Приложение Е (справочное). Временные перенапряжения, возникающие в низковольтной системе вследствие короткого замыкания между высоковольтной системой и землей

Приложение Е
(справочное)

Временные перенапряжения, возникающие в низковольтной системе вследствие короткого замыкания между высоковольтной системой и землей

Е.1 Общие положения

При повреждении на стороне высокого напряжения понижающего трансформатора (например, внутреннее повреждение трансформатора или перекрытие искрового зазора, см. примечание далее) ток протекает через сопротивление R заземления трансформатора. В зависимости от взаимосвязи между сопротивлением заземления и низковольтной сетью высокое может воздействовать на низковольтную сеть в течение периода, равного времени ликвидации повреждения в высоковольтной сети (от 10 мс до нескольких часов).

Примечание - Временные перенапряжения на стороне низкого напряжения трансформатора могут быть результатом:

- повреждения изоляции между высоковольтной и низковольтной частями в результате чрезмерно высокого роста потенциала со стороны открытых токоведущих частей высокого напряжения;

- прямого контакта между высоковольтной и низковольтной частями вследствие внутреннего повреждения понижающего трансформатора или падения проводника высокого напряжения на линии низкого напряжения;

- связи между соединениями заземления, что приводит к перенапряжению на нейтральной точке низкого напряжения и, следовательно, на проводах низкого напряжения, и даже на соединениях заземления потребителей или в ближайшей телекоммуникационной системе.

Дополнительные сведения об условиях возможного временного перенапряжения см. в МЭК 60364-4-44. В таком случае УЗИП, включенное между фазовыми проводниками и землей, может быть чрезмерно перегружено и может не выдержать нагрузки. Следующий пример для системы ТТ поясняет это. Это может также произойти в системах TN или IT (см. другие примеры).

Е.2 Пример системы ТТ - Расчет возможных временных перенапряжений

Е.2.1 Возможные нагрузки на оборудование в низковольтных установках как следствие замыканий на землю в системе высокого напряжения

"Рисунок Е.1 - Временное перенапряжение промышленной частоты, вызванное замыканием на землю в высоковольтной системе"

Определение полных сопротивлений:

- - полное сопротивление устройства заземления высоковольтной системы (при наличии нулевой точки звезды в высоковольтной системе);

- - полное сопротивление устройства заземления низковольтной системы (сумма и ):

- , - сопротивление линии и сопротивление нейтрального проводника соответственно.

Замыкание на землю в высоковольтной системе воздействует на напряжения в низковольтной системе, если нулевая точка звезды трансформатора со стороны низкого напряжения заземлена (см. рисунок Е.1). А также, если не существует общего проводника заземления обеих узловых точек звезды трансформатора, замыкание на землю (пробой втулки искрового зазора трансформатора или повреждение внутри трансформатора) вызовет повышение напряжения в нулевой точке звезды низковольтной системы. Ток заземления высоковольтной системы, протекающий через полное сопротивление , является причиной повышения напряжения в нулевой точке звезды трансформатора. Поэтому значение и значение тока заземления определяют значение временного перенапряжения промышленной частоты в низковольтной системе.

Е.2.2 Характеристики высоковольтной системы

Е.2.2.1 Системы высокого напряжения с ограниченным током замыкания на землю

При заземлении высоковольтной системы индуктивной заземлительной катушкой (катушкой Петерсона) ток замыкания на землю ограничивается до 50 - 60 А для гарантии самогашения дуги.

Поэтому остаточное полное сопротивление заземления высоковольтной системы находится в диапазоне от 100 до 500 Ом, и ток замыкания на землю определяется исключительно по .

Энергия короткого замыкания и сопротивления и влияния не оказывают.

Е.2.2.2 Системы высокого напряжения с низкоомной заземленной нейтралью

Для исключительно подземных систем ограничение тока замыкания на землю не является больше возможностью его самогашения (короткое замыкание в кабеле повреждает его изоляцию). По этой причине растет число высоковольтных систем, действующих с низкоомной заземленной нейтралью. В основном сопротивление заземления должно ограничить ток короткого замыкания на землю приблизительно до 2кА.

Для высоковольтной системы с номинальным напряжением 20 кВ сопротивление заземления , равное приблизительно 5 Ом, удовлетворяет этому требованию. Небольшие трансформаторы для подстанций часто не имеют дорогостоящей защиты от сверхтоков. Поэтому для отключения токов короткого замыкания обычно применяют плавкие предохранители. Время отключения составляет порядка 100 мс в зависимости от номинального тока плавкого предохранителя.

Е.2.3 Временные перенапряжения в низковольтной системе вследствие замыканий в высоковольтной системе

Е.2.3.1 Высоковольтная система с ограниченным током замыкания на землю

В системах низкого напряжения, получающих питание от высоковольтной системы с ограниченным током замыкания на землю, сопротивление устройства заземления на трансформаторе должно быть в пределах 2,5 - 5 Ом. При токе замыкания на землю 50А напряжение между нейтралью и землей ,возрастет от 125 до 250 В. В системе ТТ эти временные перенапряжения воздействуют на изоляцию и элементы защиты от перенапряжений, если они установлены.

Максимальный ток, обусловлены через элемент защиты от перенапряжений, установленный между нейтралью и землей, определенно меньше 50 А. Поэтому искровые промежутки между нейтралью и землей должны быть способны отключать малые переменные токи.

Е.2.3.2 Высоковольтные системы с низкоомной заземленной нейтралью

Если допустить, что обычная система 20 кВ имеет следующие параметры:

- = 5 Ом;

- мВА;

- = 20 кВ,

а низковольтная система имеет следующие характеристики:

=10m;

- = 230 В;

- = 5 Ом, = = 10 мОм, то на при равном приблизительно 1200 В, имеет место временное перенапряжение.

Максимальный ток через элемент защиты от перенапряжений, установленный между нейтралью и землей, зависит от отношения к сумме и . Для этого примера можно вычислить ток, равный приблизительно 200 А.

Е.2.4 Выводы

Любая высоковольтная система с ограниченным током замыкания на землю вызывает временные перенапряжения промышленной частоты = 250 В в низковольтной системе на неопределенное время.

Максимальный ток, вызываемый через элемент защиты от перенапряжений между нейтралью и землей, составляет 50 А.

Системы высокого напряжения с низкоомной заземленной нейтралью вызывают временные перенапряжения в системах низкого напряжения приблизительно до 1200 В.

Ток, обусловленный через элемент защиты от перенапряжений между нейтралью и землей, зависит от отношения сопротивления устройства заземления в трансформаторной подстанции к сопротивлению устройства заземления нейтрали низковольтной системы вне трансформаторной подстанции. Этот ток находится в диапазоне нескольких сотен ампер.

Е.3 Значения временных перенапряжений согласно МЭК 60364-4-44

Параметры системы в отношении временного перенапряжения для конкретного случая применения должны быть известны пользователю для оценки лучшего соотношения между защитой оборудования и возможным отказом УЗИП. МЭК 61643-1 предлагает решить этот вопрос путем проведения дополнительного испытания УЗИП приложением временного перенапряжения для проверки, не приведет ли отказ УЗИП к опасной ситуации. Значение зависит от тока короткого замыкания и сопротивления заземления трансформатора R. В случае систем с многочисленным заземлением этим сопротивлением является сеть заземления, как она выглядит из точки короткого замыкания. Максимальными значениями по МЭК 60364-4-44 являются:

+ 250 В (действующее) с интервалом времени свыше 5 с для высоковольтных систем с большим временем отключения, например высоковольтные системы с заземлением через индуктивность.

+ 1200 В (действующее) с интервалом времени до 5 с для высоковольтных систем с коротким временем отключения, например высоковольтные системы с неотключаемым заземлением.

На рисунках использованы следующие символы, взятые из МЭК 60364-4-44:

- часть тока короткого замыкания на землю в высоковольтной системе, который протекает через заземляющий электрод открытых токоведущих частей трансформаторной подстанции;

R - сопротивление заземляющего электрода открытых токоведущих частей трансформаторной подстанции;

- напряжение между фазой и нейтралью низковольтной системы;

- напряжение короткого замыкания в низковольтной системе между открытыми токоведущими частями и землей;

- напряжение нагрузки на низковольтном оборудовании трансформаторной подстанции;

- напряжение нагрузки на низковольтном оборудовании в системе потребителя.

Рисунок Е.11 и расчеты в разделе Е.3 заимствованы из МЭК 60364-4-44.

Данная схема иллюстрирует типичный случай применения в США.

"Рисунок Е.2 - Системы TN"

"Рисунок Е.3 - Системы ТТ"

"Рисунок Е.4 - Система IT, примера а"

"Рисунок Е.5 - Система IT, пример b"

"Рисунок Е.6 - Система IT, пример с1"

"Рисунок Е.7 - Система IT, пример с2"

"Рисунок Е.8 - Система IT, пример d"

"Рисунок Е.9 - Система IT, пример е1"

"Рисунок Е.10 - Система IT, пример е2"

"Рисунок Е.11 - Система TN-C-S (США)"

На рисунке Е.11 показано деление силового сопровождающего тока в случае короткого замыкания на высоковольтной стороне распределительного трансформатора. В этом примере допускается, что сопротивление заземления трансформатора и ввода потребителя составляет 15 Ом.

( - максимальное рабочее напряжение вторичной сети).

- полное сопротивление фазных проводников между трансформатором и рабочим щитом.

Измеренные зазоры имеют напряжение пробоя от 1500 до 2500 В.

Для этого примера был взят типичный случай распределительной сети США 23 кВ/13,2 кВ, соединенной звездой, с максимальным током короткого замыкания 10 кА. Полное сопротивление , равное 0,041 Ом, является типичным для трехпроводных вторичных сетей, которые могут использоваться в качестве воздушных линий однофазных распределительных трансформаторов от 3 до 25 кВА в трехфазной установке. Для расчета были взяты медные провода длиной приблизительно 60 м, сечением 4/0 AWG (эквивалентное сечение по МЭК 60999-1 составляет 25 ). Предположение о делении тока короткого замыкания основано на расчетах и рабочих измерениях в имитированных условиях короткого замыкания в распределительной сети с несколькими заземлениями.

В данном примере:

- = 132 В;

- = = 132 В;

- = В.

Несмотря на то что из вышесказанного видно, что перенапряжение составляет 1,78 номинального напряжения системы, если допустить, что R > , можно показать, что для одних и тех же заданных условий короткого замыкания можно получить значение = 294 В или 2,45 номинального напряжения системы.

ВПН будет сохраняться до тех пор, пока посредством плавкого предохранителя или автоматического выключателя, или размыкателя не будет ликвидировано короткое замыкание. Срабатывание этих устройств может происходить от 0,016 до 1,5 с в зависимости от предельной отключающей способности устройства. Чем короче рабочие проводники и ниже уровень токов короткого замыкания, тем менее жесткие будут условия.

Хотя на данном примере показано, что первичное короткое замыкание может вызвать ВПН порядка 2,45 номинального напряжения системы, на практике это происходит чрезвычайно редко. Распределительным сетям не свойственно испытывать действующие токи короткого замыкания 10 кА. Уровень токов короткого замыкания в распределительных сетях обычно ниже 4 кА. Таким образом, ВПН может быть значительно снижено. Вторичные сети большой протяженности - необычное явление. Чем меньше рабочая длина проводников, тем ниже уровень перенапряжений. Как правило, протяженность вторичных сетей не более 30 м. Поэтому при токе короткого замыкания 4 кА и протяженности вторичных сетей менее 30 м ВПН будет составлять приблизительно 1,24 номинального напряжения системы, или 148,4 В.