лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
Рис. 10.17. Повышение потенциала (на частоте 50/60 Гц) заземлителя и вблизи него На рисунке видно, что разность потен циалов между двумя точками заземлителя относительно невелика. Отсюда следует, что любая цепь, расположенная в пределах заземлителя, будет подвергаться воздейст вию помех, главным образом, возмущений, передаваемых индуктивной связью. Для кабелей, входящих в зону влияния, ситуация совершенно иная, так как они подвергаются воздействию продольных напряжений, равных повышению потенци ала заземлителя. Потенциал заземлителя в обычных усло виях равен произведению сопротивления контура и протекающего по нему тока. Как правило, ток I меньше тока КЗ , который представляет собой сумму следу ющих составляющих: - ток нулевой последовательности трансформаторов ПС; - ток ВЛ без молниезащитных тро сов; - ток ВЛ с молниезащитными тро сами; - ток силовых кабелей. Ток в земле не включает в себя состав ляющие, возвращающиеся к своим источни кам по шинам заземления. Для определения тока можно исполь зовать следующее выражение: где и - сопротивления шин заземле ния и экранов (оболочки, брони) силовых кабелей; и - индуктивные сопро тивления различных цепей с возвратом тока через землю; - удельное сопро тивление взаимоиндукции между конту ром, образованным заземляющим проводником и землей, и контуром, образованным замкнутой на землю линией и землей. Для экранированных кабелей с зазем ленными на обоих концах экранами, наве денные напряжения U будут уменьшены на коэффициент ослабления помехи: где R — сопротивление экрана; - сопро тивление заземлителя ПС; - сопротив ление заземлителя ПС на удаленном конце (допускается, что оно не подвержено воз действию тока КЗ); - реактивное сопро тивление контура экран/земля. С другой стороны, наличие связи между заземлителями обеих подстанций предпо лагает наличие тока , протекающего по экрану кабеля, и выноса потенциала заземлителя на удаленный конец кабеля: и где - новый потенциал заземлителя; - потенциал заземлителя удаленной подстанции. Рекомендуется проверять, в частности при небольших расстояниях между ПС, превышают ли эти токи и напряжения допустимый уровень, и существует ли вероятность насыщения экранов. Повышение потенциала заземлителя. вызванное протеканием тока однофазного КЗ, может иногда превышать 5 кВ, приводя к появлению перенапряжений в недоста точно защищенных цепях. Более того, если параллельно воздуш ной ВЛ или силовому кабелю на протяже нии значительного расстояния проложен кабель связи, то протекающий ток КЗ будет оказывать на него влияние посредством индуктивной связи. Вызванные таким образом синфазные перенапряжения могут достигать нескольких киловольт и опреде ляться множеством различных факторов, среди которых находятся амплитуда тока КЗ, длина пути совместной прокладки, рас стояние между источником и приемником помех и разделение токов между землей и молниезащитными тросами или оболочкой и броней силового кабеля. Для того чтобы получить общее пред ставление о проблемах, возникающих в линиях связи, приведем здесь основные положения:
Особое значение имеет длина зоны вли яния. При воздействии на линию связи тока однофазного КЗ на ВЛ ВН с возвратом тока в земле на расстоянии менее харак терными являются наведенные напряжения порядка 10 В/(км∙кА), Здесь - удельное сопротивление земли. Для кабелей связи, проложенных в земле вблизи силовых кабелей, наведенные напря жения могут превысить 100 В/(км∙кА). Естественно, во всех указанных ситуа циях может присутствовать фактор экрани рования из-за наличия у ВЛ молниезащитного троса (), экрана или парал лельного заземленного проводника у под земного кабеля () и/или экрана кабеля связи (). Общий коэффициент ослабления помехи редко представляет собой произведение отдельных коэффициентов. Помехи, вызываемые воздействием молнии. В отличие от обычных коммутаци онных операций молния при прямом попа дании в ПС может вызвать разрушительное воздействие. В этом случае будет иметь место связь через общее сопротивление (например, повышение потенциала зазем лителя) или прямая наводка в чувст вительных цепях. Связь излучением может оказывать влияние только на уровень помех. Полезно напомнить, что если длитель ность фронта импульса тока молнии на порядок больше, чем у токов переходных процессов, то амплитуда импульса может быть выше на порядок при одном и том же уровне помехи. Прямое индуктивное влияние тока мол нии, протекающего в проводнике заземле ния, на цепь, проложенную вблизи него, частично обсуждалось ранее. Соответству ющий уровень помех может быть оценен по выражениям, приведенным в подрисуночной подписи к рис. 10.3. В зависимости от относительного рас стояния между проводниками, длины зоны влияния и амплитуды тока молнии резуль тирующее возмущение будет варьироваться в широких пределах. Очень важное замечание, о котором сле дует напомнить, касается числа проводни ков заземления. Недостаточно обеспечить только протекание тока молнии по кратчай шему пути к заземлителю, но и необходимо разделить его на несколько частей для сни жения амплитуды каждой составляющей. При токах молнии, как и при токах КЗ, наибольший уровень помех будет в цепях, выходящих за пределы контура заземления. Принимая во внимание значение протекаю щих токов, потенциал заземлителя может легко достичь несколько десятков или доже сотен киловольт. Даже в пределах территории заземли теля ситуация является сложной, так как потенциал сетки не может быть одинако вым как в случае с током промышленной частоты. Это вызвано индуктивными явле ниями, учет которых необходим при повы шении частоты. Если контур заземления выполнен из изолированных проводников или проло жен выше уровня земли (как в случае с сетью заземления) и на краях присоединен к идеальной земле, то чем ближе сеть к контуру, тем меньше будут наведенные в ней напряжения. Если же контур заземле ния расположен в земле, то ситуация будет следующей. Вследствие наличия рассеяния в прово дящей среде ток, протекающий по каждой шине заземления, уменьшается с увеличе нием расстояния до места введения тока в контур. Это утверждение справедливо для любой частоты, однако на высоких часто тах увеличенное реактивное сопротивле ние шин приводит к тому, что ток начинает стекать с шин более интенсивно, так как распределенное сопротивление почвы ста новится меньше сопротивления самих шин заземления. Данная ситуация проиллюстрирована на рис. 10.18, где показан контур заземле ния, состоящий из одиночной горизонталь ной шины, представленной сосредоточен ной индуктивностью, с подключенными по краям сопротивлениями и , определя ющими сопротивление растекания тока в почве. Если предположить, что для низких частот , а для высоких частот , Рис. 10.18. Простейшая модель горизонтального заземлителя то потенциал точки ввода тока ; . Отсюда следует, что в действительности скалярный потенциал земли около контура заземления при высокой частоте будет выше, чем при промышленной частоте. Данное утверждение иллюстрируется на рис. 10.19 и 10.20, на которых приведено распределение потенциала по заземлителю, рассчитанное при введении постоянного тока 1 кА в центр сетки при частоте 0,5 МГц. Сетка представляет собой квадрат размерами 60×60 м2 с шагом сетки 10 м, рас положенной на глубине 0,5 м и выполнен ной из медных проводников радиусом 5 мм. Понятие поверхности потенциала заземлителя проиллюстрировано на рисун ках очень наглядно, но при этом следует имеет ввиду, что наряду с гальванической связью между рассматриваемой цепью и контуром заземления может существовать сильная магнитная связь. Для пояснения этого явления добавим в схему на рис. 10.18 новую цепь, состоящую из одиночного проводника, проложенного над поверхностью земли и заземленного в точке удара молнии (рис. 10.21). В данной схеме синфазное напряжение U, приложенное к цепи, можно определить по формуле , или , где - взаимная и иду живность между проводниками; - разность скалярных потенциалов заземлителя между точками А и В; - круговая частота. Теперь следует оценить влияние каждого из этих двух параметров. Для этого необ ходимо рассчитать значения L и М. Рис. 10.19. Распределение потенциала на поверхности земли при Ом∙м Рис. 10.20. Распределение потенциала на поверхности земли при кА, МГц, Ом∙м () Указанные параметры могут быть рас считаны последующим выражениям: ; , где а - радиус проводника; h - расстоя ние от проводника до поверхности земли; d - глубина прокладки проводника; l - длина зоны влияния заземляющего провод ника, т.е. расстояние, на котором почти весь ток стекает с проводника в грунт (может быть принято равным критической длине , которая будет введена позднее). Из приведенных выражений следует, что если расстояние d+h становится много большим радиуса а, индуктивность L начи нает превышать взаимную индуктивность М, и напряжение U определяется, в основ ном, разностью потенциалов заземлителя. Рис. 10.21. Схема замещения горизонтального про водника Это логически правильно, так как L определяет общий магнитный поток про водника заземления, в то время как раз ность L - М определяет часть потока, огра ниченную проводником, расположенным над поверхностью земли. Так как магнитное поле быстро убывает с ростом расстояния до шины заземления, становится очевидным, что часть магнит ного потока, оказывающая наибольшее влияние, — это та часть, которая ограни чена петлей, образованной двумя горизон тальными проводниками. Заметим, что величина это ни что иное, как собственная индуктивность петли, образо ванной обоими проводниками, - эквивалентный радиус проводника, распо ложенного в земле. Также очень важным является понятие зоны влияния или критической длины : на самом деле, чем выше частота и меньше сопротивление грунта, тем меньше эта величина и соответственно тем больше будет вклад составляющей, связанной со скалярным потенциалом заземлителя, в общее напряжение U по сравнению с наве денной составляющей. По указанным причинам синфазное Напряжение U в общем случае не равно разности скалярных потенциалов эаземлителя между точками А и В, но эта величина обычно принимается в качестве наиболь шего возможного напряжения. Но если расстояние между источником и приемником помехи мало и сравнимо с поперечными размерами проводника или проводник заземления не является оголен ным и не находится в контакте с почвой, т.е. отсутствует стекание тока с проводника в грунт и зона влияния увеличивается (по сравнению с критической длиной ), дру гими словами, если проводник заземления является экраном кабеля или параллель ным заземленным проводником, то потен циал поверхности заземлителя более не является реальным синфазным напряже нием, появляющимся на выводе заземлен ной цепи. Этот вывод имеет большое значение, так как практически он означает следующее: вклад тон части сети заземления, которая расположена над поверхностью земли, в снижение уровня помех не равен вкладу подземного контура заземления. Надземная сеть заземления имеет гораздо большую роль в снижении ВЧ-помех и помех, вызван ных переходными процессами. Во всех ситуациях, когда кабель защи щается параллельным заземленным про водником или экраном, уровень возмуще ний может быть оценен после выполнения следующих расчетов (или измерений):
10.5. Особенности ЭМС на подстанциях высокого напряжения т Пример таких расчетов приведен в [1]. Предлагаемый здесь метод оценки уровня синфазных помех с использованием теории цепей, естественно, весьма приближенный, так как эта теория слабо подходит для рас чета ВЧ-процессов в диссипативной среде. Это является следствием того, что волновые эффекты проявляются в почве на гораздо более низких частотах, чем в воздухе (на частоте 1 МГц при Ом∙м длина волны в почве составляет 22 м, а в воздухе - 300 м). Гораздо более строгий подход к реше нию данной проблемы основан на теории антенн Ниже приводится пример, иллюст рирующий некоторые из сделанных выво дов. В угол контура заземления, подобного тому, что изображен на рис. 10.19 и 10.22 (глубина прокладки которого в грунте с параметрами Ом∙м и составляет 0,8 м), вводится импульс тока с параметрами 0,25/100 мкс. На глубине 0,3 м (рис. 10.22) проклады вается кабель, заземленный на одном конце. Рассматриваются два возможных пути про кладки кабеля: первый - вдоль проводника заземления (1-2-3), второй - напрямую от точки 1 до точки 3. Рис. 10.22. Сетка заземления к две трассы проклад ки кабеля Синфазное напряжение, возникающее на незаземленном конце кабеля, может быть выражено как сумма двух составляющих: , где - разность потенциалов заземли теля при переходном процессе, однозначно определяемая для точек 1 и 3; - напря жение, определяемое трассой прокладки и изменяющимся магнитным полем. На рис. 10.23 показаны напряжение при переходном процессе и обе его составляю щие для обеих трасс прокладки кабеля (рис. 10.23, а для пути 1-2-3 и рис. 10.23, б для пути 1-3). Из рис. 10.23, б видно, что в соответ ствии с выводами, сделанными на основе теории цепей, помехи частично ослабля ются ЭДС, наведенной изменяющимся маг нитным потоком. Этот эффект усиливается, если трасса прокладки кабеля совпадает с проводником заземления. На практике на амплитуду и форму импульса напряжения могут оказывать влияние многие факторы. Некоторые фак торы оказывают определяющее влияние на обе составляющие напряжения. Примером таких факторов являются форма импульса тока молнии и удельное сопротивление грунта. Рис. 10.23. Напряжения на незаземленном конце кабеля На составляющую, связанную с повы шением потенциала заземлителя оказы вают влияние, главным образом, следую щие факторы:
На наведенную составляющую напря жения оказывают влияние факторы:
Кроме того, существует множество дру гих параметров, которые могут прини маться во внимание: форма заземлителя и его размеры, глубина прокладки, материал проводников, наличие вертикальных элект родов и т.п. В настоящее время стало возможным проведение подробного параметрического анализа, включающего в себя варьирование указанных параметров при помощи чис ленных методов. Примеры соответствую щих программ приведены в [1]. Прямой удар молнии в ВЛ встречается гораздо чаще, чем прямой удар молнии в ПС. Ее последствия имеют существенно меньшее значение. Следствием удара молнии в ВЛ может быть перекрытие изоляции и, вследствие этого появление импульса напряжения с очень крутым фронтом, спектральный состав которого содержит гораздо более высокие частоты, чем импульс напряже ния, вызванный самой молнией. В этом случае уровень помех может сравняться с тем уровнем помех, который имеет место при пробое изоляции оборудования или коммутационных операциях на самой ПС. |