2.3 Режимы работы нейтрали в электрических системах

Режим нейтрали является важнейшей характеристикой электрической системы, определяющим:

- уровень изоляции электроустановки;

- выбор коммутационной аппаратуры;

- величины токов при однофазных замыканиях на землю;

- условия работы релейной защиты;

- безопасность в электрических сетях.

Необходимо также отметить, что способ заземления нейтрали – исключительно важная проблема сетей средних классов напряжения. Она должна решаться индивидуально для каждой характерной электрической системы питания и потребления.

Получение максимума преимуществ от выбранного способа заземления нейтрали должно увязываться со специфическими требованиями производственного процесса, основными из которых, как правило, являются надежность системы электроснабжения и стоимость обеспечения заданной надежности. Большое число факторов, которые должны быть учтены, тем не менее, не всегда могут быть проанализированы только с позиции стоимости. Поэтому наилучшее решение при выборе способа заземления нейтрали – одна из самых трудных задач проектирования системы электроснабжения [7].

Нейтралями электроустановок называют общие точки трехфазных обмоток генераторов или трансформаторов, соединенных в звезду [6].

В нормальном режиме работы электроустановки фазные напряжения равны между собой и сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов и поэтому потенциал нейтралей относительно земли равен нулю [8]. При таких условиях способ заземления нейтрали практически не сказывается на нормальном режиме работы сети (не влияет на значение линейных напряжений и, следовательно, на работу потребителей). Однако при поврежденной фазной изоляции, способ заземления нейтрали оказывает решающее влияние на ряд параметров аварийного режима: ток однофазного замыкания на землю , возможность развития аварии и величину возникающих перенапряжений, условия безопасности обслуживания электроустановок, возможность создания селективной защиты от замыканий на землю и так далее.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на сети с глухим, эффективным и неэффективным заземлением нейтрали.

Глухим заземлением называют такой способ заземления, при котором нейтраль обмотки трансформатора присоединена к заземляющему устройству металлически или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Эффективным заземлением нейтрали – называют такую сеть, в которой нейтрали большей части силовых элементов (трансформаторов, генераторов) заземлены. В данном режиме повышение напряжения по отношению к земле на неповреждённых фазах при однофазных замыканиях на землю в установившемся режиме не превышает 0,8 линейного напряжения и коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.

Отношение абсолютного значения напряжения на неповрежденной фазе при замыкании одной из прочих двух на землю к номинальному напряжению сети называют коэффициентом заземления

. (2.1)

В сетях средних классов напряжения 6 – 35 кВ более экономичными являются режимы неэффективного заземления нейтрали, к которым можно отнести:

- режим изолированной нейтрали трансформаторов или генераторов при небольших токах замыканий на землю ( ≤ 5 – 30 А);

- заземление нейтрали сети через большое индуктивное сопротивление, величина которого примерно равна суммарному емкостному сопротивлению сети на частоте 50 Гц (сеть с компенсацией емкостных токов замыкания на землю);

- заземление нейтрали через высокоомное или низкоомное активное сопротивление (резистивное заземление нейтрали).

При анализе режимов работы нейтрали вводят следующие понятия:

- глухозаземленная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству. Глухозаземленным может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трехпроводных сетях постоянного тока;

- изолированная нейтраль – нейтраль трансформатора или генератора, неприсоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств;

- заземляющее устройство – совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Согласно требованиям ПУЭ [1] электрические сети в зависимости от номинального напряжения выполняются со следующими режимами нейтрали:

- сети с U_ном ≤ 1 кВ, питающиеся от понижающих трансформаторов, подключенных к сетям с U_ном > 1 кВ, выполняются с глухим заземлением нейтрали;

- сети с U_ном ≤ 1 кВ, питающиеся от автономного источника или разделительного трансформатора (по условию обеспечения максимальной электробезопасности при замыканиях на землю), выполняются с незаземленной нейтралью;

Работа электрических сетей напряжением 2 – 35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:

- в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ – более 10 А;

- в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи: более 30 А при напряжении 3 – 6 кВ; более 20 А при напряжении 10 кВ; более 15 А при напряжении 15 – 20 кВ; в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5 А.

При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применение не менее двух заземляющих реакторов.

Работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью.

Электрические сети напряжением 220 кВ и выше должны работать только с глухозаземленной нейтралью.

Выбор того или иного режима заземления нейтрали электрической сети является сложной технико-экономической задачей.

Желательно выбрать такой режим нейтрали, при котором с учетом всех факторов расчетные затраты на сооружение и эксплуатацию электроустановки были бы минимальными.

Способ заземления нейтрали решающим образом влияет на перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю. Поэтому вопросы, связанные с выбором способа заземления нейтрали, тесно связаны с другими применяемыми в настоящее время средствами ограничения перенапряжений с помощью различных технических средств, например, разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений и др. Важно также то, что способы заземления нейтрали определяют также и способ выполнения селективной защиты от замыканий на землю. При прочих равных условиях предпочтение должно быть отдано такому способу заземления нейтрали, при котором защита от замыкания на землю получается достаточно простой и надежной. Например, глухое заземление нейтрали трансформаторов, приводящее, с одной стороны, к увеличению токов коротких замыканий, с другой – к уменьшению уровню напряжений, воздействующих на изоляцию, и, следовательно, к уменьшению габаритов изоляции, применяется в России в сетях высших классов напряжения (U_ном ≥ 110 кВ) [7].

Схемы электрической сети 6 – 35 кВ с неэффективным заземлением нейтрали чрезвычайно разнообразны. В сетях 10 кВ энергия к потребителям передается, как правило, по радиальным и магистральным схемам. В районных сетях напряжением 35 кВ применяются как схемы с односторонним питанием (для потребителей 2 и 3 категории), так и кольцевые схемы, связывающие две и более питающей подстанции. Сети генераторного напряжения блоков электрической станции являются типовыми схемами с двухсторонним питанием.

Накопленный многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтралью показывает, что при токах замыкания, не превышающих допустимую величину 10 – 30 А для сетей 35 – 6 кВ соответственно, однофазные замыкания на землю не развиваются в междуфазные короткие замыкания, что позволяет оставить поврежденный участок в работе на время, достаточное для его обнаружения и ликвидации, без перерыва электроснабжения.

Однако с ростом тока замыкания на землю (в сетях содержащих воздушные и кабельные линии значительной протяженности) дуга не погасает и приобретает разрушительные свойства. Для уменьшения тока однофазного замыкания на землю нейтрали некоторых трансформаторов или генераторов заземляют через дугогасящие реакторы (ДГР). В качестве ДГР применяют специальные заземляющие реакторы типов ЗНОМ, РЗДСОМ, РЗДПОМ, конструкция которых постоянно совершенствуется.

От общих перечисленных выше схем, путем преобразования источников можно перейти к расчетной схеме (рис. 2.3) с эквивалентным генератором, нейтраль которого может быть заземлена через сопротивление Z_N.

При расчетах нормальных режимов и режима замыкания на землю можно не учитывать индуктивное сопротивление L_Э генератора, что, в свою очередь, позволяет учитывать только фазные емкости C_Ф сети относительно земли и не принимать к рассмотрению междуфазные емкости. В общем случае рассмотрение режимов работы нейтрали должно осуществляться с учетом переходного сопротивления R_Д дуги в месте короткого замыкания.

Рис. 2.3. Расчетная упрощенная схема замещения сети

Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями. В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли (U_А, U_B, U_С) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли I_c0A, I_с0B и I_с0C также симметричны и равны между собой (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Векторная диаграмма токов и напряжений нормального симметричного режима

Емкостный ток фазы в этом режиме равен

(2.2)

где B_C = ωC_ф – емкостная проводимость фазы относительно земли.

Напряжение на изолированной нейтрали в нормальном эксплуатационном режиме работы сети (в схеме рис. 2.3 короткозамыкатель QN нейтрали и разъединитель заземляющий QSG разомкнуты) определяется как

(2.3)

где (γ = a, b, c) – проводимости фаз на землю.

Из выражения (2.3) следует, что напряжение на нейтрали будет равно нулю при симметричной схеме ( ) и уравновешенной системе ЭДС источника ( ).

Так как в реальности емкостные проводимости на землю не равны между собой в основном из-за несимметричного расположения проводов на опорах ВЛ, выражение для напряжения на нейтрали при пренебрежении активными проводимостями фаз на землю и уравновешенной системе ЭДС источника будет иметь вид [9]

(2.4)

где – коэффициенты несимметрии фазных емкостей. При естественной несимметрии нетранспонированной сети, как правило, .

В случае однофазного короткого замыкания на землю, например фазы С (рис. 2.5), при изолированной нейтрали и пренебрежении активным сопротивлением дуги (R_Д = 0), емкость этой фазы шунтируется, а напряжение в поврежденной фазе уменьшается до нуля. В неповрежденных фазах напряжение возрастает до линейного, т.е. увеличивается в раз (рис. 2.6).

Рис. 2.5. Замыкание фазы С на землю в трехфазной сети

с изолированной нейтралью

Рис. 2.6. Векторная диаграмма при замыкании на землю фазы С в трехфазной сети с изолированной нейтралью

В этом случае геометрическая сумма векторов и , и будет равна:

,

.

Тогда

где – напряжение нулевой последовательности на нейтрали.

Ток замыкания на землю на фазе С имеет емкостный характер и определяется из выражения

(2.5)

Емкостный ток в неповрежденных фазах

(2.6)

(2.7)

Токи и сдвинуты друг относительно друга на угол 60°, поэтому

(2.8)

Согласно (2.8) ток зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции линий сети и их протяженности.

Приближенно ток можно определить по следующим формулам:

- для воздушных сетей

(2.9)

- для кабельных сетей

(2.10)

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

В сетях с незаземленной нейтралью в случае однофазного замыкания на землю (рис. 2.6), треугольник линейных напряжений ( , , ) не искажается, и потребители, включенные на линейные напряжения, могут работать нормально.

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

Если в сетях, работающих с изолированной нейтралью токи замыкания достигают значений, указанных в табл. 2.3, то возможно замыкание на землю через возникающую дугу, которая попеременно зажигается и гаснет, что вызывает резонансные явления и повышение напряжения до (2,5 ÷ 3)U_ф. При ослабленной изоляции это может привести к пробою изоляции и междуфазному короткому замыканию, что приведет к отключению поврежденного участка сети.

Перемежающаяся дуга напрямую связана с величиной емкостного тока в рассматриваемой сети – чем больше ток, тем больше вероятность возникновения перемежающейся дуги. Для компенсации емкостного тока устанавливают индуктивное сопротивление – дугогасящий реактор в нейтраль.

Поэтому [1] рекомендуют при превышении указанных в табл. 2.3 значений тока, применять заземление нейтрали через резистор или через дугогасящий реактор.

Таблица 2.3

Uном, кВ	6	10	20	35
IЗС, А	30	20	15	10

При резистивном заземлении возможны два варианта:

1. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы выполнялось условие , при этом решается задача перенапряжений при дуговых замыканиях. Такой режим условно называют высокоомным резистивным заземлением, и он чаще применяется в сетях собственных нужд электростанций и в воздушных сетях 6 – 35 кВ;

2. В этих же сетях сопротивление резистора выбирают таким, чтобы активная составляющая тока в месте замыкания составляла 30 ÷ 60 А. В этом случае чрезвычайно упрощается выполнение селективной защиты от замыканий на землю, которая при таких токах должна действовать на отключение с небольшой выдержкой времени.

Резонансно-заземленная (компенсированная) нейтраль. В сетях 3 – 35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Трехфазные сети с резонансно-заземленными

(компенсированными) нейтралями

В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной фазы сети, например, фазы А, дугогасящий реактор оказывается под напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I_с также индуктивный ток реактора I_L.

Под действие напряжения в нейтрали через ДГР протекает ток , а ток в месте замыкания на землю определяется как векторная сумма емкостного тока в сети и индуктивного тока в ДГР (рис. 2.8)

(2.11)

где – степень компенсации емкостного тока линии индуктивным током ДГР.

Рис. 2.8. Векторная диаграмма токов и напряжений в сети

с компенсированной нейтралью при к.з. на землю фазы «А»

При соответствующем значении К_L результирующий ток будет недостаточен для поддержания дуги. В этом случае изоляция не будет подвергаться опасности от перенапряжений, приводящим к двухфазным коротким замыканиям и отключению линии.

Настроить ДГР можно в резонанс, когда I_L = 3I_с0, в режим недокомпенсации, когда I_L < 3I_с0, и в режим перекомпенсации, когда I_L > I_с0).

Выражение для напряжения на нейтрали в случае подключения сопротивления Z_N = R_N + jωL_N в нейтраль (короткозамыкатель нейтрали QN в схеме рис. 2.3 замкнут) запишется в виде

(2.12)

В случае сети с резистивным заземлением нейтрали (Z_N = R_N) выражение для напряжения на нейтрали примет вид

(2.13)

где – напряжение на разомкнутой нейтрали.

В сети с ДГР при (K_L = 1) возникает явление резонанса напряжения, поэтому для определения напряжения в нейтрали необходимо учитывать активное сопротивление реактора. В этом случае напряжение в нейтрали будет равно

(2.14)

где q_p – добротность реактора.

Для современных реакторов q_p = 50÷90, поэтому наличие ДГР настроенного на полную компенсацию емкостных токов (K_L = 1) и некоторая несимметрия емкостей по фазам приводbт к увеличению напряжения в нейтрали в q_p раз. Повышение напряжения в нейтрали может быть недопустимо как по условию нормального режима работы сети, так и из-за перенапряжений, воздействующих на изоляцию.

Поэтому рекомендуется тщательно симметрировать параметры сети с ДГР для уменьшения U_{N ХХ} и избегать резонансной настройки ДГР.

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 значения. Таким образом, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейтралями.

В сетях с компенсацией емкостного тока замыкания, возникающие перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в случае резонансной настройки ДГР снижаются с величины (3,2÷3,4)U_ф до (2,2÷2,4)U_ф. При этом повторные пробои возникают через 10 – 15 периодов 50 Гц.

Во многих европейских странах с резонансным заземлением нейтрали сетей среднего напряжения (Германия, Чехия, Австрия, Словакия, Венгрия, Италия) применяется сочетание ДГР и резистора. В сетях среднего напряжения этих стран эксплуатируются ДГР со специальной вторичной обмоткой, к которой может быть подключен низковольтный резистор. При дуговых замыканиях на землю резонансно настроенная обмотка ДГР снижает перенапряжения до приемлемого, с точки зрения эксплуатации, уровня, а при металлическом замыкании ко вторичной обмотке ДГР подключается резистор для селективного действия защит от однофазного замыкания на землю.

Внедрение современных ДГР с микроконтроллерными регуляторами, работающих в комплекте с микропроцессорными защитами, позволило бы снять практически все проблемы при дуговых замыканиях на землю.

Дугогасящий реактор создает при замыкании на землю двойное действие: во-первых, как указывалось выше, он существенно уменьшает (компенсирует) ток в месте замыкания на землю и, во-вторых, замедляет восстановление напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги. Оба эти обстоятельства способствуют гашению дуги, а точная настройка дугогасящего реактора приводит к снижению перенапряжений.

Рис. 2.9. Внешний вид ДГР (на переднем плане) и заземляющих резисторов

Трехфазные сети с эффективным заземлением нейтрали. На практике эффективное заземление нейтрали создается непо-средственным заземлением нейтрали части трансформаторов электрической системы, чтобы одновременно выполнить условия K_З ≤ 0,8 и при U_раб = U_ном.

Эффективное заземление нейтрали применяется во всех электроустановках напряжением 110 кВ, и это объясняется большими технико-экономическими преимуществами такого способа именно для установок высокого напряжения. Внутренние перенапряжения в таких установках ниже, чем перенапряжения в сетях с изолированной нейтралью (не превышают 2,5U_н), и поэтому стоимость изоляции линий и аппаратов получается значительно ниже, чем при изолированной нейтрали.

Другим преимуществом эффективного заземления нейтрали является возможность обеспечить чёткую быстродействующую защиту от однофазных коротких замыканий (к.з.), которые составляют до 80% всех видов повреждений. Кроме этого, в этих сетях более эффективно применение автоматического повторного включения (АПВ).

Количество заземленных нейтралей на станции (подстанции) определяется необходимым значением тока однофазного к.з., который не должен быть меньше 60% тока трехфазного к.з. в той же точке (x₀ ≤ 3x₁), чтобы повышение напряжения при этом на неповрежденных фазах не превышало 0,8U_л междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Такое значение тока может быть обеспечено при заземлении большей части нейтралей трансформаторов станции (подстанции), число которых должно быть определено специальным расчётом.

При этих расчётах необходимо учитывать обязательность заземления нейтралей автотрансформаторов, трансформаторов 220 кВ, и тяговых трансформаторов установленных на электрических станциях и подстанциях.

Чем больше число заземлённых нейтралей, тем меньше величина внутренних перенапряжений. Поэтому в сетях напряжением 220 кВ и выше применяют глухое заземление всех трансформаторов и автотрансформаторов, а в электропередачах 500 – 750 кВ, кроме того, в ряде случаев прибегают к дополнительному ограничению внутренних перенапряжений техническими средствами.

Заземление нейтралей всех без исключения трансформаторов подстанции не практикуется, так как при этом увеличиваются токи однофазных к.з. на землю, чего следует избегать в тех случаях, когда это возможно, как, например, в сетях напряжением 110 – 150 кВ. Кроме того, при наличии большого количества подстанций, присоединённых к линиям электропередачи глухими ответвлениями, количество заземлённых нейтралей трансформаторов в сети ограничивается также условиями релейной защиты.

Поэтому в сетях 110 – 150 кВ заземляют только такое количество нейтралей, которое обеспечивает упомянутую выше эффективность заземления и допустимое напряжение на нейтрали незаземлённых трансформаторов с РПН при однофазных к.з.

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. Возникает режим к.з., сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное протекание больших токов недопустимо, поэтому к.з. быстро отключается релейной защитой.

Значительная часть однофазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относятся к самоустраняющимся, т.е. исчезающим после снятия напряжения. В таких случаях эффективны устройства 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 к.з. и поэтому представляет собой в таких случаях сложное инженерное сооружение.

Для такого контура ПУЭ допускает максимальную величину сопротивления заземляющего контура – 0,5 Ом, т. е. в 20 раз меньше, чем для систем с малыми токами замыкания на землю, к которым относятся сети 6–35 кВ. Отсюда следует, что число электродов в данном случае должно быть весьма большими и, действительно, в зависимости от свойств грунта составляет от 75 до 200 электродов.

Несмотря на малое сопротивление заземляющего контура, падение напряжения на заземлителе при к.з. будет велико даже при сопротивлении 0,5 Ом. Например, при I_З = 3000 А, U_З = 0,5·3000 = = 1500 В. При таких условиях безопасность обслуживания может быть обеспечена быстрым автоматическим отключением повреждённой электроустановки, а также уменьшением напряжения прикосновения и шага, применением изолирующей обуви, перчаток, подставок и т. п.

Третий недостаток – значительный ток однофазного к.з., который при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов, а также в сетях с автотрансформаторами, может превышать токи трехфазного к.з. Для уменьшения токов однофазного к.з. применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей в сетях 110–150 кВ. Возможно применение токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали трансформаторов.

В сетях 110–150 кВ с эффективно заземленной нейтралью со значением отношения х₀/х₁= 2÷3 при r₀/r₁ ≤ 1 трёхфазное к.з. приводит к появлению наибольших токов, а поэтому является наиболее опасным видом аварии. Однако вероятность такого повреждения сравнительно невелика и тем меньше, чем выше напряжение.

Благодаря широкому применению автотрансформаторов отношение х₀/х₁ в мощных энергосистемах достигает значений 0,5 – 1,5. Поэтому уже в настоящее время нередки случаи, в особенности в сетях сверхвысоких напряжений, когда наиболее частый вид однофазных повреждений одновременно является наиболее тяжёлым, по которому нужно, в частности, производить выбор выключателей и другой аппаратуры, ошиновки, а также определять электродинамическую стойкость отдельных обмоток автотрансформаторов.

Необходимо также отметить, что вследствие того, что автотрансформаторы имеют малые значения напряжения к.з. между сторонами ВН–СН. Токи однофазного к.з. в современных энергосистемах при глухом заземлении нейтралей резко возрастают также на стороне среднего напряжения, что приводит к увеличению предельных токов отключения выключателей в этих сетях. Это обстоятельство необходимо тщательно анализировать в конкретных случаях, а результаты учитывать при выборе типа и параметров выключателей.

В соответствии со сказанным следует отметить, что токи однофазного к.з. в перспективе будут расти быстрее, чем токи трёхфазного к.з. В то же время ограничение токов однофазного к.з. труднее, чем трёхфазного.

В связи с этим высказываются различные предложения. В частности, было предложено отказаться от заземления нейтралей всех блочных повышающих трансформаторов; применять в отдельных случаях кроме ограничительных межсистемных связей трансформаторы с электрически не связанными обмотками вместо автотрансформаторов.

Известно, что токи трёхфазного и однофазного к.з. соответственно равны:

при x₁ = x₂, где x₁, x₂, x₀ – реактивные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей. Отсюда

В современных энергосистемах благодаря применению автотрансформаторов с обязательным глухим заземлением нейтралей, как правило, х₀ < х₁, поэтому ,что подтверждается рядом конкретных расчётов в энергосистемах. Так, в сети 400 кВ Англии ; в некоторых пунктах системы Центральной Сибири изменяется от 1,05 в сети 500 кВ до 1,28 в сети 220 кВ.

Увеличение токов однофазного к.з. в современных сетях обусловлено общим уменьшением полного сопротивления нулевой последовательности, вызванным помимо обязательного глухого заземления нейтрали автотрансформаторов и непосредственной электрической связи сетей ВН и СН, также наличием третичной обмотки. Необходимость последней в настоящее время широко дискутируется в ряде стран. Известно, что третичная обмотка автотрансформатора служит для образования цепи с малым полным сопротивлением для прохождения тока третьей гармоники в намагничивающем токе и исключения искажения синусоидального напряжения за счёт появления третьей и кратной ей гармоник в фазном напряжении и третьей гармоники тока в линиях электропередачи. Одновременно она используется для подключения синхронного компенсатора или блока шунтовых реакторов, для питания собственных нужд подстанции и других целей. Однако благодаря повсеместному резкому увеличению токов однофазного к.з. и их частой вероятности возникновения, естественно, снова подвергается сомнению необходимость во всех случаях третичной обмотки.

Следует отметить, что для образования пути прохождения токов

третьей гармоники третичная обмотка может быть принципиально малой мощности, определяемой только её термической стойкостью (5÷15% мощности главной обмотки). Однако для обеспечения электродинамической стойкости мощность третичной обмотки ранее принималась равной не менее 33,5% мощности главной обмотки.

Примеры расчётов для автотрансформатора 300 МВА, 200/132 кВ и 1200 МВА, 400/275 кВ показали, что отказ от третичной обмотки существенно снижает значение несимметричных токов к.з. Таким образом, при возможности отказа от третичной обмотки такие автотрансформаторы могут быть использованы для ограничения однофазных токов к.з. в системе. При отказе от третичных обмоток обязательно глухое заземление нейтралей обмоток ВН и СН. Следует также иметь в виду, что при отсутствии третичной обмотки через нейтраль автотрансформатора и присоединённые к нему линии будут проходить токи третьей гармоники к ближайшему источнику с заземлённой нейтралью или к ближайшему автотрансформатору с третичной обмоткой, оказывая влияние на проходящие вблизи линии связи. Как указано выше, с точки зрения питания потребителей на низшем напряжении необходимость обмотки невелика, однако при отказе от неё подстанция лишается источника для питания собственных нужд, синхронного компенсатора и третичного блока шунтирующих реакторов.

Вопрос об отказе от третичной обмотки в каждом случае решается индивидуально. При отказе от нее снижаются токи однофазного к.з., а также внутренние перенапряжения в режиме включения автотрансформатора вместе с линией со стороны общей обмотки, что отмечалось в сети 500 кВ системы.

В настоящее время в сетях имеет место работа автотрансформаторов, как с третичной обмоткой, так и без неё.

Таким образом, в современных энергосистемах возможным путём для уменьшения токов однофазного к.з. является увеличение полного сопротивления нулевой последовательности за счёт:

- отказа от третичной обмотки;

- частичного разземления нейтралей;

- введения дополнительного реактивного сопротивления в цепь нулевой последовательности.

Под системой с эффективно заземлённой нейтралью принято считать систему, в которой x₀/x₁ ≤ 3 и r₀/r₁ ≤ 1 для всех конфигураций сети, где r₀ – активное сопротивление нулевой последовательности. В системах, где нейтрали всех трансформаторов заземлены наглухо, х₀/х₁ ≤ 1. В большинстве систем с целью ограничения токов однофазного к.з. часть нейтралей разземляется, в этом случае за счёт влияния реактивного сопротивления линий х₀/х₁ >1.

На подстанциях сетей напряжением 110 – 150 кВ в соответствии с требованиями пп. 3.2.28, 3.2.63 ПУЭ для исключения повреждений трансформаторов и вентильных разрядников из-за перенапряжений при неполнофазных режимах, а также снижения токов однофазного к.з. и обеспечения надежной работы релейной защиты режим работы нейтралей силовых трансформаторов в сети 110 – 150 кВ устанавливается следующий:

1. Должны иметь глухое заземления нейтралей:

1.1. Трансформаторы 110 – 150 кВ с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) с уровнем изоляции нейтрали 35 кВ (испытательное напряжение нейтрали частоты 50 Гц равно 85 кВ).

1.2. Трансформаторы, имеющие генерирующие источники питания со стороны низкого или среднего напряжения, независимо от класса изоляции нейтрали. Допускается часть нейтралей таких трансформаторов не заземлять, если в ремонтных или в аварийных режимах невозможно их выделение на работы с участком сети, не имеющим трансформаторов с заземлёнными нейтралями, или обеспечивается при замыканиях на землю отключение трансформаторов с изолированной нейтралью до отключения трансформаторов с заземленной нейтралью. При этом нейтрали, имеющие неполную изоляцию, должны быть защищены соответствующими разрядниками.

2. При подключении к транзитной линии или линии с радиальным питанием трансформаторов с уровнем изоляции нейтрали в соответствии с ГОСТ 1516.1–76 (испытательное напряжение нейтрали частоты 50 Гц 100 и 130 кВ трансформаторов 110–50 кВ соответственно) необходимо производить:

2.1. При одном трансформаторе на данной ВЛ – глухое заземление его нейтрали.

2.2. При двух и более трансформаторах на данной ВЛ – глухое заземление нейтрали двух трансформаторов.

Работа других трансформаторов допускается с изолированной нейтралью при защите её соответствующим разрядником.

3. При подключении к транзитной линии или линии с радиальным питанием только трансформаторов с полным классом изоляции нейтрали необходимо производить глухое заземление нейтрали одного трансформатора.

4. При подключении одного или несколько трансформаторов с уровнем изоляции нейтрали в соответствии с ГОСТ 1516.1–76 к шинам подстанций, имеющих питание от двух и более источников, необходимо глухое заземление нейтрали одного трансформатора из числа подключенных к данной системе шин или секции, работа других трансформаторов этой системы шин или секций допускается с изолированной нейтралью при её защите соответствующим разрядником.

5. Защита нейтрали обмотки 110 и 150 кВ трансформаторов с уровнем изоляции по ГОСТ 1516.1–76 должна осуществляться вентильным разрядником РВС-35 + РВС-15 или РВМ- 35 + РВМ-15 для трансформаторов 110 кВ и РВС – 60 (2×РВС-20 + РВС-15) или 2×РВМ- 35 (четыре элемента) для трансформаторов 150 кВ.

6. При отключении в ремонт трансформатора с глухозаземленной нейтралью должна заземляться нейтраль на другом трансформаторе, подключённом к данной линии или системе шин. При этом количество трансформаторов с глухозаземлённой нейтралью должно соответствовать требованию пунктов 2, 3, 4.

7. При производстве операций по включению и отключению трансформатора, имеющего неполную изоляцию нейтрали, необходимо, на время операции его нейтраль заземлять.

8. Все вновь вводимые силовые трансформаторы с уровнем изоляции нейтрали в соответствии с ГОСТ 1516.1–76 должны предусматривать работу, как с изолированной, так и заземленной нейтралью, для чего в его нейтрали должны быть смонтированы ЗОН – 110 и разрядник.

Запрещается разземление нейтрали трансформаторов 110 кВ и выше и установка в цепи её заземления коммутационных аппаратов и вентильных разрядников, если изоляция нейтрали рассчитана на работу при глухом заземлении (тяговые трансформаторы и автотрансформаторы).

Вентильные разрядники для защиты нейтралей рекомендуется устанавливать непосредственно у трансформаторов.

При заземлении нейтрали через резистор в случае однофазного к.з., под действием напряжения в нейтрали U_oN = - E_ф по нему протекает ток

(2.18)

а б в г

д е ж з

Рис. 2.10. Способы заземления нейтралей трансформаторов и

автотрансформаторов: а – у трансформаторов 110 кВ (испытательное напряжение

нейтрали 100 кВ) с РП; б – у трансформаторов 150 кВ (испытательное напряжение нейтрали 130 кВ ) с РПН; в – у трансформаторов 110 -150 кВ (с испытательным напряжением нейтрали 85 кВ) с РПН; г – у тяговых трансформаторов 110 – 150 – 220 кВ; д – у автотрансформаторов; е – у трансформаторов 220 750 кВ. без РПН; ж – у трансформаторов 220 кВ. с РПН;

з – у трансформаторов 330 -500 кВ. с РПН

Ток в месте замыкания определяется как векторная сумма сдвинутых на угол 90⁰ емкостного тока в сети и активного тока в резисторе

(2.19)

где .

Величина тока к.з. в случае резистивного заземления нейтрали увеличивается и составляет

(2.20)

Напряжение на неповрежденных фазах при однофазном к.з. оказывает влияние на выбор грозозащитных разрядников.

Частным случаем эффективного заземления нейтрали является глухое заземление нейтрали, при котором принимаются все меры к достижению минимально возможного сопротивления в цепи нейтралей. В сетях 330 кВ и выше применяют глухое заземление всех трансформаторов и автотрансформаторов. Во время однофазных замыканий на землю в таких сетях напряжения на неповрежденных фазах относительно земли не изменяются и равны фазным напряжениям в нормальном режиме работы.

В установках до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок применяются четырехпроводные сети с глухим заземлением нейтрали. Практически это достигается соединением нейтралей всех трансформаторов со специальным заземленным проводом, который называется нулевым проводом (рис. 2.11).

В таких сетях нейтраль трансформатора или генератора при­соединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока).

Рис. 2.11. Трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью

Нулевой 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 к.з. и срабатывание защиты с отключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса (двигатель на рис. 2.11), повреждение изоляции вызовет появление опасного потенциала на корпусе. Целостность 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 выполнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.