

Рассмотрим схему замещения цепи, образующейся при отклю­чении трансформатора (рис. 1.15, а). Здесь L_сис, С_сис — индуктив­ность и емкость источника питания (системы); L_тp, С_тр — индук­тивность и емкость трансформатора. На рис. 1.15, б показано из­менение напряжения в точках А и В схемы замещения при обрыве тока, близком к нулевому значению. После обрыва тока i = I_о воз­никают колебания напряжения в точке А с частотой, определяемой индуктивностью и емкостью трансформатора. Из-за потерь энер­гии колебания постепенно затухают. В точке В при обрыве тока также возникают колебания, осью которых является синусоидаль-

ное напряжение источника. Эти колебания также затухают в тече­ние некоторой доли периода.

Максимальное напряжение на трансформаторе может быть оп­ределено по формуле

(1.28)

Из формулы видно, что максимальное напряжение на трансфор­маторе определяется током среза I₀, индуктивностью L_тp, емкостью трансфоматора С_тр и величиной напряжения в момент обрыва тока U₀. Если обрыв тока будет происходить при U₀ = 0, т.е. в момент максимума тока холостого хода трансформатора, то перенапряже­ние достигнет значения, определяемого по формуле

(1-29)

По условию равенства магнитной и электрической энергий

(1.30)

При обрыве тока вся магнитная энергия, запасенная в сердеч­нике трансформатора, переходит в электрическую, в связи с чем и возникают перенапряжения.

В воздушных выключателях электрическая прочность промежут­ка нарастает более быстро, чем в масляных выключателях. Крат­ность перенапряжений в воздушных выключателях при малых то­ках среза больше, чем в масляных выключателях. При больших токах среза разница становится небольшой, максимальная крат­ность перенапряжений может достигать порядка 4U_ф. При боль­ших токах кратность перенапряжений определяется максимально возможным значением среза тока. При малых токах масляный вык­лючатель дает меньшие перенапряжения из-за относительно мед­ленного расхождения контактов, и кратность перенапряжений яв­ляется функцией отключаемого тока, волнового сопротивления, коэффициента затухания системы, заземления нейтрали.

Резонансные перенапряжения

Резонансные перенапряжения возникают в цепях, содержащих последовательно включенные индуктивность и емкость, если час­тота собственных колебаний цепи близка к частоте источника.

Резонансные напряжения могут развиваться на линиях высокого напряжения при применении продольной компенсации (рис. 1.16, а). Емкость частично компенсирует индуктивность линии, что повы­шает устойчивость работы системы. При возникновении коротко­го замыкания за емкостью С и собственной частоте колебаний кон­тура L—С, близкой к f= 50 Гц, в цепи возникает резонанс, приво­дящий к резкому возрастанию тока I. При этом напряжение на емкости будет равно

(1.31)

и достигнет величины, опасной для изоляции конденсаторов про­дольной компенсации, в связи с чем они защищаются разрядника­ми и ограничителями перенапряжений.

а — схема линии электропередачи;

б — феррорезонансный контур

Особым видом резонанса является феррорезонанс, возникающий в контуре из индуктивности со сталью и емкости.

Рассмотрим явление феррорезонанса на простейшей схеме (рис. 1.16, б).

В этом контуре источник переменного напряжения питает кон­денсатор емкостью С и катушку индуктивностью L, соединенные последовательно.

Катушка имеет стальной сердечник, ее активным сопротивле­нием R пренебрегаем.

Зависимость напряжений на емкости С и на индуктивности L от тока представлена кривыми 1 и 2 (рис. 1.17, а).

С увеличением тока в цепи напряжения U_L и Uc возрастают, но напряжение на индуктивности растет быстрее, чем на емкости и в точке а эти напряжения равны по абсолютной величине. В этой точке сумма падений напряжений на индуктивности и емкости рав­на нулю (в цепи без потерь).

Если изменять напряжение на зажимах контура от нулевого зна­чения, то за точкой б режим цепи неустойчив. Дальнейшее плавное увеличение тока невозможно, так как это соответствовало бы умень­шающемуся напряжению источника (на чертеже оно выражается разностью ординат кривых 1 и 2). Попытка увеличить напряжение выше значения, соответствующего режиму в точке б, приведет к скачкообразному повышению тока и напряжений U_L и Uc. Режим станет устойчивым лишь в точке т, соответствующей тому же зна­чению напряжения источника, что точка б, но при токе 1₂, опреде­ляющем напряжение U. Это будет означать, что контур имеет ем­костный характер, т.е. ток скачкообразно меняет фазу на угол 180°. Оба эти момента изображены на рис. 1.17, а.

Явление, связанное со скачкообразным переходом из одного устойчивого состояния в другое в цепях системы, называется опро­кидыванием или феррорезонансом. При опрокидывании всегда по­являются повышенные напряжения на индуктивности и емкости, что хорошо видно на рис. 1.17, а. Если в первом устойчивом состо­янии в точке б напряжение на индуктивности равно U_L1, на емко­сти —U_c1 , то в новом устойчивом состоянии в точке m напряже­ния будут соответственно равны U_L2 и U_c2.

До резонанса имеется режим работы с преобладанием индуктив­ного сопротивления в цепи. Резонансную точку а токи и напряже­ния в цепи проходят скачком. Величину подводимого напряжения, при котором возможно опрокидывание, можно определить прове­дением касательной к кривой U_L=f(I) параллельно наклонной пря­мой линии U_c= f(I) (рис. 1.17, а). Отрезок, отсекаемый касатель­ной на оси ординат, дает искомую величину напряжения U_оnp.

Если в цепи, кроме индуктивности L и емкости С, имеется ак­тивное сопротивление R, вольт-амперные характеристики будут иметь вид, показанный на рис. 1.17,6. Хотя при токе I₁, происходит

Рис. 1.18. Изменение напряжений на емкости:

1 — без активного сопротивления; 2 — с активным со­противлением

опрокидывание, но это сопровождается мень­шим повышением напряжения. Напряжение на емкости до опрокидывания было U_c1 при токе I₁, а после опрокидывания напряжение возрос­ло до U_c2 при токе I₂. Таким образом, введение активного сопротивления R в цепь с L и С при­водит к снижению напряжения при опрокиды­вании и сужению области неустойчивого состо­яния. Можно выбрать такое R, при котором вовсе отсутствует опрокидывание, и, следова­тельно, добиться устойчивого состояния. Тогда плавному повышению приложенного напряжения будет соот­ветствовать плавное повышение как тока, так и напряжения на всех элементах электрической цепи.

На рис. 1.18 приведены кривые изменения напряжений на емко­сти в зависимости от приложенного напряжения. В цепи без сопро­тивления R напряжение на емкости при опрокидывании возраста­ет скачком (кривая 1), а при введении сопротивления скачок на­пряжения получается сравнительно меньшим (кривая 2).

Явление феррорезонанса может возникать при обрыве провода и заземлении одного из его концов или неодновременном включе­нии или отключении проводов.

Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю

Дуговые замыкания на землю являются самым распространен­ным видом повреждения в сетях напряжением 6—35 кВ. Наруше­ние изоляции в любой точке сети вызывает замыкание на землю. Характер замыкания может быть различен и зависит от условий в месте замыкания, величины емкостного тока и параметров сети. На практике замыкания делят на три вида: металлическое замы­кание, замыкание через устойчивую дугу или через перемежающу­юся дугу. В случае устойчивого горения дуги в месте замыкания, как и при металлическом замыкании, кратность перенапряжений невелика (2,4 U_ф) и обусловлена переходным процессом в момент замыкания.

Перемежающаяся дуга является своего рода коммутатором, за­мыкания и размыкания которого приводят к перенапряжениям. Их образование в сети с изолированной нейтралью обусловлено тем, что после погасания дуги на неповрежденных фазах остаются за­ряды, которые, распределяясь по всей сети, повышают ее потенциал относительно земли, и на него накладывается рабочее напряже­ние. В результате на поврежденной фазе происходит повышение напряжения, которое вызывает повторное зажигание дуги.

Максимальная величина перенапряжений может доходить до 3,2 U_ф, однако это возникает редко, поскольку требует совпадения ряда условий (открытая дуга при сильном ветре, дуга в масле, дуга в узкой щели). Длительность предельных перенапряжений (как пра­вило, не более 2—3 с) также ограничена, потому что после серии последовательных зажиганий дуга окончательно обрывается либо, прожигая изоляцию, переходит в устойчивую.

Максимальные кратности перенапряжений практически не за­висят от номинального напряжения сети и величины емкостного тока.

Характерными особенностями перенапряжений при перемежа­ющейся дуге являются их значительная длительность по сравнению с другими видами коммутационных перенапряжений, а также то, что они охватывают всю сеть данного напряжения.

В сетях с изолированной нейтралью указанный вид перенапря­жений не представляет опасности для оборудования с нормальной изоляцией. Для вращающихся машин уровень дуговых перенапря­жений лежит выше профилактических эксплутационных, но ниже заводских испытательных. Поэтому возможны повреждения машин при дуговых замыканиях.

Косинусные конденсаторы, соединенные, как правило, в треу­гольник или звезду с изолированной нейтральной точкой, увели­чивают межфазную емкость и тем самым снижают уровень пере­напряжений.

Наличие в сети токоограничивающих реакторов (особенно сдво­енных) вызывает увеличение значений перенапряжений при дуго­вых замыканиях. Это обусловлено протеканием емкостных токов сети к месту замыкания через индуктивность реактора. Увеличе­ние значений перенапряжений зависит от емкости сети и мощно­сти токоограничивающих реакторов и в среднем на 20—30 % боль­ше, чем без реакторов.

Дуговые перенапряжения в сети с компенсацией токов замыкания на землю

Для снижения вероятности возникновения короткого замыка­ния в месте однофазного повреждения рекомендуется ограничи­вать уровень емкостных токов замыкания на землю путем уста­новки в нейтрали трансформатора специально настроенных индуктивностей (ДГК). Последние позволяют одновременно сни­зить уровень дуговых перенапряжений. Полная компенсация ем­костных токов снижает уровень перенапряжений до значения 2.6U_ф.

В случае расстройки ДГК уровень перенапряжений повышается.

Дуговые перенапряжения в сети с резистивным заземлением нейтрали

Заземление нейтрали через активное сопротивление разряжа­ет емкость сети в промежутке между гашениями и зажиганиями перемежающейся дуги, способствуя снижению величины дуговых перенапряжений. Предельное снижение перенапряжений практи­чески наступает при равенстве активной и емкостной со­ставляющей тока в месте замыкания. Правильный выбор высоко-омного заземления нейтрали снижает перенапряжения до величи­ны 2,4—2,6 U_ф.

Отключение двойного замыкания на землю

При отключении короткого замыкания на землю в двух разных точках сети вследствие разновременной работы выключателей мо­гут возникнуть перенапряжения. Они образуются на первой от­ключившейся фазе, когда в переходном процессе напряжение меняется от нуля (фаза заземлена) до мгновенного значения ли­нейного напряжения. Максимальные перенапряжения составля­ют примерно 3,3 U_ф.

Перенапряжения при отключении двигателей вакуумными выключателями

Источником опасных воздействий, сопровождающих процесс отключения, является срез тока в вакуумной камере до его есте­ственного перехода через нулевое значение. При этом магнитная энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, колебательным образом переходит в собственную емкость нагрузки и кабеля при­соединения. Кратность возникающих перенапряжений зависит от соотношения индуктивности и емкости отключаемого присоеди­нения. У двигателей напряжением 6—10 кВ индуктивность имеет относительно небольшое значение (менее 100 мГн), запасенная в ней энергия в момент среза тока невелика и выделение ее в емкость присоединения не приводит к опасным перенапряжениям. Ампли­туда переходной составляющей напряжения определяется в основ­ном разностью между напряжением на двигателе до отключения и величиной смещения нейтрали, вызванного отключением, и прак­тически не зависит от тока среза.

После среза тока промышленной частоты напряжение в отклю­чаемой фазе на стороне секции шин остается практически неизмен­ным за счет большого числа присоединений и примерно равным амплитудному значению фазного рабочего напряжения. Напряже­ние на полюсе отключаемой фазы выключателя со стороны присо­единения изменяется в соответствии с переходным процессом, вы­званным перезарядом емкости присоединения и рассеянием индук­тивной энергии двигателя. Разность потенциалов на контактах выключателя носит название переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Если ПВН в некоторый момент времени пре­вышает значение электрической прочности промежутка между рас­ходящимися контактами выключателя, то происходит повторное зажигание дуги. При этом в кабеле отключаемого присоединения возбуждается волна напряжения, перезаряжающая его до потенци­ала, под которым находится секция шин. Амплитуда этой волны определяется разностью между напряжением сети и напряжением на двигателе до повторного зажигания дуги (ПЗ). Приходя на дви­гатель, эта волна испытывает отражение, близкое по характеру к отражению от разомкнутого конца кабельной линии, что вызыва­ет удвоение амплитуды волны на зажимах двигателя. Это объясня­ется тем, что постоянная времени контура «волновое сопротивле­ние кабеля — индуктивность двигателя» составляет доли секунды и индуктивность практически не участвует в волновом процессе. Наличие собственной емкости двигателя приводит к затягиванию фронта набегающей волны за счет перезарядки емкости через вол­новое сопротивление кабеля. Постоянная времени перезарядки для кабелей и двигателей не превышает 1 мкс. Перепад напряжения на двигателе за столь короткое время, равный удвоенному значению волны напряжения, представляет опасность для продольной (межвитковой) изоляции двигателя и требует внимательного отноше­ния при выборе защитных устройств.

Частота высокочастотных колебаний, вызванных пробегами волн в кабеле после ПЗ, определяется длиной кабеля, и при длинах, меньших I км, превышает 50 кГц. Отличительной особенностью вакуумного выключателя является его способность к отключению высокочастотного тока этих колебаний при переходе его через ну­левое значение. После такого отключения возобновляется процесс восстановления напряжения на контактах выключателя, однако, уже при иных начальных условиях. Напряжение на емкости двигателя и ток в его индуктивности в момент отключения больше, чем при пер­вом отключении. Это приводит к тому, что максимум кривой ПВН становится больше и возможно новое зажигание дуги. Возрастание этого максимума объясняет тот факт, что уровень перенапряжений при ПЗ на присоединениях с двигательной нагрузкой значительно выше, чем при одиночном срезе тока промышленной частоты, и тем больше, чем больше число ПЗ. Так, например, для двигателя мощ­ностью 630 кВт при длине кабеля 80 м кратность перенапряжений при одиночном срезе тока 5 А по расчетам составляет 1,77, а при возникновении повторных зажиганий достигает 6.

Сравнение допустимых уровней изоляции оборудования и кратностей внутренних перенапряжений показывает, что большинство перенапряжений не опасно для оборудования с нормальной изоля­цией. В связи с этим оно требует защиты только от грозовых пере­напряжений.

Величина тока замыкания на землю при различных схемах соединения нейтрали с землей

В электроэнергетических системах переменного тока обмотки высшего напряжения трансформаторов обычно соединяются в звез­ду. Нулевая точка звезды — ее нейтраль 0 — может быть изолиро­вана от земли (рис. 1.19, а) или заземлена (рис. 1.19,

В нашей стране системы с напряжением до 35 кВ имеют изолиро­ванную нейтраль, а с напряжением 110 кВ и выше — заземленную.

Соединение нейтрали с землей может быть выполнено без со­противления (глухое или эффективное), а также через индуктивное или малое активное сопротивление.

Установки с глухим заземлением нейтрали имеют большие токи короткого замыкания на землю. Заземление нейтрали через индук­тивные и малые активные сопротивления производят с целью сни­жения влияния токов короткого замыкания на смежные линии.

Состояние нейтрали оказывает существенное влияние на возмож­ность возникновения в установках повышенных напряжений.

В трехфазной симметричной системе с изолированной нейтра­лью, в которой равномерно распределенные частичные емкости фаз относительно земли условно заменены емкостями С₀ (сосредото­ченными посередине линии), в нормальном режиме работы токи в фазах источника равны геометрической сумме токов нагрузок 1_нА, 1_нВ, 1_нС и емкостных токов фаз относительно земли, сумма емкост­ных токов трех фаз равна нулю и никакого тока в земле не прохо­дит. Напряжения фаз относительно земли U_A, U_B, Uc симметрич­ны и численно равны фазному напряжению установки.

В случае замыкания фазы (например, С) на землю (см. рис. 1.19, а) происходит изменение напряжений всех фаз относительно земли из-за изменения величин емкостных токов на землю. Напряжение на поврежденной фазе относительно земли становится равным нулю. Емкостный ток на землю поврежденной фазы также стано­вится равным нулю (емкость этой фазы относительно земли ока­зывается закороченной), а емкостные токи двух других здоровых фаз увеличиваются: I_CA = I_CB = √3I_co.

Ток замыкания на землю будет определяться удельной емкостью фазы, длиной линии и на­пряжением на фазе в нормальном режиме.

Перенапряжения в системах с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю

В такой системе при нормальном режиме работы и одинаковых частичных емкостях на землю напряжение на нейтрали равно нулю. В случае нарушения изоляции между фазой и землей происходит замыкание на землю, которое сопровождается изменением напря­жения на фазах, а также на нейтрали (рис. 1.19, в). Основными при­чинами замыкания на землю являются перекрытия или пробой изо­ляции под воздействием атмосферных перенапряжений, обрыв про­водов, набросы и др.

Замыкание на землю может иметь циклический характер: дуга на земле периодически восстанавливается. При замыкании фазы на землю через электрическую дугу с непрерывно меняющимся со­противлением напряжение здоровых фаз возрастает не только из- за нарушения симметрии емкостей, но и вследствие переходного процесса в образовавшемся колебательном контуре. Наибольшую

опасность перенапряжения перемежающихся дуг представляют для изоляции на линиях напряжением до 35 кВ.

При изолированной нейтрали в случае замыкания фазы на зем­лю система способна работать в течение некоторого времени (2 ч), достаточного для нахождения и устранения неисправности. Пере­напряжения дугового замыкания на землю, охватывающие всю си­стему, могут привести к пробою ослабленной изоляции в каком-либо месте системы. В воздушных сетях при сильном ветре и длительном горении дуги она может перекинуться на соседние провода и привести к межфазному замыканию. Поэтому такое горение дуги однополюсного замыкания на землю недопустимо.