1.3. Режимы работы нейтралей в электроустановках

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

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

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы: 1) сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;

2. сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;

3. сети с эффективно-заземленными нейтралями; 4) сети с глухозазем- ленными нейтралями.

В Советском Союзе к первой и второй группам относятся сети напря­жением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы.

Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряже­ние выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. 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 землей 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. В Советском Союзе 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 сети с эффективно-заземленными нейтралями).

а) 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.

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно зем­ли (U_A, U_Bi U_c) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли /_ССЬ4, и 1сое также симмет­ричны и равны между собой (рис. 1.16, а). Емкостный ток фазы

1со=ЩыС, (1.1)

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 не-

заземленной 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 j/з раз и ста­новятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис. 1.16,6) поверхность земли в точке повреждения при-

обретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям Uв = Uba и Uс = U с а- Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в ]/з 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:

HP 184

1АА_Л\ 184

. А,, 238

2 370

©в 370

. 7 7 7 503

Согласно (1.3) ток 1_С зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, Которая зависит в основном от конструкции ли­ний сети и их протяженности.

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

для воздушных сетей

Ic=Ul/350; (1.4)

для кабельных сетей

1_С = 1Л/10, (1.5)

где U — междуфазное напряжение, кВ; / —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 |/з 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 ее 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 зе­

млю (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 ЗНОМ (см. также гл. 4).

Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис. 1.16, в) со­единяются по схемам: одна (1) — 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 V₂) и установить поврежденную фазу (вольтметром Р₁). Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.

О

Рис. 1.17. Двойные замыкания на зем­лю в сети с незаземленной нейтралью

тыскание места замыкания 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 £/ф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоля­ции к 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 1с 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.

б) Трехфазные сети с резонансно-заземленными (компенсированными)

нейтралями

В сетях 3 — 35 кВ в СССР 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 1_L (р^ис- 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 I_c = I_L (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.

Суммарная мощность дугогасящих реакторов для сетей определяется из выражения .

Q

(1.6)

х 1и

s

>К нагрузке

ж у/ /// ж ж ш уя

= л/сСф,

где и — коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять п = 1,25 [1-10]; 1_С - полный ток замыкания на землю, А; — 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 1_С ^ 50 А устанавливают два дугогасящих реактора с суммарной мощностью по (1.6).

В СССР применяют дугогасящие реакторы разных типов. Наиболее распространены реакторы типа РЗДСОМ (рис. 1.19,а; табл. П1.2) мощ­ностью до 1520 кВ-А на напряжение до 35 кВ с диапазоном регулирова­ния 1; 2. Обмотки этих реакторов располагаются на составном магнито- лроводе с чередующимися воздушными зазорами и имеют отпайки для регулирования тока компенсации. Реакторы имеют масляное охлаждение.

Более точно, плавно и автоматически можно производить настройку компенсации в - реакторах РЗДПОМ, индуктивность которых изменяется с изменением немагнитного зазора в сердечнике (рис. 1.19,6; табл. П1.2) или путем подмагиичивания стали магнитопровода от источника постоянного тока.

Дугогасящие реакторы должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных .с компенсируемой сетью не менее чем тремя ли­ниями. При компенсации сетей генераторного напряжения реакторы распо-

2 Л. Д. Рожкова, В. С, Козу лив

лагают обычно вблизи генераторов. Наиболее характерные способы при­соединения дугогасящих реакторов показаны на рис. 1.20.

На рис. 1.20, а показаны два дугогасящих реактора, подключенных в нейтрали трансформаторов подстанции, на рис. 1.20,6 — реактор, под­ключенный к нейтрали генератора, работающего в блоке с трансформато­ром. В схеме на рис. 1.20, в показано подключение дугогасящего реактора к нейтрали одного из двух генераторов, работающих на общие сборные шины. Следует отметить, что при этом цепь подключения реактора дол­жна проходить через окно сердечника трансформатора тока нулевой по­следовательности (ТНП), что необходимо для обеспечения правильной работы защиты генератора от замыканий на землю.

При подключении дугогасящих реакторов через специальные трансфор­маторы и трансформаторы собственных нужд, по мощности соизмеримые с мощностью реакторов, необходимо учитывать их взаимное влияние.

В

7р,д -^ном,р

1 +

и_к % Q

100 S,

(1.7)

ном,р

ном,т

первую очередь это влияние сказывается в уменьшении действитель­ного тока компенсации по сравнению с номинальным из-за наличия после­довательно включенного с реактором сопротивления обмоток трансфор­матора

где /_{ном р} — номинальный ток дугогасящего реактора; и_к % — напряжение КЗ трансформатора; S_{H0M т} — номинальная мощность трансформатора.

О

Рис. 1.19. Устройство дугогасящих реакторов: а — типа РЗДСОМ; 6 — типа РЗДПОМ

собенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора сказывается при использовании схемы соединения обмоток звезда — звез­да, так как при однофазных замыканиях на землю индуктивное сопротив-

ление у них примерно в 10 раз больше, чем при междуфазных КЗ. По этой причине для подключения реакторов предпочтительнее трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда — треугольник. В свою очередь на­личие дугогасящего реактора в нейтрали трансформатора обусловливает при однофазных замыканиях на землю дополнительную нагрузку на его обмотки, что приводит к повышенному нагреву. Это особенно важно учитывать при использовании для подключения реактора трансформато­ров, имеющих нагрузку на стороне низшего напряжения, например транс­форматоров собственных нужд электростанций и подстанций. Допустимая мощность' реактора, подключаемого к нагруженному трансформатору, определяется из выражения

е* л = i/s1om.t - sl„ (1-8)

где S_H0M)T - номинальная мощность трансформатора; S_max - максимальная мощность нагрузки.

Выражение (1.8) справедливо с учетом того, что значение coscp нагрузки обычно близко к единице, а активное сопротивление реактора мало.

С учетом перегрузки трансформатора, допустимой на время работы сети с заземленной фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности к_гтер, допустимая мощность реактора, подключаемого к данно­му трансформатору, равна

Qp. л = ]/(*пе_Р5„ом,т)² “ SLl- (1-9)

При подключении реактора к специальному ненагруженному трансфор­матору необходимо выдержать условие

Qhom,p ^ jShom, т ИЛИ QaoM, р ^ /сперЗном, т

(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 ]/3 раз, т. е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейт­ралями.

в) 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 иа землю большие токи КЗ и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооружение.

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 раззем- ление нейтралей (в основном в сетях 110 — 220 кВ). Возможно при­менение для тех же целей токоограничивающи£ сопротивле­ний, включаемых в нейтрали трансформаторов. -

г

Рис. 1.21. Трехфазная сеть с эффективно- заземленной нейтралью

) Сети с глухозаземленными нейтралями

Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные на­пряжения (рис. 1.22). 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 изоляции на корпус вызовет однофазное КЗ и срабатывание защиты с от­ключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса (второй двигатель на рис. 1.22) 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.

Пример 1.1 Задание. Выбрать дугогасящий реактор и способ его подключения к сети 10 кВ, питающейся от шин районной подстанции (рис. 1.23). В кабельной се­ти 10 кВ при раздельной работе секций ток замыкания на землю составит: для сек­ции 1 - 19 А, для секции 2-16 А. На подстанции установлены трансформаторы собственных нужд ТМ-100/10 (на схеме рис. 1.23 они не показаны).

Решение. Согласно нормам при токах замыкания на землю 1_С < 20 А в сети ЮкВ компенсация не требуется. Реактор становится необходимым лишь при вклю­чении секционного выключателя, когда суммарный емкостный ток составит 35 А.

Рис. 1.23. К примеру 1.1

Такой режим работы может возникнуть при выводе одного трансформатора в ре­монт и питании потребителей обеих секций от другого.

Требуемая мощность реактора

Q_p = 1,25/_с£/ф = 1,25-35- ЮД/з = 252,6 кВ-А.

По каталогу (см., например, табл. П1.2) выбираем реактор РЗДСОМ-380/10 с Ghom,_p = 380 кВ*А

Установленные на подстанции трансформаторы собственных нужд мощностью 100 кВ*А для подключения реактора непригодны, так как мощность их недоста­точна.

Для подключения дугогасящего реактора необходимо установить специальный трансформатор ТМ-400/10 со схемой соединения обмоток звезда — треугольник, «к = 5,5%. Трансформатор целесообразно подключить к секции 1, которая имеет большее значение тока замыкания на землю.

Выбранный трансформатор кроме подключенного дугогасящего реактора мо­жет питать нагрузку общей мощностью

Р_{нагр д} = J/400² - 380² = 125 кВт (при coscp = 1).