21. Свойства электрических сетей в зависимости от способа заземления нейтрали

Нейтралями электроустановок называют общие точки обмотки генераторов или трансформаторов, соединённые в звезду.

Вид связей нейтралей машин и трансформаторов с землёй в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, значения перенапряжения и способы их ограничения, токи при однофазных замыканиях на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнита влияние на линии связи и т. д.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы: 1) сети с незаземленными (изолированными) нейтралям, 2) сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралям, 3) сети с эффективно-заземленными нейтралями; 4) сети с глухозаземленными нейтралями.

Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряжение выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1. Коэффициентом замыкания на землю называют отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю поврежденной фазы к разности потенциалов между фазой и землёй в этой точке до замыкания. В соответствии с рекомендациями Международного электротехнического комитета (МЭК) к эффективно-заземленным сетям относят сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землей непосредственно или через небольшое активное сопротивление. К этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше.

К четвертой группе относятся сети напряжением 220, 380 и 660 В.

Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного 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 более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (это ceти с эффективно-заземленными нейтралями).

Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями

В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий (рис. 1.16). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.

нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно зeмли (ua, U в, U с) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли I_С0А I_С0В I_С0С также симметричны и равны между собой (рис. 1.16, а). Емкостный ток фазы: I_С0 = U_Ф C,где С — емкость фазы относительно земли.

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер И практически не влияет на загрузку генераторов.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряже­ния неповрежденных фаз относительно земли возрастают в раз и ста­новятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис. 1.16,6) поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям U_В = U_ВА и U_С = U_СА.

Ёмкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен ну­лю, так как эта емкость оказывается закороченной. Для тока в месте повреждения можно записать:

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

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

(1.3)

Согласно (1.3) ток Iс зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции ли­ний сети и их протяженности.

Приближенно ток 1с, А, можно определить по следующим формулам:

для воздушных сетей:

для кабельных сетей:

где U — междуфазное напряжение, кВ; J—длина электрически связанной сети данного напряжения, км.

В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напря­жение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз — больше фазного, но меньше ли­нейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

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

Вследствие того, что при замыкании на землю напряжение неповреж­денных 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 на­дежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65% всех нарушений изоляции.

В то же 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 (рис. 1.17). Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение.

Например, в случае, показанном на рис. 1.17, могут отключиться сразу две линии.

В связи с изложенным в сетях с незаземленными нейтралями обяза­тельно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещаю­щие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.

Так, на рис. 1.16, в показан способ контроля изоляции в сети с незазе­мленной нейтралью. Устройства контроля подключаются к сети через из­мерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типа НОЗМ.

Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис. 1.16, в) со­единяются по схемам: одна (I) — звезда, вторая (II) — разомкнутый треу­гольник. Обмотка I позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка II предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.

Нормально на зажимах обмотки II напряжение равно нулю, поскольку равна нулю геометрическая сумма фазных напряжений всех трех фаз в се­ти с незаземленной нейтралью. При металлическом замыкании одной фазы в сети первичного напряжения на землю на зажимах обмотки II по­является напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух не­поврежденных фаз (рис. 1.16,6). Число витков обмотки II подбирается так, чтобы напряжение на ее выводах при металлическом замыкании фазы первичной сети на землю равнялось 100 В. При замыкании на землю через переходное сопротивление напряжение на обмотке II в зависимости от со­противления в месте замыкания будет 0—100 В.

Реле напряжения, подключаемое к обмотке II, будет при соответствую­щей настройке реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, табло).

Персонал электроустановки может проконтролировать напряжение не­баланса вольтметром и установить поврежденную фазу. Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.

Рисунок 1.17 – Двойное замыкание на землю в сети с незаземлённой нейтралью

Отыскание места повреждения на землю после получения сигнала дол­жно начинаться немедленно, и повреж­дение должно устраняться в кратчай­ший срок. Допустимая длительность работы с заземленной фазой опреде­ляется Правилами технической эк­сплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч,

Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и выз­вать двух- или трехфазное КЗ (по­следнее часто наблюдается при одно­фазных замыканиях на землю одной из жил трехфазного кабеля). Особенно опасны дуги внутри машин и аппа­ратов, возникающие при однофазных замыканиях на заземленные корпуса или сердечники.

При определенных условиях в месте замыкания на землю может возни­кать так называемая перемежающаяся дуга, т. е. дуга, которая периодиче­ски гаснет и зажигается вновь. Перемежающаяся дуга сопровождается воз­никновением перенапряжений на фазах относительно земли, которые могут достигать 3,5 Uф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоля­ции и образование КЗ в частях установки с ослабленной изоляцией.

Наиболее вероятно возникновение перемежающихся дуг при емкостном токе замыкания на землю более 5—10 А, причем опасность дуговых пере­напряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допу­стимые значения тока нормируются (§ 1.2.16 ПУЭ) и не должны превы­шать следующих значений:

Напряжение сети, кВ ........... 3 ~ 6 10 15-20 35

Емкостный ток замыкания на землю, А .... 30 20 15 10

В сетях 3—20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается Iс не более 10 А. В блочных схемах генератор — трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5 А.

Работа сети с незаземленной (изолированной) нейтралью применяется и при напряжении до 1 кВ. При этом основные свойства сетей с незазем­ленной нейтралью сохраняются и при этом напряжении. Кроме того, эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотка­ми высшего и низшего напряжений, в нейтрали или фазе каждого транс­форматора устанавливается пробивной предохранитель.

Трехфазные сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями

В сетях 3—35 кВ в для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы.

В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен ну­лю. При полном замыкании на землю одной фазы дугогасящий реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током 1с также индуктивный ток реактора Il (рис. 1.18). Так как индуктивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг дру­га. Если Ic = Il (резонанс), то через место замыкания на землю ток проте­кать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает и устраняются связанные с нею опасные последствия.

Рисунок 1.18 – Трёхфазная сеть с резонансно-заземлённой нейтралью

Суммарная мощность дугогасящих реакторов для сетей определяется из выражения: (1.6)

где п — коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять п = 1,25 ; Ic — полный ток замыкания на землю. А; Uф— фазное напряжение сети, кВ.

По рассчитанному значению Q в каталоге подбираются реакторы тре­буемой номинальной мощности. При этом необходимо учитывать, что регулировочный диапазон реакторов должен быть достаточным для обес­печения возможно более полной компенсации емкостного тока при ве­роятных изменениях схемы сети (например, при отключении линий и т. п.). При I_C 50 А устанавливают два дугогасящих реактора с суммарной мощностью по (1.6).

С учётом перегрузки трансформатора , допустимой на время работы сети с заземлённой фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности k_пер , допустимая мощность реактора, подключаемого к данному трансформатору, равна:

При подключении реактора к специальному ненагруженному трансфор­матору необходимо выдержать условие:

,

(если перегрузка трансформатора допустима).

В сетях с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью, так же как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится воз­можность произвести необходимые переключения для отделения повреж­денного участка. При этом следует учитывать также допустимое время продолжительной работы реактора 6 ч.

Наличие дугогасящих реакторов особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет и линия не отключается. В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящий реактор, при однофазных замыканиях на землю напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли увеличиваются в раз, т. е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейт­ралями.

Трехфазные сети с эффективно-заземленными нейтралями

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 относительно земли равно при­мерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали.

Однако рассматриваемый режим нейтрали имеет и ряд недостатков. Так, при замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к ко­торому приложена ЭДС фазы (рис. 1.21). Возникает режим КЗ, сопровож­дающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения обору­дования длительное протекание больших токов недопустимо, поэтому КЗ быстро отключаются релейной защитой. Правда, значительная часть одно­фазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относится к самоустраняющимся, т. е. исчезающим после снятия напряже­ния. В таких случаях эффективны устройства автоматического повторного включения (АПВ), которые, действуя после работы устройств релейной за­щиты, восстанавливают питание потребителей за минимальное время.

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

Рисунок 1.21 - Сеть с эффективно-заземленными нейтралями

Третий недостаток — значи­тельный ток однофазного КЗ, кото­рый при большом количестве заземленных нейтралей трансформа­торов, а также в сетях с авто­трансформаторами может превы­шать токи трехфазного КЗ. Для уменьшения токов однофазного КЗ применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в еггях 110—220 кВ).

Возможно при­менение для тех же целей Токоограничивающих сопротивле­ний, включаемых в нейтрали трансформаторов.

Сети с глухозаземленными нейтралями

Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные на­пряжения. В них нейтраль трансформатора или генератора при­соединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока). Для фиксации фазного напряжения при наличии однофазных нагрузок применяют нулевой проводник, связанный с нейтралью трансформатора (генератора). Этот проводник служит для выполнения также и функции зануления, т. е. к нему преднамеренно присоединяют металлические части электроустановок, нор­мально не находящиеся под напряжением. При наличии зануления пробой иэоляции на корпус вызовет однофазное КЗ и срабатывание защиты с от­ключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса повреждение изоляции вызовет опасный потенциал на корпусе. Целость нулевого проводника нужно кон­тролировать, так как его случайный разрыв может вызвать перекос напря­жений по фазам (снижение его на загруженных фазах и повышение на незагруженных). Может быть принято при необходимости раздельное вы­полнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.