"Исследование токов утечки на землю сети 6 кВ с изолированной нейтралью"

    Задача исследования – путем математического моделирования участка сети напряжением 6 кВ с изолированной нейтралью установить зависимость тока в месте повреждения (тока утечки) и смещения нейтрали от величины сопротивления в месте повреждения при различной длине (и, следовательно, емкости) питающего кабеля. Исследование выполняется для статического и динамического режимов.
    Эквивалентная схема исследуемого участка приведена на рис. 1. На схеме обозначено: R, С – сопротивления изоляции и емкости кабелей по отношению к земле; І_П , R_П – ток и сопротивление в месте повреждения.

    Принятые допущения:
    - участки сети, отделенные от исследуемого участка трансформаторами, не оказывают влияния на искомый ток утечки;
    - сопротивление в месте повреждения является чисто активным;
    - емкость фаз исследуемой сети пропорциональна длине кабеля (не учитывается емкость присоединений);
    - источник питания симметричный, его внутреннее сопротивление равно нулю;
    - не учитываются скоротечные возмущения, обусловленные отражениями от концов линии, а связанные с ними «игольчатые» перенапряжения сглаживаются межвитковой емкостью трансформатора или двигателей;
    - сеть работает в режиме холостого хода.

    Последнее допущение может оказаться спорным, однако оно упрощает исследование, и оправдывается тем, что исследуемые токи утечки практически не зависят от нагрузки.
    Приняты следующие обозначения комплексов исследуемых величин: Е – ЭДС фазы А источника питания; U_A, U_B, U_C – напряжения фаз кабеля по отношению к земле; U_N – напряжение смещения нейтрали.
    Cхема рис.1 в установившемся режиме описывается следующей системой уравнений:

    U_N = Е • Z_yт / (3 • R_П + Z_yт) ;

    U_А = Е – U_N;
                                                                                                                                                                             (1)
    I_П = U_А / R_п,

    где: Z_yт = (R / jωС) /(R+1/ jωС).

    Исходные данные:
   - фазная ЭДС источника питания Е= 3.46 кВ;
   - емкость жилы кабеля по отношению к земле С = 0.45 мкФ/км [1];
   - сопротивление изоляции кабеля по отношению к земле R = 109 Ом;

    Основные результаты исследования статического режима т.е. анализа системы (1) заключаются в следующем:
   1. Ток в месте повреждения (ток утечки) при сравнительно небольшом сопротивления в месте повреждения (0 < R_П <1.5 кОм) практически пропорционален длине кабеля, а значит емкости его фаз по отношению к земле (рис. 2). По мере возрастания R_П (больше 5 кОм) ток утечки уменьшается, стремясь к нулю, и практически не зависит от емкости сети.
   2. Напряжение смещения нейтрали (а следовательно и перенапряжения неповрежденных фаз) на первой стадии (0 < R_П <1.5 кОм) не зависит от емкости сети, а с ростом сопротивления повреждения (2 кОм < R_П <7.5 кОм) эта зависимость проявляется более существенно (рис. 3).
   Обращает также на себя внимание то, что действующее значение тока в месте повреждения (установившееся значение) в зависимости от длины кабеля может находиться в пределах 0.8 А - 1.6 А.
В динамическом режиме (переходные процессы) схема описывается уравнениями:

   3 С•dU_А/dt + U_А• (3/R + 1/R_П) = 3•(С•dе/dt + е/R),                                                                                    (2)

   І_П/ =U_А/R_П,                                                                                                                                                        (3)
   
    где І_П , U_А, е – мгновенные значения тока в месте повреждения, напряжение поврежденной фазы (фаза А), ЭДС фазы А источника питания.
   Предварительный анализ показал, что наиболее неблагоприятным (с точки зрения начального амплитудного значения тока в месте пробоя) является процесс, когда коммутация происходит в момент перехода ЭДС вблизи своего экстремума. В данном исследовании начальная фаза эдс принята равной π/2.
   Некоторые особенности полученных результатов:
   Практическая длтельность переходного процесса составляет 3…8 мс, и уменьшается с уменьшением R_П. После окончания переходного процесса ток утечки синусоидален, пропорционален длине кабеля, а его амплитудное значение полностью согласуется с результатами анализа статического режима.
   В интервале значений сопротивления в месте повреждения 0 < R_П < 500 Ом ток утечки изменяется незначительно (сеть по отношению к сопротивлению повреждения ведет себя как источник тока).
   По мере уменьшения сопротивления R_П наблюдается резкое возрастание импульсной (динамической) составляющей тока утечки, обусловленной скоротечным начальным разрядом и перераспределением заряда емкостей кабеля.
   Представляет интерес переходный процес при R_П < 100 Ом. По мере снижения R_П динамическая составляющая тока утечки может достигнуть десятков и сотен ампер. Однако длительность этого импульса составляет микросекунды. Опасность этой составляющей лучше оценивать количеством энергии, расходуемой в сопротивлении R_П.
   Анализ показал, что при изменении R_П в пределах: 20 < R_П < 200 м ,
   Постоянная времени переходного процесса меняется соответственно в пределах: 22.5 <τ< 225 мкс, а энергия импульса соответственно: 13.47 > W> 13.37 Дж.
   Таким образом, для указанного предела изменения R_П энергия импульса практически постоянна.

Литература

   1. Справочник энергетика угольной шахты: В 2т. / В.С. Дзюбан и др. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд» 2001. Т 1.: – 447 с.