Заземляющие дуги малых емкостных токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью обычно не создают большого тепловыделения и, соответственно, не имеют высокой температуры, поэтому воздействие этих дуг на фарфоровую изоляцию, медные и алюминиевые токоведущие части и особенно на трансформаторную сталь, а также сталь статоров вращающихся машин не опасно. Однако, при величинах емкостных токов, превышающих некоторые критические, заземляющие дуги однофазных замыканий на землю в этих сетях становятся устойчивыми. При их длительном прохождении в месте повреждения может выделяться значительная энергия, что ведет к разрушению витковой, фазной и междуфазной изоляции, расплавлению токоведущих частей, выжиганию стали магнитопроводов электрических машин и трансформаторов и, следовательно, развитию повреждения до недопустимого предела. Открытые дуги могут растягиваться на значительные расстояния (несколько метров), быстро ионизируя вокруг себя значительный объем воздуха, создавая благоприятные условия для возникновения междуфазных коротких замыканий на линиях электропередачи и в распределительных устройствах.
В некоторых случаях горение заземляющих в месте повреждения дуг в условиях испарения и разложения масла или пропиточной массы, выделения деионизирующих газов из обжигаемых дугой стенок изолирующих материалов, быстрого испарения влаги, содержащейся, например, в трещинах фарфоровых изоляторов, может привести к возникновению ударного давления в виде взрыва и к продольно-поперечному обдуванию дуги. Это обуславливает расщепление дуги, интенсивный отбор тепла, резкое снижение ее температуры и быстрое повышение сопротивления. Происходит принудительный обрыв тока замыкания на землю, который может сопровождаться значительными перенапряжениями в сети.
Учитывая отмеченные обстоятельства, на основании многолетнего опыта эксплуатации сетей с изолированной нейтралью установлены значения максимальных допустимых токов однофазных замыканий на землю для генераторов, двигателей, кабельных и воздушных сетей, при которых еще возможно сохранение в работе поврежденного участка сети в течение нескольких часов, необходимых для отыскания места повреждения и отключения соответствующего участка сети без нарушения электроснабжения.
Для генераторов, синхронных компенсаторов и мощных высоковольтных двигателей допустимый ток однофазного замыкания определяется видом изоляции обмотки статора. Здесь применяют изоляцию класса В, состоящую из микаленты на слюдяной основе, пропитанной асфальтовым лаком. В пазу могут находиться стержни одной фазы или разных фаз. При нарушении изоляции фазы на корпус размеры и характер разрушения зависят от значения тока повреждения и времени. Если ток не превышает 30 А, то замыкание обычно не сопровождается горением дуги. Однако продолжительное протекание через изоляцию даже небольшого тока приводит к ее нагреванию. В результате пропитывающий изоляцию лак может перейти в жидкое состояние, электрическая прочность изоляции снижается и может произойти пробой, т.е. витковое или междуфазное к.з. При токе повреждения более 30 А замыкание, как правило, носит дуговой характер, что приводит к выплавлению стали магнитопровода статора. Ремонт генератора в этом случае связан с необходимостью полной перешихтовки магнитопровода. Указанные обстоятельства обусловили нормативное значение допустимого тока замыкания на землю в обмотках высоковольтных вращающихся электрических машин, равное 5 А.
Кабели 6-20 кВ выполняют обычно трехжильными с бумажной изоляцией, пропитанной маслоканифольной массой, в свинцовой или алюминиевой оболочке и с пластмассовой изоляцией. Замыкание жилы на оболочку может происходить как через дугу, так и без дуги (при относительно небольшом токе повреждения). Однако даже во втором случае ток, проходя продолжительное время через изоляцию, вызывает испарение и разложение масла или пропиточной массы, постепенно разрушает ее и, как следствие, может вызвать замыкание между жилами. Значение продолжительно допустимого тока в кабельных сетях зависит от толщины изоляции применяемых в них кабелей и, следовательно, от номинальных напряжений этих сетей.
Номинальные напряжения кабельных сетей, кВ 6 10 15 – 20
Допустимые токи замыкания на землю
в кабельных сетях, А 30 20 15
В воздушных сетях процесс развития повреждений также зависит от значений токов в месте замыкания. Установлено, что если ток замыкания на землю в сети до 35 кВ превышает допустимый, то он может способствовать разрушению фарфоровых изоляторов и железобетонных опор, разрушению витковой изоляции трансформаторов. В то же время известно, что если в воздушной сети ток замыкания фазы на землю не превышает допустимого значения, то в месте замыкания может произойти самопогасание дуги, что равносильно самовосстановлению ее нормального режима работы. Поэтому для этих сетей длительно допустимые токи определены исходя из возможности самопогасания токов замыкания.
Номинальные напряжения воздушных сетей, кВ 6 10 15-20 35
Допустимые токи замыкания на землю при
наличии в сети линий на железобетонных и 10 10 10 10
металлических опорах, А
Допустимые токи замыкания на землю
в сетях, не имеющих железобетонных и 30 20 15 10
металлических опор, А
В сетях 6 – 35 кВ с повышенными требованиями к электробезопасности (сети открытых горных и торфяных разработок, шахтных и т.п.) длительно допустимый ток однофазного замыкания на землю принят равным 5 А.
Если ток однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не превышает указанные выше допустимые пределы, немедленное автоматическое отключение поврежденного участка сети не обязательно. Релейную защиту выполняют с действием на сигнал. Если же ток замыкания превышает допустимые пределы, прибегают к компенсации его с помощью дугогасящих реакторов.