2. Теоретическая часть

Нейтралью называют общую точку соединенных в звезду обмоток (элементов) электрооборудования.

Глухозаземленной нейтралью называют нейтраль трансформатора или генератора, присоединенную к заземляющему устройству непосредственно.

Изолированная нейтраль - это нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:

— сети с незаземлёнными (изолированными) нейтралями;

— сети с резонансно-заземлёнными (компенсированными) нейтралями;

— сети с эффективно заземлёнными нейтралями;

— сети с глухозаземлёнными нейтралями.

К первой и второй группам относятся сети напряжением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов в которых изолированы от земли или заземлены через дугогасящие катушки (реакторы).

К сетям с эффективно-заземленными нейтралями относятся сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землёй непосредственно или через небольшое активное сопротивление. Сеть с эффективным заземлением нейтрали – сеть, в которой заземлена большая часть нейтралей обмоток силовых трансформаторов. При однофазном замыкании в такой сети напряжение на неповрежденных фазах не должно превышать 1,4 фазного нормального режима работы сети. К этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше, работающие, как правило, с глухозаземленной нейтралью основного парка силовых трансформаторов и небольшого числа трансформаторов с разземленными нейтралями, с целью ограничения величины тока короткого замыкания.

К четвертой группе относятся сети напряжением 220 и 380 кВ.

Режим работы нейтрали определяет величина тока замыкания на землю. Сети, в которых ток замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями). Токи бoлee 500 A cooтветствуют сетям с большими токами замыкания на землю (это сети с глухо- и эффективно-заземленными нейтралями).

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли (U_A, U_B, U_C) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли I_COA, I_COB, I_COC также симметричны и равны между собой. Емкостной ток фазы определяется величиной суммарной распределенной по длине емкости линии по формуле

(1)

где С - емкость фазы относительно земли, которую для упрощения анализа процесса условно рисуют в середине линий.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке фазы А напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли возрастают в раз и становятся равными междуфазному напряжению. Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в раз. Ток на землю поврежденной фазы, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта ёмкость оказывается закороченной. Ток в месте повреждения можно записать:

(2)

т.е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения.

Ток I_C оказывается в 3 раза больше, чем ток фазы в нормальном режиме:

(3)

Согласно этому выражению ток I_C зависит от напряжения сети, частоты и ёмкости фаз относительно земли. Последняя зависит в основном от конструкции линий сети и их протяжённости.

Приближённо величину емкостного тока I_C, А, можно определить по формулам:

— для воздушных сетей

; (4)

— для кабельных сетей

, (5)

где U - междуфазное напряжение, кВ; l - длина электрически связанной сети данного напряжения, км.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включённые на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.

Вследствие того, что при замыкании на землю напряжение неповреждённых фаз относительно земли увеличивается в раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Это ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряжением 35 кВ и ниже, где стоимость изоляции электроустановок не является определяющей и некоторое её увеличение компенсируется повышенной надёжностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65 % всех нарушений изоляции.

В тоже время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через землю. Поэтому в сетях с незаземлёнными нейтралями обязательно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю. Устройства контроля подключаются к сети через измерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типа ЗНОМ или ЗНОЛ.

Реле напряжения, подключаемое к обмотке «разомкнутый треугольник», будет реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, световое табло).

Допустимая длительность работы с заземленной фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч.

Для уменьшения токов замыкания на землю применяется заземление нейтралей через дугогасящие катушки.

В нормальном режиме ток через катушку практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной из фаз дугогасящая катушка оказывается под фазным напряжением, и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I_C также индуктивный ток катушки I_L. Так как индуктивный и емкостной токи отличаются по фазе на угол 180 ⁰, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга.

Дугогасящие катушки должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями.

В сетях с резонансно-заземлённой нейтралью, так же как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная paбoтa с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится возможность произвести необходимые переключения для отделения повреждённого участка,

Глухое заземление нейтрали применяется в сетях 220 и 380 В. При этом нейтрали источников питания соединяются с землей.

В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Здесь применяется эффективное заземление нейтралей, при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтралей.

Однако рассматриваемые режимы нейтрали имеют и ряд недостатков. Так, при замыкании одной из фаз на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена ЭДС фазы. Возникнет режим короткого замыкания (далее к. з.), сопровождающийся протеканием больших токов.

Второй недостаток - значительное удорожание выполняемого в распределительных устройствах контура заземления, который должен отвести на землю большие токи к. з., и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооружение.

Третий недостаток - значительный ток однофазного к. з., который при большом количестве заземленных нейтралей, а также в сетях с автотрансформаторами может превышать токи трехфазных к.з. Для уменьшения токов однофазного к. з. применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в сетях 110 – 220 кВ). Возможно применение для тех же целей токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали трансформаторов.