Заземление — зона растекания и зона нулевого потенциала, что это

Не все, но многие электрики могут допускать ошибки, когда речь заходит о заземлении. А что уже говорить об обычных людях, просто интересующихся электротехникой. Тема заземления интересная, но плохо раскрыта. Как правила она ограничивается выдержками из ПУЭ и некоторыми очевидными вещами. Мы же постараемся копнуть глубже, и в данной публикации подробно разберем два интересных определения из ПУЭ (1.7.20 и 1.7.21):

• Зона нулевого потенциала (относительная земля) — это часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю.
• Зона растекания (локальная земля) — это зона земли между заземлителем и зоной нулевого потенциала. Термин земля, используемый в главе (речь о главе ПУЭ), следует понимать как земля в зоне растекания.

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.

Правила перемещения в зоне шагового напряжения

В промышленных условиях для перемещения в зоне высокого риска шагового напряжения перемещаться следуют в галошах или диэлектрических ботах. При случайном попадании в опасное место нужно замедлить шаг. Максимально сократите расстояние между ногами во время ходьбы – приставляйте носок к пятке, имитируя гусиный шаг. Запрещается приближаться к оголенным проводам на расстояние менее 8 метров, выполнять такие действия допускается при наличии средств защиты.

При возникновении аварий на ЛЭП устранением последствий занимаются специально обученные электрики. Релейная защита отключает участок электрической линии в месте повреждения. Устранив неисправность, специалисты осматривают территорию на предмет обвисших кабелей. Высокая опасность возникает в местах соединения поврежденных кабелей (проводов) и деревьев. Ствол – это проводник электричества, создающий высокий уровень опасности для людей и животных.

Класс напряжения и удельное сопротивление грунта определяют шаговое напряжение. Радиус действия увеличивается при повышении влажности из-за увеличения территории растекания тока.

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.

Что такое шаговое напряжение

Шаговое напряжение – это разность потенциалов (напряжения) на участке в токовой цепи. Показатель шагового напряжения зависит от силы тока и удельного сопротивления почвы. Он представляет собой расстояние (разность потенциалов) между двух ног человека. Величина шагового напряжения используется при создании зануления и заземления, измерении опасности в местах аварий. На значение влияет форма кривой напряжения.
Возле упавшего провода находящегося под напряжением, возникает область рассеивания электричества. На расстоянии от 20 метров до места падения провода, напряжение может не ощущаться, плотность тока становится минимальной.

Опасное для жизни шаговое напряжение наблюдается в местах падения электрического провода высокой мощности на голый грунт. К этому объекту запрещается приближаться на расстояния менее 8 метров. Угроза присутствует и на расстоянии одного метра от заземлителя (металлоконструкции труб, забор из арматуры). Человек рискует, стоя в месте растекания шагового напряжения прикоснуться к металлокострукциям (естественному заземлителю). Опасность кроется в поражении нервной системы – возникают судороги и падение человека на землю.

Действие шагового напряжения прекращается, но внутри тела возникает новый путь электричества. Ток протекает от рук к ногам, в результате возникает реальная угроза смерти. При попадании в такую ситуацию человек должен выходить с опасной зоны гусиным шагом. Минимальное расстояние между ногами – это залог безопасности и благополучного выхода.

Угроза исчезает через 20 метров от источника напряжения высокого потенциала. Категорически запрещается выпрыгивать из области действия высоких потенциалов. При падении на конечности уровень шагового напряжения возрастет, после чего человека ждет смерть.

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.

Максимальный радиус шагового напряжения

8 метров – это максимальный радиус поражения (выше 1000 В). Расстояние с 5 метров характеризуется мощностью ниже 1000 В. При спасении пострадавшего стоит действовать рассудительно. Предварительно обмотайте руки сухой тканью, передвигайтесь небольшими шагами, медленно оттяните человека с опасной зоны.

Угроза попадания в область шагового напряжения существует и в бытовых условиях. В такую ситуацию вы можете попасть, прикоснувшись к оголенному проводу неисправного прибора. В таком случае образуется электрическая цепь, опасная для жизни. Для устранения угрозы в щитке устанавливается устройство защитного отключения. Альтернативный вариант – это разработка системы заземления и контроля потенциалов.

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.

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).

где — удельное сопротивление грунта;

S = 2х2 — сечение полусферы.

Определим разность потенциалов между точкой А с координатой Х и точкой, где потенциал т.е. :

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

= U3 = I3 * / 2X3 = 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.

где — 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=Р-Н,

где Р, Н — потенциалы рук и ног относительно земли.

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:

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

следовательно,

где — коэффициент прикосновения для полусферических заземлителей.

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

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

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.

,

где Хс — емкостное сопротивление, равное 1/c, 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.

.

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.

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.

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.

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:

где — вектор искомых переменных;

— вектор начальных приближений;

— текущее время расчета;

— количество решаемых уравнений.

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

где A — матрица текущих коэффициентов размером ;

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 .

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).

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 с момента начала горения дуги до момента шунтирования поврежденной фазы однополюсным контактором (КМ1-КМ3) успешно можно осуществлять ограничителями перенапряжений типа ОПН, включенными по предлагаемой схеме (рис. 1) для осуществления термостабильности. Это позволяет отказаться от установки в сети дополнительного оборудования (присоединительного трансформатора и бэтеловых резисторов) и, кроме того, реализация такого технического решения ограничивает длительность существования дуговых замыканий и сопутствующих им перенапряжений временем порядка 0,5 с до момента включения шунтирующего контактора.

В условиях отсутствия в настоящее время надежных средств защиты сетей 6кВ собственных нужд электростанций от последствий однофазных замыканий на землю, ведется поиск эффективного решения проблемы повышения надежности работы электрооборудования, заключающегося в оптимизации и управлении режимом нейтрали сети для обеспечения максимального ограничения амплитуды и длительности всех возможных в эксплуатации повышений напряжения и снижения тепловых потерь в месте пробоя изоляции. Для решения поставленной задачи наиболее рациональным является использование математической модели, которая позволяет оценить возможный уровень перенапряжений в сети с учетом ее реальных параметров, а также эффективность применения того или иного технического решения.

Особенностью модели является возможность анализа однофазных глухих и дуговых замыканий на землю не только вблизи сборных шин, но и в индуктивных обмотках двигателей, трансформаторов, а также замыканий при наличии смещения нейтрали, вызванного несимметрией нагрузки. На рис. 3 приведена схема замещения сети собственных нужд электростанции и стрелками показаны пути протекания токов в нормальном режиме. Рассматриваемая сеть представлена сосредоточенными параметрами: фазными и междуфазными емкостями и активными сопротивлениями, взаимоиндукцией между фазами. Источник питания и специальный присоединительный трансформатор включены в схему соответствующими фазными индуктивностями рассеяния и активными сопротивлениями. Высоковольтные двигатели введены в схему замещения фазными сверхпереходными индуктивностями рассеяния и активными сопротивлениями. В нейтраль присоединительного трансформатора включены токоограничивающий резистор и реактор. Цепь замыкания фазы на землю в обмотке двигателя имитируется емкостью и активным сопротивлением дуги. Схема описывается системой дифференциальных уравнений относительно неизвестных контурных токов и напряжений в узлах. В операторной форме эта система имеет вид:

где р — оператор дифференцирования

К этим уравнениям необходимо добавить также дифференциальные уравнения, записанные для напряжений на емкостях. Эти уравнения имеют вид:

Рисунок 3 — Схема замещения сети собственных нужд электростанции

Анализ подобных режимов с помощью описанной модели позволит оценить работоспособность различных видов защит от замыканий на землю, выбрать такой режим работы нейтрали, при котором перенапряжения будут минимальными, а также определить предельную длительность существования дугового замыкания из условия термической стойкости разрядников типа ОПН.

В случае резистивного заземления нейтрали эта математическая модель позволяет не только оценить ожидаемую кратность перенапряжений, но и, исходя из поставленных условий, выбрать значение номинала заземляющего резистора, что в свою очередь является весьма непростой задачей.

Низкоомное резистивное заземление нейтрали призвано создать ток при однофазном замыкании в десятки и даже сотни ампер и, естественно, сочетается с устройством релейной защиты, действующей на немедленное отключение поврежденного присоединения. Величина тока в месте замыкания выбирается исходя из требуемой чувствительности работы устройств релейной защиты. Проведенные исследования показывают, что такой режим заземления нейтрали обоспечивает достаточно глубокое (до 2,2-2,4 Uф) ограничение перенапряжений и сокращает до минимума время их воздействия.

Рисунок 4 — Замыкание фазы С на землю и погасание дуги при первом переходе через «нуль» тока высокочастотных колебаний (RD=100 Ом, С =3 мкФ, IC= 9 А)

Ограничение перенапряжений происходит за счет создания пути стекания зарядов емкостей здоровых фаз на землю через активное сопротивление, включенное в нейтраль специального присоединительного трансформатора.

В работе предполагается дополнить схему замещения для более точного моделирования процессов, протекающих при однофазных замыканиях на землю. Это в свою очередь повлечет увеличение количества дифференциальных уравнений, но при этом появится возможность учитывать токи от двигателей собственных нужд в месте замыкания. Учет влияния двигателей позволит более выбрать уставки срабатывания релейной защиты для ее надежного и селективного действия при возникновении повреждения.

Кроме этого наличие в схеме нелинейных элементов, например, оксидно-цинковых активных сопротивлений (ОПН) и измерительного трансформатора напряжения с нелинейной характеристикой, приводит к необходимости учета их параметров, которые являются функциями от величин, зависящих от режима работы системы. В программе эти нелинейные характеристики задаются с помощью условных операторов, реализующих таким образом кусочно-линейную аппроксимацию. Это не может не привести к некоторой погрешности при проведении исследований. Поэтому в работе также ставится задача аппроксимации нелинейных характеристик с помощью метода наименьших квадратов, что в большей мере отвечает физике протекающих в схеме процессов.

Однако на этом перечень нерешенных вопросов не исчерпывается, так как при выборе режима нейтрали для каждой конкретной сети должны учитываться ее специфические особенности, в частности: ее параметры, состояние изоляции, категория потребителей, наличия средств защиты от замыканий на землю, требования к электробезопасности и т.д. Именно поэтому появляются новые перспективы исследования в работе.

Выводы

1. Основной причиной высокой повреждаемости электрооборудования в сетях среднего класса напряжения являются дуговые перенапряжения, возникающие при перемежающемся характере горения дуги в месте пробоя фазной изоляции на землю.

2. Проблема повышения надежности работы распределительных сетей напряжением 6-10 кВ складывается из целого комплекса задач, эффективное решение которых может быть найдено для каждой конкретной сети индивидуально с учетом характерных ее особенностей на основе комбинированного использования средств релейной защиты, совершенствования режима заземления нейтрали, применения ограничителей серии ОПН с разными порогами ограничения и системы быстрого и автоматического шунтирования поврежденной фазы.

3. Эффективное решение проблемы повышения надежности работы распределительных сетей напряжением 6-10 кВ может быть найдено на основе проведения большого объема научных и экспериментальных исследований.

Литература

1. Циркуляр Ц-01-88. О повышении надежности сетей 6кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.-М., 1988.

2. Циркуляр Ц-01-97. О повышении надежности сетей 6кВ собственных нужд энергоблоков АЭС.-М., 1997.

3. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС.-Сб.научн. трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 17: — Донецк: ДонГТУ, 2000, с. 129-133.

4. Подъячев В.Н., Плессер М.А., Беляков Н.Н., Кузьмичева К.И. Глубокое ограничение перенапряжений при замыканиях на землю в сети собственных нужд ТЭС.-Энергетик, 1999, №2, с. 20-21.

5. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Математическая модель для исследования переходных процессов при замыкании фазы на землю в сетях 6-10 кВ. — Сб.научн. трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 4: — Донецк: ДонГТУ, 1999, с. 221-226.

6. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Анализ процессов дуговых замыканий на землю в сетях собственных нужд ТЭС и АЭС. — Сб. научных трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, вып. 17: — Донецк: ДонГТУ, 2000. С. 129-133.

7. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. Управление режимом нейтрали 6 кВ при замыкании фазы на землю. Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 127. — Харьков: ХГПУ. 2000. С. 91-96.

8. Зильберман В.А., Эпштейн И.М. и др. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВ на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество. — 1987. — №12. — С. 52-56.

9. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях собственных нужд // Электрические станции. — 1983. — №10. — С. 37-41.

Выход из зоны шагового напряжения

При выходе из зоны шагового напряжения стоит придерживаться осторожности. Нельзя допускать падения на поверхность земли – такая ситуация может привести к летальному исходу. На грунте влияние электричества повышается, у человека возникают судороги. При отсутствии своевременной помощи, поражение нервной системы приводит к параличу. В этот момент человек испытывает сильную боль и не может шевелить конечностями.

Выбор способа выхода из опасной зоны зависит от конкретной ситуации. После идентификации проблемы необходимо быстро сомкнуть обе ноги вместе, что снизит разницу электрических потенциалов. При передвижении нужно стараться не отрывать нижние конечности от земли.

Помощь могут оказать сухие доски, оказавшиеся по пути выхода с опасной территории. Сухая древесина – это отличный диэлектрик, поэтому смело ступайте на нее во время движения. По пути избегайте кирпичных и железобетонных конструкций.

В некоторых ситуациях целесообразно перемещаться на одной ноге. Выбирать этот способ надо только при полной уверенности в адекватности своего состояния. Напуганный человек может потерять ориентацию и упасть на поверхность земли, что приведет к летальному исходу. Самый надежный способ – это перемещение «гусиным шагом». Не делайте резких движений, не ускоряйте шаг и не бегите. Действуйте спокойно и принимайте взвешенные решения.

При выходе стоит исключить вариант с шагом по спирали и в направлении другого кабеля. При соблюдении правил, у человека есть большие шансы покинуть опасную зону без последствий для здоровья, такие ситуации встречаются в 80% случаев.

Как освободить человека?

Для спасения человека необходимо разорвать электрическую сеть – выключить автомат питания (линию) или рубильник. При отсутствии такой возможности обмотать руки сухой тканью, попытаться освободить человека от воздействия электрического тока с помощью деревянной палки.

Далее следуйте алгоритму действий:

• оттянуть тело в безопасную область;
• проверить пульс;
• проконтролировать реакцию зрачков на свет.

Убедитесь, что электрическая линия отключена от источника питания и выходите с опасной зоны.

Начните делать непрямой массаж сердца, легочную реанимацию и вызовите бригаду неотложной помощи. Если человек находится в сознании, поверните его на бок, так вы устраните риск попадания рвотных масс в дыхательные пути.