7.3. Сеть с глухозаземленной нейтралью

Другим способом, предупреждающим возникновение дуги и свя­занных с ней перенапряжений при однофазном замыкании на землю, является глухое заземление нейтрали. Глухозаземленная нейтраль - это нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству.

Однофазное замыкание на землю (например, фазы А) в системах с глухозаземленной нейтралью (рис. 1.5) представляет собой короткое замыкание, так как поврежденная фаза оказывается короткозамкнутой через землю и нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями источников питания и поэтому является током КЗ. При этом ток замыкания практически не_: зависит от величины сопротивления изоляции и емкости системы от­носительно земли, так как Y₀ » Y_A ; Y₀ » Y_B; Y₀ » Y_c; Y₀ = l/r₃ , пoэтому ток. однофазного замыкания на землю, например фазы А, опре­деляется выражением

т.е. при глухом заземлении нейтрали (r₃ —> 0; Y₀ —> ∞) величина I_3A может иметь очень большое значение (тысячи ампер). Напряжения не­поврежденных фаз относительно земли определяются геометрической суммой нормальных напряжений U'_B и U'_C и небольших дополнитель­ных составляющих, обусловленных сопротивлениями обмоток транс­форматоров и подводящих проводов; но величины U'_B и U'_C менее 0,8U_Л.

При однофазном замыкании на землю в системе с глухозаземлен- ной нейтралью ток однофазного КЗ подавляет емкостный ток и приво­дит в действие релейную защиту, отключающую поврежденный уча­сток системы.

U_C C U_A

U_{B K} B

U_A A U_C U_B

I_3A U’_C U’_B

r₃

Рис. 1.5. Система напряжением выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью:

а-расчетная схема замещения в аварийном режиме; б- векторная диаграмма напряжений.

Уменьшение токов однофазного КЗ в системе с глухозаземленной нейтралью достигается за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы либо введением в нейтраль токоограничи- вающего сопротивления (активного R или индуктивного соL ). Раззем-ление нейтрали у части трансформаторов системы преследует цел уменьшить ток однофазного КЗ до величины тока трехфазного КЗ, оп­ределяющего необходимую отключающую способность выключате­лей. Однако в некоторых случаях уменьшение числа глухбзаземлек- ных нейтралей не достигает цели, а эксплуатация системы усложняется. Тогда приходится прибегать к заземлению нейтрали трансформаторов системы через сопротивление того или иного рода. Но при этом полностью освободиться от перенапряжений или повы­шения напряжения «здоровых» фаз относительно земли в аварийных режимах не удается.

При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление х_р (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкост­ного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин., ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замы­кания на землю. Напряжения неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8...1,0)U_л (уровень изоляции – как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повы­шают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.

При заземлении нейтрали через активное сопротивление R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю (но меньше, чем при заземлении нейтрали через х_р), а напряжения не­поврежденных фаз относительно земли могут быть выше, чем в систе­ме с изолированной нейтралью (1,73...1,9)£/ф. При правильно выбран­ной величине R устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземленной нейтрали. С точки зрения коммутационных перенапряжений системы с нейтралью, зазем­ленной через R, аналогичны системам с глухозаземленной нейтралью (самые низкие). Заземление нейтрали через R является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процес­сах замыкания на землю, так как R шунтирует емкости сети, обуслов­ливая апериодический процесс разряда (лучшие результаты в этом отношении имеют место при величине R, равной X_C =1/ jЗωС или близкой к ней. Надежность заземления нейтрали через R выше, чем через х_р. Токоограничивающие активное и реактивное сопротивления, заземляющие нейтраль, обычно выбирают такой величины, при кото­рой ток замыкания на землю превышает возможный максимальный тог нагрузки.

Системы с нейтралью, заземленной через R, по сравнению с систе­мой, нейтраль которой заземлена через х_р, имеют следующие недос­татки: для достижения одной и той же степени ограничения тока замы­кания на землю требуется большая величина сопротивления (R), так как сопротивление реактора (x_р) складывается арифметически с ин­дуктивным сопротивлением системы, а следовательно, и напряжения в системе, и потери мощности при коротких замыканиях больше; конст­руктивно выполнение R сложнее, особенно в системах высоких напря­жений и больших мощностей, и стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняется охлаждения).

Таким образом, введение в нейтраль реактора для ограничения тока однофазного КЗ является более экономически целесообразным меро­приятием, получившим соответствующее распространение. Область применения способа заземления нейтрали через активное сопротивле­ние ограничена в основном генераторами и сетями генераторного на­пряжения.

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали за­ключаются в следующем: стабилизируется потенциал нейтрали и уст­раняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и свя­занных с ними последствий; облегчается работа изоляции при замыканиях на землю и переходных процессах, что дает возможность либо снизить уровень изоляции (а следовательно, экономии в затра­тах), либо повысить надежность работы установок в результате боль­шего запаса прочности в изоляции при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали; обеспечивается выполнение четкой, надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты; облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет ряд недос­татков: любое однофазное замыкание на землю является КЗ и релейная защита немедленно отключает поврежденный участок, т.е. нарушается бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бес­токовых пауз применять быстродействующие устройства АПВ и вы­полнять системы с резервированием для наиболее ответственных потребителей, это приводит к повышению затрат, дополнительным капи­таловложениям и ущербу от недоотпуска продукции; наблюдается значительное электромагнитное влияние на линии связи, что ведет к увеличению затрат на защиту последних; удорожается релейная защи­та в связи с устройством ее в трехфазном исполнении; токи КЗ могут достигать очень больших значений (превышать токи трехфазных КЗ) при замыканиях на землю, что является причиной динамических раз­рушающих усилий, распространяющихся на значительную часть сис­темы (повреждения железа статора при пробое изоляции на корпус, разрывы оболочек кабелей, разрушение гирлянд изоляторов на ЛЭП и т.п.); при больших токах КЗ уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работаю­щие станции - выйти из синхронизма); существует опасность пораже­ния людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из- за токов КЗ при однофазном замыкании на землю; значительно увели­чиваются затраты на заземляющие устройства.

Глухое заземление нейтралей электроустановок не только преду­преждает возникновение в них дуговых перенапряжений, но и приво­дит к облегчению изоляции по отношению к земле, что дает возмож­ность снизить затраты, причем экономия увеличивается с ростом напряжения сети. В связи с этим глухозаземленная нейтраль нашла широкое применение в системах напряжением 110 кВ и выше. При не­обходимости ограничения тока однофазного КЗ производят разземле- ние нейтрали части трансформаторов.

Сети с глухозаземленной нейтралью применяют также в системах напряжением до 1000 В. Ее целесообразно применять в трехфазных системах питания напряжением 220 и 380 В при значительно разветв­ленной сети.