Короткие замыкания в сетях с глухозаземленной нейтралью. Режимы работы нейтралей в электрических сетях

Выбор режима работы нейтрали электроустановок, которые по условиям электробезопасности разделяются ПУЭ на электроустановки напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ, должен осуществляться с учетом бесперебойности электроснабжения приемников электроэнергии, экономичности системы, надежности сетей, безопасности системы, минимума потерь электроэнергии, возможности ограничения коммутационных перенапряжений, снижения электромагнитных влияний на линии связи, избирательности действия релейной защиты и простоты ее выполнения, возможности удержания поврежденной линии в работе, предотвращения развития в сети феррорезонансных явлений, возможности дальнейшего развития системы без значительной реконструкции и др.
В электрических сетях России приняты следующие режимы работы нейтрали:
- изолированная нейтраль (небольшие емкостные токи замыкания на землю; напряжением 6 35 кВ и 0,4 кВ);

1. компенсированная нейтраль (определенные превышения значений емкостных токов; напряжения 6 35 кВ);
2. эффективно (глухо) заземленная нейтраль (большие токи замыкания на землю; напряжение 110 кВ; 0,4 кВ);

Характеристика режима изолированной нейтрали

1. высокоомное и низкоомное заземление нейтрали (напряжения 6, 10 кВ).

Характеристики режима низкоомного заземления нейтрали через резистор

При глухом заземлении нейтрали замыкание одной фазы на землю является однофазным КЗ, характеризующимся большим током. Напряжение фаз по отношению к земле при этом не выше фазного номинального; исключаются перемежающиеся дуги. Однофазные КЗ отключаются автоматически. Отключение приводит к перерывам в электроснабжении потребителей.
Другим недостатком глухого заземления нейтрали является значительное усложнение и удорожание заземляющих устройств. Последнее связано с тем, что для системы с большим током замыкания на землю ПУЭ допускают максимальное сопротивление заземляющего контура 0,5 Ом, поэтому число заземляющих электродов должно быть значительным. Вследствие значительного тока однофазного КЗ, который может быть больше тока трехфазного КЗ, глухо заземляют не все нейтрали трансформаторов.
На основании рассмотрения достоинств и недостатков различных режимов работы нейтрали, удовлетворяющих в той или иной степени требованиям, предъявляемым к заземлению нейтрали, можно сделать следующие практические выводы.
В системах электроснабжения напряжением 6,10,20 и 35 кВ применяют изолированную нейтраль, если емкостные токи не превосходят при однофазных замыканиях на землю значений, установленных ПУЭ, в противном случае применяют нейтрали, заземленные через дугогасящие аппараты, компенсирующие емкостный ток замыкания на землю. При напряжениях 6 и 10 кВ нейтрали генераторов обычно заземляют через активное сопротивление. В системах напряжением 110, 220 кВ и выше применяют эффективно заземленную нейтраль. Глухозаземленную нейтраль при напряжениях до 1 кВ применяют в четырехпроводной системе напряжением 380/220 В, преимуществом которой является возможность питания от одной сети силовой и осветительной нагрузок, а также в трехпроводных системах постоянного тока. В трехфазных системах напряжением 380 и 220 В применяют как изолированную, так и глухозаземленную нейтраль. При повышенных требованиях безопасности (для передвижных установок, торфяных разработок, шахт) применяют электроустановки с изолированной нейтралью или изолированным выводом источника однофазного тока, если их напряжение ниже 1 кВ, а в электроустановках постоянного тока того же напряжения изолируют среднюю точку.
Принятие решения по выбору режима работы нейтрали электроустановок должно основываться на рекомендациях ПУЭ.

Нейтралями (нейтральными точками) электроустановок называют общие точки фаз обмоток генераторов и трансформаторов, соединенных в звезду. Нейтраль может быть изолирована от земли, соединена с землей через реактивное сопротивление, а также непосредственно заземлена. Вид связи нейтралей с землей определяется безопасностью обслуживания электроустановок, надежностью электроснабжения потребителей и экономичностью.

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

Сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;

Сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;

Сети с эффективно-заземленными нейтралями;

Сети с глухозаземленными нейтралями.

а) Сети с изолированной нейтралью.

Они представляют собой трехпроводные сети переменного тока, в которых источник, линия электропередачи и приемники нормально не соединены с землей. Из-за несовершенства изоляции проводников происходит некоторая утечка токов на землю, что можно условно отобразить активными сопротивлениями изоляции каждой фазы , , (рис.1, а). Кроме того, проводники каждой фазы и земли можно рассматривать как обкладки конденсаторов, чему соответствуют емкостные сопротивления , , и емкости , , . Соответствующие сопротивления соединены звездой, нейтральная точка- земля. Проходящие по сопротивлениям на землю емкостные токи создают падения напряжения, т.е. возникают фазные напряжения проводов относительно земли: , ,

В нормальном режиме работы напряжения , , симметричны и равны фазному напряжению потребителя , а емкостные токи фаз , , также симметричны. При этом емкостной ток фазы

(1)

где - емкость фазы относительно земли. Геометрическая сумма емкостных токов равна 0 и поэтому ток через землю не протекает (рис.1, б):

В случае замыкания на землю одной из фаз сети, например фазы А, напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю (поверхность земли в точке повреждения принимает потенциал этой фазы), а напряжения неповрежденных фаз (В и С) относительно земли возрастают в раз, т.е. становятся равными линейным напряжениям (рис.2)

Соответственно емкостные токи этих фаз также возрастают в раз. Ток однофазного замыкания на землю в месте повреждения определяется по выражению

(2)

т.е. возрастает в 3 раза по сравнению с емкостным током в нормальном режиме

Согласно (3) ток зависит от напряжения сети, его частоты ω и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции линии сети и их протяженности. Приближенно ток , А, можно определить по следующим формулам:

для ВЛ ,

где - линейные напряжения сети, кВ

l - длина электрически связанных участков сети данного напряжения, км.

Из векторной диаграммы видно, что при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на линейное напряжение, продолжают работать нормально. В тоже время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазных КЗ через землю. В связи с этим в сетях с изолированной нейтралью обязательно предусматриваются специальные сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.

Согласно ПУЭ допустимая длительность работы с заземленной фазой в большинстве случаев не должна превышать 2 часов.

Вследствие того, что при однофазных замыканиях на землю фазные напряжения неповрежденных фаз возрастают до уровня линейных, изоляция в таких сетях должна быть рассчитана на линейные напряжения. Это ограничивает область использования такого режима работы нейтрали сетями напряжением не выше 35 кВ.

Работа сети с изолированной нейтралью применяется и в сетях с Uном≤1 кВ. Эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и угольных шахт.

б) Сети с резонансно - заземленными нейтралями .

В случае если сеть с изолированной нейтралью имеет относительно большой емкостной ток замыкания на землю, а именно

при 6кВ Iк ≥ 30А,

при 10кВ Iк ≥ 20А,

при 20кВ Iк ≥ 15А,

при 35кВ Iк ≥ 10А,

то возможно появление опасных перемежающихся КЗ на землю. Для избежания этого согласно ПУЭ следует принимать меры по компенсации емкостного тока КЗ. Компенсация осуществляется с помощью регулируемых дугогасящих реакторов (катушек индуктивности), которые включаются в нейтрали трансформаторов и настраиваются почти в резонанс с емкостным сопротивлением сети.

В нормальном режиме ток через реактор практически равен нулю. При однофазном коротком замыкании реактор оказывается под фазным напряжением сети и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током Iк также индуктивный ток реактора I L . Так как индуктивный и емкостной токи противоположны по фазе, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если I L =I C (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. (рис.3)

в) Сети с эффективно - заземленными нейтралями .

В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтрали является фактор стоимости изоляции. Здесь применяется эффективное заземление нейтрали, при котором во время однофазного короткого замыкания (ОКЗ) напряжение на неповрежденных фазах относительно земли равно ≈0,8в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали (рис.4). Одним из недостатков является значительный ток ОКЗ, который при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов может превышать ток трехфазного КЗ. Для уменьшения токов ОКЗ применяют, если это возможно и эффективно, разземление некоторых нейтралей трансформаторов в сетях 110- 220 кВ.

г) Сети с глухозаземленными нейтралями .

На промышленных предприятиях широко применяют четырехпроводные трехфазные сети напряжением 380/220 В. На рис.5 показана схема такой сети с глухозаземленной нейтралью, когда вторичная обмотка соединена в звезду, а нейтральная точка непосредственно (глухо) соединена с заземляющим устройством.

Двигатели Д1 и Д2 подключены к фазам сети и получают питание при линейном напряжении U=380 В, а лампы Л подключены между фазными и нейтральным проводами и питаются фазным напряжением =220 В. При этом N-провод выполняет две функции: рабочего провода, к которому присоединяют однофазные приемники на 220 В, и провод зануления, т.е. к нему преднамеренно присоединяют металлические корпуса электроустановок, нормально не находящихся под напряжением. При наличии зануления пробой изоляции обмотки двигателя на корпус вызовет большой ток короткого замыкания и быстрое срабатывание защиты (автоматического выключателя QF) с отключением двигателя от сети. При отсутствии зануления корпуса двигателя Д2 повреждение изоляции его обмотки вызовет опасный потенциал на корпусе относительно земли.

При однофазном КЗ на землю напряжение на неповрежденных фазах относительно земли не повышаются и поэтому изоляция может быть рассчитана на фазное, а не на линейное напряжение.

Таким образом, в электрических сетях приняты следующие режимы нейтрали: сети 0.66- 35 кВ в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю работают либо с изолированной нейтралью, либо с резонансно-заземленной нейтралью; сети 380/220 В- с глухозаземленной нейтралью; сети 110 кВ и выше- с эффективно-заземленной нейтралью.

Нейтралью электроустановки называют общую точку обмотки генератора или трансформатора соединенной в звезду. Нейтральная точка может быть изолированной или заземленной. Это в значительной степени определяет условия работы электроустановки, уровень изоляции, токи короткого замыкания, значения напряжения перенапряжения.

По режиму нейтрали электрические сети и электроустановки делят на четыре группы:

Сети с изолированными нейтралями;

Сети с резонансно-заземленными нейтралями;

Сети с эффективно-заземленными нейтралями;

Сети с глухозаземленными нейтралями.

Электрической сетью с эффективно заземленной нейтралью называется трехфазная электрическая сеть напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.

Коэффициент замыкания на землю в трехфазной электрической сети определяется отношением разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания.

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока).

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Заземлением называется преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

К сетям с изолированными нейтралями и сетям с резонансно-заземленными нейтралями относятся сети напряжением 3, 6, 10, 35кВ.

Соединение обмоток оборудования треугольником и звездой с изолированной нейтралью в сетях создают сети изолированной нейтралью.

Соответственно в сетях с изолированными нейтралями в нормальном режиме напряжение фаз относительно земли симметричны. Емкостная составляющая линий сетей обычно не превышает 5А. В случае замыкания на землю напряжение фаз возрастают до линейного значения . С учетом емкостной составляющей тока напряжение поврежденной фазы выше нуля, практически несколько меньше фазного, если замыкание проходит через некоторое переходное сопротивление.

Поэтому при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью треугольник напряжений не искажается и потребители, включенные на междуфазное напряжение продолжают работу. При этом необходимо учесть, что изоляция фаз должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. В электроустановках до 35 кВ стоимость изоляции позволяет некоторое удорожание по отношении к стоимости основного оборудования подстанций, поскольку не является определяющей. В то же время работа с замкнутой на землю фазой в одной точке, опасна замыканием в другой точке сети. Поэтому в сетях с изолированной нейтралью необходим постоянный контроль изоляции и сигнализация о ее повреждениях.

Работа сети с изолированной нейтралью применяется и при напряжении до 1кВ. Эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их применяют для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от пробоя изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений в нейтрали или в каждой фазе трансформатора устанавливается пробивной предохранитель.

Если в указанных сетях ток замыкания на землю выше допустимых норм, то для снижения тока в сетях применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы это сеть с резонансно-заземленными нейтралями. Дугогасящие реакторы L1 и L2 должны устанавливаться на узловых подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями, на рисунке 2.13 показано их расположение. При компенсации сетей генераторного напряжения реакторы располагают вблизи генераторов.

Рисунок 2.13 - Подключение дугогасящих реакторов в сетях с резонансно-заземленными нейтралями

При подключении дугогасящих реакторов через специальные трансформаторы или трансформаторы собственных нужд по мощности соизмеримые с мощностью реакторов, необходимо учитывать их взаимное влияние. Это влияние сказывается в уменьшении действительного тока компенсации по сравнению с номинальным током из-за наличия последовательно включенного с реактором сопротивления обмоток трансформатора.

где - номинальный ток дугогасящего реактора,

Напряжение КЗ трансформатора,

Номинальная мощность трансформатора.

Особенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора проявляется при использовании схемы соединений Y/Y, заземление нейтрали показано на рисунке 2.14а. Так при однофазных КЗ на землю индуктивное сопротивление примерно в 10 раз больше, чем при междуфазных КЗ.

Поэтому реактор лучше подключать к трансформатору со схемой Y/D. Но следует иметь ввиду, что он создает при однофазном КЗ дополнительную нагрузку и приводит к повышению нагрева.

Допустимая мощность реактора при условии, соsj@1

.

где - максимальная мощность нагрузки.

При допустимой перегрузке трансформатора мощность реактора

Сети 110кВ и выше относятся к сетям с эффективно заземленной нейтралью. В выборе способа заземления нейтрали определяющим фактором является стоимость изоляции, схема заземления нейтрали на рисунке 2.14б.

Рисунок 2.14 - Заземление нейтралей в сетях

а) с резонансно - заземленной, б) с эффективно – заземленной

Применение эффективного заземления нейтрали при однофазных КЗ создает напряжение в исправных фазах примерно 0,8 междуфазного в нормальном режиме. Это основное преимущество таких сетей. Недостатки эффективного заземления нейтрали

1) При однофазном КЗ образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, что создает большие токи. Для предотвращения последствий необходима быстродействующая релейная защита. Поскольку большая часть однофазных КЗ в таких сетях является самоустраняющейся, то эффективно применение устройств автоматического повторного включения (АПВ).

2) Для отвода больших значений тока КЗ необходимо сооружение сложных контуров заземления распределительных устройств.

3) При большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов ток однофазного КЗ может превысить ток трехфазного. В таком случае для его снижения применяется разземление нейтралей на 110-220кВ.

Сети с глухо заземлённой нейтралью выполняются на напряжение до 1000В. Это сети, приближенные к технологическому оборудованию, требования, к безопасности которых высокие. Питание трехфазных и однофазных приемников в этих сетях выполняется одновременно. Чтобы обеспечить питание однофазных приемников от нулевой глухо заземлённой точки применяется нулевой рабочий проводник.