Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью - Метод металлического замыкания одной фазы на землю

Измерения при металлическом замыкании одной из фаз сети на землю дают наиболее высокую точность. Сам метод прост, требует минимального количества аппаратуры и приборов, измерения производятся быстро и не требуют никаких сложных пересчетов для получения окончательных результатов. Однако этот метод имеет и недостатки, из которых главные заключаются в повышенной опасности для изоляции оборудования, а также для персонала  работающего на линиях, и непосредственно ведущего измерения. При искусственном металлическом заземлении фазы потенциалы двух других фаз возрастают до линейного напряжения, т. е. увеличиваются в корень из 3 раз, что может быть уже опасным для изоляции, ослабленной старением или загрязнением, особенно для изоляции вращающихся машин, имеющих небольшие запасы прочности. Напряжение на нейтрали сети при замыкании на землю возрастает до величины фазного напряжения. Если заземления неисправны или выполнены без соблюдения норм, то на заземленных корпусах электрооборудования могут возникать потенциалы, достигающие опасных величин. Кроме того, замыкание на землю, считающееся ненормальным состоянием сетей с незаземленной нейтралью или компенсацией емкостного тока, влечет срабатывание устройств сигнализации и защиты, что в некоторых случаях заставляет отключать их или увеличивать выдержку времени, а это затрудняет эксплуатацию и ухудшает условия безопасности.
Самым опасным является пробой или перекрытие ослабленной изоляции незамкнутой фазы, что приводит к двухфазному короткому замыканию и аварийному отключению в сети с перерывом электроснабжения потребителей, если нет резерва по сети, и вероятностью серьезного повреждения оборудования. Поэтому метод металлического замыкания для определения емкостного тока сети применим при условии проверки изоляции оборудования перед испытаниями и обеспечении быстрого устранения замыканий, если они возникнут в процессе испытаний.
Желательно для сокращения времени замыкания на землю измерения вести с использованием шлейфовых осциллографов, а замыкание осуществлять специально выделенным выключателем, управляемым автоматически с заданной выдержкой времени.
Схема измерений приведена на рис. 18. Для проведения измерений выделяются система шин и один из резервных выключателей ВЗ. К выключателю подключается только одна фаза, на которой будет сделано замыкание на землю. Фаза соединяется с закороткой через три последовательно соединенных контакта выключателя. Устанавливается закоротка достаточно большого сечения.

Рис. 18. Схема измерения емкостных токов и токов компенсации при металлическом замыкании фазы на землю.
На случай возникновения второго замыкания на землю выключатель снабжается мгновенно действующей токовой защитой (отсечкой), причем уставка по току берется приблизительно равной 3—5-кратной величине емкостного тока сети.
Управлять выключателем желательно дистанционно с места, где установлены измерительные приборы. Необходимо иметь комплект астатических приборов класса точности 0,5 — амперметр, ваттметр и вольтметр. Измеряются полный ток замыкания на землю и ток катушки. Реактивные и активные слагающие этих токов определяются по результатам измерений ваттметром и вольтметром. Как следует из векторной диаграммы (рис. 19), для измерения реактивной слагающей тока на параллельную обмотку ваттметра надо подать линейное напряжение между неповрежденными фазами, для измерения активной слагающей — напряжение нейтрали. Токовая обмотка ваттметра включается или в цепь трансформатора тока замыкаемой фазы или в цепь трансформатора тока дугогасящей катушки. Реактивные и активные слагающие токов соответственно равны:/р= = WP/UAB, /а=Wа/U0.  
Переключатель тока должен быть устроен так, чтобы при включении боковой обмотки ваттметра и амперметра в цепь одного из трансформаторов тока другой закорачивался. При наличии двух комплектов приборов можно обойтись без переключателей.
Для измерения тока устанавливаются два трансформатора тока: в цепи дугогасящей катушки TTi и в закоротке 7Т2.
Трансформаторы тока должны быть класса точности 1. Так как трансформаторы тока устанавливаются со стороны заземления, их номинальное напряжение не имеет значения, но ток при измерении не должен превышать номинального.

Рис. 19. Векторные диаграммы напряжении и токов при металлическом замыкании.

Для измерения напряжения нейтрали устанавливается трансформатор напряжения. Можно для этой цели использовать также обмотку разомкнутого треугольника трансформатора контроля изоляции ТН. С другой обмотки снимается напряжение UAB. При отсутствии пятистержневых трансформаторов контроля изоляции собирается схема из трех однофазных трансформаторов. Желательно иметь трансформаторы напряжения класса точности 1.
Измерения проводят в следующем порядке: сначала замеряют напряжение несимметрии (при отключенных
Дугогасящйх катушках) и напряжение смешения нейтрали при разных ответвлениях катушек для всей сети и ее участков, которые могут работать раздельно, после этого приступают к измерениям при замыканиях на землю. Желательно, чтобы замыкания на землю, производимые с целью измерений, охватывали участки сети с емкостными токами или с некомпенсированными токами замыкания при наибольшей расстройке не более предельных значений, допускаемых для сетей данного класса, т. е. 30 А при напряжении 6 кВ, 20 А при 10 кВ и 5— 10 А при 35 кВ.
Эта предосторожность необходима для того, чтобы в случае возникновения повреждения изоляции одной из незамкнутых фаз где-либо в сети «вторая» заземляющая дуга быстро ликвидировалась после того, как релейной защитой отключится выделенный для опыта замыкания выключатель ВЗ.
Измерения проводятся при всех комбинациях возможных настроек дугогасящих катушек, начиная с близких к резонансу (который приблизительно уже установлен по измерениям напряжения смещения нейтрали). Понятно, что желательно иметь как можно больше данных для более точного построения искомых зависимостей: кривой напряжения смещения нейтрали при различных расстройках компенсации,вольт-амперной характеристики (характеристики намагничивания) дугогасящих катушек. При наличии в сети нескольких катушек надо продумать все комбинации переключения ответвлений в опытах замыкания, стремясь к возможно меньшему отклонению расстройки компенсации от первоначальной. Надо также постараться, чтобы при минимальном количестве замыканий провести измерения токов компенсации для всех ответвлений катушек. По замерам токов замыкания и токов катушек можно всегда простым сложением (или вычитанием) реактивных слагающих определить емкостный ток сети. Но для контроля следует в конце испытаний сделать замер полного тока сети при отключенных катушках. Правда, сеть на некоторое время (порядка нескольких минут) окажется некомпенсированной, но опасность появления «второй» земли невелика—дефектная изоляция пробилась бы уже в первых опытах замыкания на землю.
Напряжение на нейтрали при замыкании на землю вследствие падения напряжения в обмотке трансформатора может быть несколько меньше номинального фазного. Это надо иметь в виду при анализе результатов измерений. Полученные емкостные токи, равно как и действительные токи компенсации, следует привести к номинальному напряжению дугогасящих катушек Uф. Поскольку в пределах рабочей части характеристика намагничивания линейна, приведение осуществляется пропорциональным пересчетом: замеренные токи умножаются на отношение замеренного напряжения на нейтрали к нормальному фазному.
Ошибки при измерениях методом металлического замыкания зависят от погрешностей примененных измерительных трансформаторов и приборов. Если бы класс точности и приборов и трансформаторов был 0,5, то результирующая ошибка измерения тока замыкания и токов компенсации не превышала бы 2%. Но так как обычно используются трансформаторы класса 1, то ошибка составляет около 3%.
Стоит отметить еще, что некоторую погрешность могут внести токи высших гармонических. Чтобы уменьшить их влияние, не следует подключать катушку во время измерений сразу к нейтрали двух трансформаторов. При нарушении этой рекомендации создается путь для протекания высших гармонических между нейтралями трансформаторов через место замыкания на землю и емкости неповрежденных фаз сети.