В электротехнике существует такое понятие как емкостный ток, более известный в качестве емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях. Данное явление возникает при повреждении фазы, в результате чего возникает так называемая заземляющая дуга. Для того чтобы избежать серьезных негативных последствий, необходимо своевременно и правильно выполнять расчет емкостного тока сети. Это позволит уменьшить перенапряжение в случае повторного зажигания дуги и создаст условия для ее самостоятельного угасания.
Что такое емкостный ток
Емкостный ток возникает как правило на линиях с большой протяженностью. В этом случае земля и проводники работают аналогично обкладкам конденсатора, способствуя появлению определенной емкости. Поскольку напряжение в ЛЭП обладает переменными характеристиками, это может послужить толчком к его появлению. В кабельных линиях, напряжением 6-10 киловольт, его значение может составить 8-10 ампер на 1 км протяженности.
В случае отключения линии, находящейся в ненагруженном состоянии, величина емкостного тока может достигнуть нескольких десятков и даже сотен ампер. В процессе отключения, когда наступает момент перехода тока через нулевое значение, напряжение на расходящихся контактах будет отсутствовать. Однако, в следующий момент вполне возможно образование электрической дуги.
Если значение емкостного тока не превышает 30 ампер, это не приводит к каким-либо серьезным повреждениям оборудования в зоне опасных перенапряжений и замыканий на землю. Электрическая дуга, появляющаяся на месте повреждения, достаточно быстро гаснет с одновременным появлением устойчивого замыкания на землю. Все изменения емкостного тока происходят вдоль электрической линии, в направлении от конца к началу. Величина этих изменений будет пропорциональна длине линии.
Для того чтобы уменьшить ток замыкания на землю, в сетях, напряжением от 6 до 35 киловольт, осуществляется компенсация емкостного тока. Это позволяет снизить скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги. Кроме того, снижаются перенапряжения в случае повторных зажиганий дуги. Компенсация выполняется с применением дугогасящих заземляющих реакторов, имеющих плавную или ступенчатую регулировку индуктивности.
Настройка дугогасящих реакторов выполняется в соответствии с током компенсации, величина которого равна емкостному току замыкания на землю. При настройке допускается использование параметров излишней компенсации, когда индуктивная составляющая тока будет не более 5 ампер, а степень отклонения от основной настройки – 5%.
Выполнение настройки с недостаточной компенсацией допустимо лишь в том случае, когда мощность дугогасящего реактора является недостаточной. Степень расстройки в этом случае не должна превышать 5%. Главным условием такой настройки служит отсутствие напряжения смещения нейтрали, которое может возникнуть при несимметричных емкостях фаз электрической сети – при обрыве проводов, растяжке жил кабеля и т.д.
Для того чтобы заранее предупредить возникновение аварийных ситуаций и принять соответствующие меры, необходимо рассчитать емкостный ток на определенном участке. Существуют специальные методики, позволяющие получить точные результаты.
Пример расчета емкостного тока сети
Значение емкостного тока, возникающего в процессе замыкания фазы на землю, определяется лишь величиной емкостного сопротивления сети. По сравнению с индуктивными и активными сопротивлениями, емкостное сопротивление обладает более высокими показателями. Поэтому первые два вида сопротивлений при расчетах не учитываются.
Образование емкостного тока удобнее всего рассматривать на примере трехфазной сети, где в фазе А произошло обычное замыкание. В этом случае величина токов в остальных фазах В и С рассчитывается с помощью следующих формул:
Модули токов в этих фазах Iв и Iс, учитывая определенные допущения С = СА = СВ = СС и U = UА = UВ = UС можно вычислить при помощи еще одной формулы:
Значение тока в земле состоит из геометрической суммы токов фаз В и С. Формула целиком будет выглядеть следующим образом: 
При проведении практических расчетов величина тока замыкания на землю может быть определена приблизительно по формуле: 
, где Uср.ном. – является фазным средненоминальным напряжением ступени, N – коэффициент, а l представляет собой суммарную длину воздушных и кабельных линий, имеющих электрическую связь с точкой замыкания на землю (км). Оценка, полученная с помощью такого расчета, указывает на независимость величины тока от места замыкания. Данная величина определяется общей протяженностью всех линий сети.
Как компенсировать емкостные токи замыкания на землю
Работа электрических сетей, напряжением от 6 до 10 киловольт, осуществляется с изолированной или заземленной нейтралью, в зависимости от силы тока замыкания на землю. Во всех случаях в схему включаются дугогасящие катушки. Нейтраль заземляется с помощью дугогасящих катушек, для того чтобы компенсировать токи замыкания на землю. Когда возникает однофазное замыкание на землю, работа всех электроприемников продолжается в нормальном режиме, а электроснабжение потребителей не прерывается.
Значительная протяженность городских кабельных сетей приводит к образованию в них большой емкости, поскольку каждый кабель является своеобразным конденсатором. В результате, однофазное замыкание в подобных сетях, может привести к увеличению тока на месте повреждения до нескольких десятков, а в некоторых случаях – и сотен ампер. Воздействие этих токов приводит к быстрому разрушению изоляции кабеля. Из-за этого, в дальнейшем, однофазное замыкание становится двух- или трехфазным, вызывая отключение участка и прерывая электроснабжение потребителей. В самом начале возникает неустойчивая дуга, постепенно превращающаяся в постоянное замыкание на землю.
Когда ток переходит через нулевое значение, дуга сначала пропадает, а затем появляется вновь. Одновременно на неповрежденных фазах возникает повышение напряжения, которое может привести к нарушению изоляции на других участках. Для погашения дуги в поврежденном месте, необходимо выполнить специальные мероприятия по компенсации емкостного тока. С этой целью к нулевой точке сети подключается индуктивная заземляющая дугогасящая катушка.
Схема включения дугогасящей катушки, изображенная на рисунке, состоит из заземляющего трансформатора (1), выключателя (2), сигнальной обмотки напряжения с вольтметром (3), дугогасящей катушки (4), трансформатора тока (5), амперметра (6), токового реле (7), звуковой и световой сигнализации (8).
Конструкция катушки состоит из обмотки с железным сердечником, помещенной в кожух, наполненный маслом. На главной обмотке имеются ответвления, соответствующие пяти значениям тока для возможности регулировки индуктивного тока. Один из выводов включается в нулевую точку обмотки трансформатора, соединенной звездой. В некоторых случаях может использоваться специальный заземляющий трансформатор, а соединение вывода главной обмотки осуществляется с землей.
Таким образом, для обеспечения безопасности выполняется не только расчет емкостного тока, но и проводятся мероприятия по его компенсации с помощью специальных устройств. В целом это дает хорошие результаты и обеспечивает безопасную эксплуатацию электрических сетей.
