Заземленная нейтраль

7.4. Сеть с эффективно заземленной нейтралью

Сеть с эффективно заземленной нейтралью является частным слу­чаем сети с глухозаземленной нейтралью. Электрическая сеть с эффек­тивно заземленной нейтралью — трехфазная электрическая сеть напря­жением выше 1000 В, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.

Под К3 понимают отношение

где Uф.з — фазное напряжение неповрежденной фазы при замыкании на землю.

Сети напряжением 110 кВ и выше выполняются с эффективным за­землением нейтрали по соображениям стоимости изоляции, так как в таких сетях при замыкании на землю одной фазы напряжение на двух, других не превышает 0,8 номинального междуфазного напряжения. Это означает, что изоляцию рассчитывают на это напряжение, а не на полное между фазное напряжение в случае изолированной или компен­сированной нейтрали.

При эффективном заземлении нейтрали замыкание фазы на землю является, по существу, однофазным коротким замыканием, которое требует немедленного отключения. Тяжелым аварийным режимом яв­ляется также двух- или трехфазное короткое замыкание на землю. Од­нако при таких КЗ напряжения на неповрежденных фазах, а также токи КЗ оказываются меньшими, чем при однофазных замыканиях на зем­лю. Поэтому двух- и трехфазное короткое замыкание на землю не рас­сматривается.

Значительная часть однофазных замыканий в сетях 110 кВ и выше при снятии напряжения самоустраняется, поэтому автоматическое по­вторное включение восстанавливает питание потребителей.

Обычно в электрических сетях с эффективно заземленной нейтра­лью для ограничения тока однофазного КЗ заземляют нейтрали не всех, а лишь части силовых трансформаторов. Например, из двух уста­новленных на подстанции трансформаторов нейтраль заземляют толь­ко у одного. Для этой же цели в некоторых случаях нейтрали транс­форматоров заземляют через дополнительное активное или реактивное сопротивление.

Основным преимуществом такого заземления нейтрали, в особен­ности для сетей напряжением 110 кВ и более, является ограничение напряжений, возникающих в неповрежденных фазах при замыканиях на землю в сети. Следовательно, изоляцию таких сетей можно рассчи­тывать на меньшую кратность перенапряжений. Некоторое значение имеет также возможность применения в сетях с эффективным заземлением нейтрали относительно простых устройств релейной защиты от замыканий на землю.

К недостаткам таких сетей по сравнению с сетями, в которых обес­печивается режим изолированной нейтрали, относятся более тяжелые последствия однофазных замыканий на землю (необходимость их немедленного отключения и т.д.), а также более высокая электроопасность для обслуживающего персонала, пожаро- и взрывоопасность. Кроме того, реализация режима эффективного заземления нейтрали, которое должно быть рассчитано на больший ток КЗ, требует сущест­венного усложнения системы заземления на подстанциях.

Основными областями применения эффективного заземления ней-! трели следует считать сети с номинальными напряжениями 110 кВ и более, а также сети напряжением до 1000 В при условии отсутствия в них установок с повышенной электро-, пожаро- и взрывоопасностью.

Следует отметить, что в последние годы эффективное заземление нейтрали получает распространение и в городских сетях. В этом слу­чае, если сеть имеет К3 < 1,0, при замыкании на землю перенапряже­ния не возникают и изоляция фаз по отношению к земле выбирается по фазному, а не по линейному напряжению. Благодаря этому сеть с на­пряжением 6 кВ может эксплуатироваться с напряжением 10 кВ. В ре­зультате мощность, передаваемая по сети, увеличивается в раз без замены токоведущих частей и изоляции, в том числе без замены кабелей.

Эффективно заземлённая нейтраль

Эффективно заземлённая нейтраль — нейтраль трёхфазной электрической сети выше 1000В (1 кВ и выше), коэффициент замыкания на землю в которой не более Кзам = 1,4.

Коэффициент замыкания на землю в трехфазной электрической сети — это отношение разности потенциалов между неповреждённой фазой и землёй в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землёй в этой точке до замыкания.

Иначе говоря, при замыкании фазы в сети с изолированной нейтралью напряжение между землёй и неповреждёнными фазами возрастает до линейного — примерно в 1,73 раза; в сети с эффективно заземлённой нейтралью напряжение на неповреждённых фазах относительно земли возрастёт не более чем в 1,4 раза. Это особенно важно для сетей высокого напряжения, что уменьшает количество изоляции при изготовлении сетей и аппаратов, удешевляя их производство. Согласно рекомендации МЭК к сетям с эффективно-заземлённой нейтралью относят сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землёй непосредственно или через небольшое активное сопротивление. В СССР и России сети с эффективно-заземлённой нейтралью — это сети напряжением 110 кВ и выше.

Особенности выполнения эффективно заземлённой нейтрали

Согласно ПТЭЭП максимально допустимая величина сопротивления заземляющего устройства для сетей с эффективно заземлённой нейтралью (для электроустановок выше 1000 В и с большим током замыкания на землю — свыше 500 А — каждого объекта) составляет 0,5 Ом с учётом естественного заземления (при сопротивлении искусственного заземляющего устройства — не более 1 Ом). Это вызвано необходимостью пропускания значительных токов при к.з. на землю, высоким и сверхвысоким напряжением сети, требованием ограничения напряжения между землёй и неповреждёнными фазами, а также возможностью появления при авариях высоких напряжений прикосновения, шаговых напряжений и опасных «выносов потенциалов» за территорию подстанции. Необходимость равномерности распределения потенциалов внутри подстанции и исключения появления шаговых напряжений на значительном удалении от подстанции исключается т.н. устройством выравнивания потенциалов, которое является составной частью заземляющего устройства для эффективно заземлённых нейтралей. Особые требования для заземляющих устройств с эффективно заземлёнными нейтралями создаёт значительные трудности для их расчёта и сооружения, делает их материалоёмкими, особенно для грунтов с высоким удельным сопротивлением (каменистые, скальные, песчаные грунты) и стеснёнными условиями сооружения.

Устройство сетей с голухозаземленной нейтралью

Как видно из рисунка 2, характерной особенностью электросетей TN типа является заземление нейтрали. Заметим, что в данном случае речь идет не о защитном заземлении, а о рабочем соединении между нейтралью и заземляющим контуром. Согласно действующим нормам, максимальное сопротивление такого соединения – 4-е Ома (для сетей 0,4 кВ). При этом нулевой провод, идущий от глухозаземленной средней точки, должен сохранять свою целостность, то есть, не коммутироваться и не оборудоваться защитными устройствами, например, предохранителями или автоматическими выключателями.

В ВЛ до 1-го кВ, используемых в системах с глухозаземленной нейтралью, нулевые провода прокладываются на опорах, как и фазные. В местах, где делается отвод от ЛЭП, а также через каждые 200,0 метров магистрали, положено повторно заземлять нулевые линии.

Пример устройства сети TN-C-S

Если от трансформаторных подстанций отводятся кабели к потребителю, то при использовании схемы с глухозаземленной нейтралью, длина такой магистрали не может превышать 200,0 метров. На вводных РУ также следует подключать шину РЕ к контуру заземления, что касается нулевого провода, то необходимость в его подключении к «земле» зависит от схемы исполнения.

Технические особенности

В данной системе, где используется общая средняя точка, помимо межфазного присутствует и фазное напряжение. Последнее образуется между рабочим нулем и линейными проводами. Наглядно отличие первого от второго продемонстрировано ниже.

Разница между фазным и линейным напряжением

Разность потенциалов UF1, UF2 и UF3 принято называть фазными, а величины UL1, UL2 и UL3 – линейными или межфазными. Характерно, что UL превышает UF примерно в 1,72 раза.

В идеально сбалансированной сети трехфазного электрического тока должны выполняться поддерживаться следующие соотношения:

UF1= UF2=UF3;

UL1=UL2=UL3.

На практике добиться такого результата невозможно по ряду причин, например из-за неравномерной нагрузки, токов утечки, плохой изоляции фазных проводников и т.д. Когда нейтраль заземлена, дисбаланс линейных и фазных характеристик энергосистемы существенно снижается, то есть, рабочий ноль позволяет выравнивать потенциалы.

Обрыв нулевого провода считается серьезной аварией, которая с большой вероятностью приведет к нарушению симметрии нагрузки, более известной под термином «перекос фаз». В таких случаях в сетях однофазных потребителей произойдет резкое увеличение амплитуды электрического тока, что с большой вероятностью выведет из строя оборудование, рассчитанное на напряжение 220 В. Получить более подробную информацию о перекосе фаз и способах защиты от него, можно на страницах нашего сайта.

Принцип действия сетей с глухозаземленной нейтралью

Теперь рассмотрим подробно, с какой целью заземляется нейтраль и как подобная реализация обеспечивает должный уровень электробезопасности, для этого перечислим обстоятельства, которые могут привести к поражению электротоком:

  • Непосредственное прикосновение к токоведущим элементам. В данном случае никакое заземление не поможет. Необходимо ограничивать доступ к таким участкам и быть внимательным при приближении к ним.
  • Образование зон с шаговым напряжением в результате аварий на ВЛ или других видах электрохозяйства.
  • Повреждения внутренней изоляции может привести к «пробою» на корпус электроустановки, то есть, на нем появляется опасное для жизни напряжение.
  • В результате нарушения электроизоляции токоведущих линий под напряжением могут оказаться кабельные каналы, короба и другие металлические конструкции, используемые при трассировке.

В идеале между нейтралью и землей разность потенциалов должна стремиться к нулю. Подключение к заземляющему контуру на вводе потребителя существенно способствует выполнению этого условия, в тех случаях, когда ТП находится на значительном удалении. При правильной организации заземления такая особенность может спасти человеческую жизнь, как минимум, в двух последних случаях из указанного выше списка.

Чтобы избежать пагубного воздействия электротока необходимо заземлять корпуса электроприборов, а также и других металлических частей электроустановок зданий. Это приведет к тому, что при «пробое» возникнет замыкание фазы на землю. В результате произойдет автоматическое отключение снабжения питанием электроприемников, вызванное срабатыванием устройства защиты от токов КЗ.

Даже если защита не сработает, а кто-либо прикоснется к металлическому элементу, все равно ток будет течь по заземляющему проводнику, поскольку в этой цепи будет меньшее сопротивление.

Движение тока при КЗ на корпус

Говоря о принципе работы защиты заземленной нейтрали нельзя не отметить быстрый выход в аварийный режим, когда один из фазных проводов замыкается на шину PEN. По сути, это КЗ на нейтраль, следствием которого является резкое возрастание тока, приводящее к защитному отключению энергоустановки или проблемного участка цепи.

При определенных условиях можно даже организовать защиту от образования опасных зон с шаговым напряжением. Для этого на пол в потенциально опасном помещении стелют (если необходимо, то замуровывают в бетон) металлическую сеть, подключенную к общему заземляющему контуру.

Отличия глухозаземленной нейтрали от изолированной

Чтобы дать объяснить различие необходимо, кратко рассказать об основных особенностях изолированной нейтрали, пример такого исполнения приведен ниже.

Рис. 6. Электроустановка с изолированной нейтралью

Как видно из рисунка при данном способе нейтраль изолирована от контура заземления (в случае соединения обмоток «треугольником» она вообще отсутствует), поэтому открытые проводящие части (далее по тексту ОПЧ) электроустановок заземляются независимо от сети. Основное преимущество такой системы заключается в том, что при первом однофазном замыкании можно не производить защитное отключение. Это несомненный плюс для высоковольтных линий, поскольку обеспечивается более высокая надежность электроснабжения. К сожалению, такой режим заземления не удовлетворяет требования электробезопасности для сетей конечных потребителей.

Низкий уровень электробезопасности основной, но не единственный недостаток изолированной нейтрали, с их полным списком, а также другими особенностями этой схемы электроснабжения, можно ознакомиться на нашем сайте.

Системы TN и её подсистемы

Начнем с аббревиатуры. Первые две буквы характеризуют вариант исполнения заземления для нейтрали и ОПЧ соответственно. Варианты для первой литеры:

  • T (от англ. terra – земля) – обозначает глухозаземленную нейтраль.
  • I (от англ. isolate – изолировать) – указывает, что соединение с «землей» отсутствует.

Варианты вторых литер говорят об исполнении заземления ОПЧ: N или Т, используется глухозаземленная нейтраль или независимый контур, соответственно.

Сейчас практикуется три схемы нейтрали:

  1. Эффективное заземление обозначается, как ТТ. Особенность такой схемы заключается в том, что глухозаземленный вывод (N)считается рабочим проводом, а для защиты используется собственный заземляющий проводник (РЕ). Схема заземления ТТ
  2. Изолированная нейтраль (принятое обозначение IT), схема системы была представлена выше на рис. 6.
  3. Вариант TN (глухозаземленное исполнение).

У последнего варианта исполнения есть три подвида:

  • Совмещенный вариант, принятое обозначение TN-С. У данного подвида защитный нуль соединен с нейтральным проводом, что не обеспечивает должного уровня электробезопасности. При обрыве РЕ+N защитное зануление становится бесполезным. Это основная причина, по которой от системы TN-C постепенно отказываются. Схема заземления TN-С
  • Вариант TN-S, нулевой и защитный проводники проложены раздельно. Такая схема наиболее безопасна, но для нее требуется использовать не 4-х, а 5-ти жильный кабель, что повышает стоимость реализации. Схема заземления TN-S
  • Подсистема, совмещающая в себе два предыдущих варианта – TN-C-S. От подстанции до ввода потребителя идет один провод, в РУ он подключается к шинам PE, N и заземляющему контуру. Такая подсистема заземленной нейтрали сейчас наиболее распространена. Схема заземления TN-C-S

Требования ПУЭ

В Правилах нормам и требованиям к глухозаземленной посвящена глава 1.7, приведем наиболее значимые выдержки из нее:

  • Для подключения нейтрали к контуру заземления необходимо использовать специальный проводник.
  • При выборе места под заземляющее устройство следует исходить из минимально допустимого расстояния между ним и нейтралью.
  • Если в качестве заземления используется жб конструкция фундамента, то к его армирующему основанию следует подключаться не менее чем в 2-х точках, это гарантирует наиболее эффективную защиту.
  • Сопротивление заземляющего проводника для трехфазной цепи электрической сети 0,4 кВ имеет ограничение 4-е Ома. В исключительных случаях эта норма может быть пересмотрена исходя из характеристик грунта.
  • В линии глухозаземленной нейтрали запрещено устанавливать предохранители, защитные устройства и другие элементы, способные нарушить целостность проводника.
  • Правилами предписывается обеспечить заземляющему проводнику надежную защиту от механических повреждений.
  • ВЛ должна быть оборудована дублирующими заземлителями, они устанавливаются в начале и конце линии, на отводах, а также через каждые 200 м.
  • Дублирующее заземление должно выполняться и на вводе потребителя и обязательно указываться в схеме щитка ВРУ.
  • При организации бытовых однофазных сетей от ВРУ должна выполняться разводка тремя проводами, один из которых фаза, второй – ноль (N) и третий – защитный (РЕ).
  • Скорость срабатывания защитных автоматов, установленных в однофазных сетях с глухозаземленной нейтралью, не должна быть продолжительней 0,40 сек.

Преимущества и недостатки изолированной нейтрали

Сегодня в электроустановках используется два защитных механизма — изолированная и глухозаземленная нейтраль. Главное преимущество заключается в отсутствии необходимости экстренного отключения первого однофазного замыкания на землю. Также следует помнить, что в области повреждения электросети создается небольшой ток, но это справедливо только при низкой токовой емкости на землю. Однако есть несколько недостатков, из-за которых изолированная нейтраль используется сравнительно редко:

  • Возможно появление перемежающегося дугового напряжения.
  • Не исключается вероятность появления большего количества повреждений по причине пробоя изоляции проводников в местах появления дугового перенапряжения.
  • Все электрооборудование необходимо изолировать на линейное напряжение относительно земли.
  • Воздействие дугового перенапряжения на изоляцию носит продолжительный характер.
  • Часто возникают сложности с обнаружением мест повреждений.
  • При однофазном замыкании правильная работа систем релейной защиты не может быть гарантирована.

Все эти недостатки полностью нивелируют преимущества такого способа заземления нейтрали. В то же время этот метод защиты в некоторых ситуациях продолжает оставаться эффективным и не противоречит нормам ПУЭ.

Например, изолированная нейтраль может стать хорошим решением для защиты высоковольтных линий, так как позволяет избежать аварийного отключения. В свою очередь, требованиям защиты сетей конченого потребителя электроэнергии он не удовлетворяет.

Принцип работы глухозаземленной нейтрали

Сначала необходимо понять, что является определением понятия глухозаземленная нейтраль. Согласно ПУЭ этот способ предполагает прямое соединение нейтрали трансформатора с заземляющим элементом. В электротехнике такой способ заземления принято называть рабочим. Также необходимо помнить, что в электроустановках, рассчитанных на напряжение 220−380 вольт, сопротивление заземляющих элементов не должно превышать показатель в 4 Ом.

Принцип действия глухозаземленной нейтрали можно продемонстрировать на примере трехпроводной электроцепи, соединяющей источник энергии с жилым домом. При ее создании нейтраль просто распределяется по щитку, и к ней подключаются все заземляющие контуры потребителей. Такая цепь не предполагает наличия различных устройств, которые могут нарушить ее единство.

Если предположить, что по причине частых вибраций в холодильнике от места крепления отсоединился фазный проводник и вступил в контакт с корпусом, то такая ситуация является аварийной. Все это приводит к появлению короткого замыкания и стремительному увеличению силы тока. Однако автоматический выключатель быстро справляется с поставленной задачей и размыкает цепь. Если человек случайно дотронется до провода, то поражения током не произойдет, ведь сопротивление R0 будет меньше в сравнении с возникающим при прохождении через человеческое тело.

Плюсы и минусы способа

Глухозаземленная нейтраль имеет больше преимуществ и меньше недостатков в сравнении с изолированной. Среди преимуществ можно отметить:

  • Появляется возможность использовать оборудование с таким уровнем изоляции, который был изначально запланирован.
  • Отпадает необходимость в использовании специальных защитных схем.
  • Эффективно справляется с подавлением перенапряжения.

Однако это неидеальный способ и ему присущи некоторые недостатки. Начать стоит с того, что риски получения повреждений от удара электротоком сохраняются, хотя их и можно считать незначительными. Кроме этого, из-за большого замыкания тока на землю могут появиться помехи и даже повреждения сети.

Сегодня в электротехнике достаточно активно используются оба способа — глухозаземленная и изолированная нейтраль. Различия между ними в первую очередь заключаются в способе подключения трансформатора к заземляющему элементу. Вся необходимая информация по выбору способа защиты изложена в ПУЭ.

Если говорить о бытовой сети на 220 вольт, то место заземления можно расположить около трансформатора, и для решения поставленной задачи применяется отдельный проводник. Это позволит уменьшить путь прохождения тока и одновременно сократить расходы. В загородном доме допускается соединение с металлическим каркасом строения, расположенным в глубине земли.

Если же заземляющим элементом является фундамент, то к его арматуре необходимо выполнить подключение минимум в двух точках.

Сети с резонансно заземленными нейтралями

9.3.1. Длительно допускаемый ток замыкания на землю

Длительно допускаемым током замыкания на землю Iдоп называется ток, который, протекая в течение 2 часов, не вызывает перехода в междуфазное КЗ.

Для линий электропередачи и оборудования распределительных устройств представляют опасность тепловые и ионизирующие воздействия электрических дуг, возникающих при замыкании на землю.

Длительное горение дуги с токами, превышающими критические значения, может привести к разрушению фарфоровых изоляторов, междуфазной изоляции кабелей или витковой изоляции трансформаторов и способствовать возникновению КЗ.

Компенсация емкостного тока замыкания на землю является средством дугогашения. По сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью, а также с эффективным и неэффективным заземлением нейтрали, правильно используемая компенсация емкостных токов в сетях имеет следующие преимущества:

– уменьшает ток через место повреждения до минимальных значений (в пределе – до активных составляющих и высших гармоник), обеспечивает надежное дугогашение (предотвращает длительное воздействие заземляющей дуги) и безопасность при растекании токов в земле;

– облегчает требования к заземляющим устройствам;

– ограничивает перенапряжения, возникающие при дуговых замыканиях на землю, до значений 2,5-2,9 UФ(при степени расстройки компенсации 0…0,5 %), безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

– значительно снижает скорости восстанавливающихся напряжений на поврежденной фазе, способствует восстановлению диэлектрических свойств места повреждения в сети после каждого погасания перемежающейся заземляющей дуги;

– предотвращает набросы реактивной мощности на источники питания при дуговых замыканиях на землю, чем сохраняется качество электроэнергии у потребителей (Q = IС UФV = 0 при резонансной настройке);

– предотвращает развитие в сети феррорезонансных процессов (в частности, самопроизвольных смещений нейтрали), если выполняются ограничения в отношении применения плавких предохранителей на линиях электропередач;

– обеспечивает высокую надежность работы высоковольтных линий без грозозащитного троса;

– исключает ограничения по статической устойчивости при передаче мощности по линиям электропередач.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой.

Принцип компенсации емкостных токов замыкания на землю показан на схеме рис. 9.9 (в действительной сети к месту замыкания на землю токи подтекают по всем фазам линий через обмотки нагруженных питающих и питаемых трансформаторов, образуя точки токоразделов в сети и земле).

а б в

Рис. 9.9. Cхемы сети при замыкании на землю и векторные диаграммы токов емкостного и активного в сети (а); тока в дугогасящей катушке (ток компенсации) (б); результирующего тока в месте повреждения (в)

Распределенные емкостные и активные проводимости сети на землю равны, соответственно:

и . (9.13)

Последние обусловлены активными утечками в изоляции и потерями в дугогасящей катушке (рис. 9.9 а).

Ток дугогасящей катушки (рис. 9.9 б) возникает в результате воздействия на нее напряжения смещения нейтрали UН = – UА. Он равен:

, (9.14)

где LК – индуктивность дугогасящей катушки;

rо – сопротивление, эквивалентное активным потерям дугогасящей катушки.

При целесообразно используемой компенсации не менее 85 % замыканий на землю ликвидируется в сети без ущерба для энергоснабжения потребителей.

Длительная работа сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью допускается при емкостных токах замыкания на землю, не превышающих следующие значения:

Таблица 9.1

Напряжение сети, кВ 15-20 35 и выше
Емкостный ток замыкания на землю, А

Указанные значения токов соответствуют требованиям . Однако исследования опасности воздействия заземляющих дуг и перенапряжений, а также опыт эксплуатации показали, что в сетях 6 и 10 кВ целесообразно применять дугогасящие катушки тогда, когда емкостные токи замыкания на землю достигают, соответственно, 20 и 15 А. В блочных схемах генератор – трансформатор (на генераторном напряжении), а также в сетях 6-35 кВ с повышенными требованиями к безопасности обслуживания (сети торфоразработок и т. п.) дугогасящие аппараты применяются, если емкостные токи замыкания на землю достигают 5 А.

9.3.2. Дугогасящие катушки

Дугогасящая катушка представляет собой индуктивность, предназначенную для гашения дуги емкостного тока замыкания на землю и ограничения перенапряжений при повторных зажиганиях заземляющей дуги.

По способам регулирования тока компенсации дугогасящие катушки разделяются на три основных вида:

а) с переключением ответвлений обмотки;

б) с изменением зазоров в магнитной системе;

в) с изменением индуктивности подмагничиванием постоянным током.

Дугогасящие катушки подключаются к нейтрали трансформаторов или генераторов разъединителями (рис. 9.10). Изолирующий ввод катушки, предназначенный для заземления, соединяется с общим заземляющим контуром через трансформатор тока.

В схеме на рис. 9.10 а предусмотрена возможность подключения двух дугогасящих катушек к нейтрали любого из трансформаторов, если один из них отключен от сети по каким-либо причинам. В схеме на рис. 9.10 б мощность каждой дугогасящей катушки выбрана из расчета компенсации емкостного тока замыкания на землю сети, питаемой от соответствующей секции шин. Для подключения дугогасящих катушек использованы трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда – треугольник.

Разъединитель между нейтралью трансформатора и дугогасящей катушкой устанавливается для ее отключения и включения при необходимости изменить настройку. Установка этого разъединителя обязательна, так как отключение ненагруженного трансформатора с дугогасящей катушкой разъединителем Р может привести к возникновению перенапряжений в сети (рис. 9.10 б).

Объединение нейтралей трансформаторов через нулевую шину
(рис. 9.10 а) недопустимо, так как при раздельной работе этих трансформаторов со стороны сети при наличии в ней замыкания на землю напряжения на нейтрали U0 одинаково изменяют фазные напряжения разделившихся частей сети, вследствие чего становится невозможным определение части сети, в которой произошло замыкание на землю. Для одной из частей сети будет иметь место эффект мнимого замыкания на землю, избавиться от которого можно только отключением трансформатора. Кроме того, при повреждении изоляции трансформатора, питающего сеть с мнимым замыканием на землю, отключение его действием газовой или дифференциальной защиты от шин и от источника питания не предотвращает протекание тока через место повреждения, так как на нейтрали имеется напряжениеU0.

Выключатель со стороны питающей сети устанавливается тогда, когда трансформатор, к нейтрали которого подключена дугогасящая катушка, предназначен для питания нагрузки. Например, такой трансформатор целесообразно использовать для питания собственных нужд. Выключатель заменяется разъединителем, если трансформатор предназначен только для подключения дугогасящей катушки. Обмотки такого трансформатора нормально обтекаются намагничивающими токами. Токи нулевой последовательности появляются в них лишь при замыкании на землю в сети.

Дугогасящие катушки могут подключаться к нейтралям генераторов или синхронных компенсаторов. При этом должны быть приняты меры, предотвращающие срабатывание защиты генератора (компенсатора) при замыкании на землю в сети или же при возникновении в ней какой-либо несимметрии проводимостей фаз на землю. Это достигается пропусканием заземляющей шины дугогасящей катушки через магнитопровод ТНП
(рис. 9.10 в и г) или же выполнением схемы дифференциальной защиты от замыканий на землю. На магнитопровод ТНП устанавливается дополнительная обмотка, включаемая в цепь трансформатора тока в нейтрали генератора, через который протекает ток дугогасящей катушки.

В схеме блока генератор-трансформатор (рис. 9.10 д) дугогасящая катушка устанавливается непосредственно у генератора (в ячейке вывода генератора). Для таких дугогасящих катушек применяются упрощенные схемы контроля и сигнализации.

в г д

Рис. 9.10. Типовые схемы подключения дугогасящих катушек к нейтралям трансформаторов и вращающихся электрических машин:
а – двойная дугогасящая катушка подключается к трансформатору
(при ремонте одного из трансформаторов обе катушки подключаются
к работающему трансформатору); б – Т-1 не имеет нагрузки, Т-2 имеет нагрузку, поэтому он подключается к шинам через выключатель Q;
в – дугогасящая катушка располагается вблизи генератора или синхронного компенсатора (в камере силовой генератор или синхронный
компенсатор электрически связан с распределительной сетью;
г – дугогасящая катушка установлена в ячейке далеко от генераторов;
д – дугогасящая катушка подключена к нейтрали генератора, работающего по схеме блока

Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили осуществлять полную компенсацию емкостного тока сети при любых конфигурациях сети.

9.3.3. Настройка дугогасящих катушек

Схема простейшей резонансно-заземленной сети приведена на
рис. 9.11. Нейтраль заземлена через дугогасящую катушку с индуктивностью LН и активным сопротивлением RН.

ДК

Рис. 9.11. Схема замещения электрической сети с заземлением нейтрали
через дугогасящую катушку

В случае замыкания фазы на землю через переходное сопротивление RП в месте повреждения, по сравнению с незаземленной сетью, появляется ток, обусловленный дугогасящей катушкой:

. (9.15)

Максимальный индуктивный ток дугогасящей катушки при металлическом замыкании на землю будет равен:

Тогда . (9.16)

Индуктивная составляющая тока в месте замыкания на землю зависит от настройки дугогасящей катушки. Возможны три режима настройки: а) резонансный, когда ; б) недокомпенсации ( ) и
в) перекомпенсации ( ).

Наиболее эффективна резонансная настройка, при которой получается минимальный ток в месте замыкания на землю, и, как следствие, обеспечиваются наилучшие режимы работы сети. При резонансной настройке реактивная мощность остается такой же, как и до замыкания на землю, т. е. замыкания на землю не отражаются ни на потребителях, ни на источниках питания. Однако резонансная настройка не всегда возможна: во-первых, из-за того, что катушки типа ЗРОМ имеют ступенчатое регулирование индуктивности; во-вторых, из-за того, что параметры сети в процессе эксплуатации могут изменяться вследствие режимных и аварийных отключений.

Перекомпенсация характеризуется резким снижением реактивной нагрузки при зажигании заземляющей дуги и таким же увеличением нагрузки при погасании дуги. При недокомпенсации происходит резкое увеличение нагрузки при зажигании заземляющей дуги и снижение ее при погасании дуги.

Дуга лучше всего погасает при резонансной настройке. При отклонении от резонанса условия гашения ухудшаются и поэтому вынужденные расстройки рекомендуется принимать в пределах %. Отклонения от резонансной настройки можно допускать лишь в крайних случаях. Так, иногда невозможно добиться резонансной настройки на катушках со ступенчатым регулированием, имеющих малое число ответвлений.

Таким образом, при выборе настроек дугогасящих устройств должны выполняться следующие условия:

– настройка должна быть резонансной;

– допускаются расстройки в сторону перекомпенсации, при которых в сетях 6-10 кВ избыточный ток дугогасящих катушек не превышает 5 А, а степень расстройки не более 5 % . При большой разнице токов смежных ответвлений катушек временно допускается настройка с избыточным индуктивным током до 10 А;

– в сетях 35 кВ при емкостных токах не менее 15 А разрешается увеличивать степень расстройки до 10 %;

– смещение нейтрали во всех режимах сети не должно приводить к повышениям напряжений фаз относительно земли, опасным для изоляции.

Предельными называются следующие напряжения смещения нейтрали (по отношению к нормальному фазному напряжению сети):

допускаемые длительно – не менее 15 % ;

допускаемые в течение 1 часа – не более 30 % ;

аварийные – 100 % , ограничиваемые временем работы компенсирующих устройств (обычно 2 ч).

Последние рекомендации исходят из следующего: во-первых, при самом неблагоприятном фазном сдвиге, когда напряжение смещения нейтрали оказывается в противофазе с одним из фазных напряжений, напряжение двух фаз уменьшается примерно на 9,5 %, а напряжение одной фазы возрастает на 15 % , что допустимо для изоляции длительно. Во-вторых, в течение 1 ч удается отыскать и устранить причины, обусловившие повышение напряжения на нейтрали (найти и ликвидировать обрыв провода или растяжение жилы кабеля, подключить отключенную линию, изменить настройку и т. д.). Наконец, аварийное смещение возникает при замыканиях на землю или при отсутствии замыкания в неполнофазном режиме.

Выбрав ответвления катушек по условию полной или почти полной компенсации тока замыкания, проверяют смещение нейтрали, рассматривая с этой целью при всех эксплуатационных – нормальных и аварийных – схемах сети возможные случаи появления емкостной несимметрии. Если в нормальном состоянии воздушной сети напряжение несимметрии не выше существующей нормы (0,75 % UФ), то рассматриваются только аварийные режимы. В кабельных сетях, где нормальной несимметнии нет, рассматриваются только аварийные случаи.

9.3.4. Выводы

Основным достоинством резонансно-заземленных сетей является то, что наиболее вероятные виды нарушения изоляции – замыкание фаз на землю – не развиваются в междуфазные КЗ, что позволяет оставить поврежденный участок сети на время, достаточное для его отыскания и отключения без перерыва питания потребителей. Статистика показывает, что примерно 70 % всех замыканий на землю в компенсированных сетях не сопровождается развитием в междуфазные КЗ. При наличии автоматической настройки эта цифра повышается до 80-90 % .

Кроме того, дугогасящие катушки ограничивают перенапряжение при дуговых замыканиях на землю до 2,2UФ против 4,2 для незаземленных сетей. Однако поскольку коэффициент эффективности заземления нейтрали резонансно-заземленных сетей остается таким же, как и у незаземленных сетей, то здесь также применяются 115 % разрядники и должен иметь место соответствующий им уровень изоляции. Таким образом, изоляция незаземленных и резонансно-заземленных сетей получается относительно дорогой. Поэтому рациональная область незаземленных и резонансно-заземленных сетей – это область относительно небольших напряжений. В нашей стране исторически сложилось так, что граница этой области лежит на уровне 35 кВ, а в практике других стран – в диапазоне от 20 до 110 кВ.

Если ток замыкания на землю не превышает , то сеть оставляют работать с незаземленными нейтралями, в противном случае нейтрали обмоток машин, установленных в узловых точках сети, заземляют через дугогасящие катушки. Защита от замыканий на землю выполняется специального типа и с действием на сигнал.

Малый ток замыкания на землю, с одной стороны, облегчает конструктивное выполнение заземлений, но, с другой стороны, значительная продолжительность режима замыкания на землю заставляет предъявлять более жесткие требования безопасности.

Дата добавления: 2015-05-19; просмотров: 4227;

Сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями

Если в сетях 6-35 кВ ток замыкания. на землю превышает допустимые значения, то нейтраль источника питания сети соединяют с землей через заземляющий реактор (рис. 2).

Рис. 2. Схема с компенсированной нейтралью

Компенсация емкостных токов в системах с резонансным заземлением нейтрали осуществляется посредством дугогасящих катушек, включаемых в нейтрали одного или нескольких трансформаторов. Компенсация служит для гашения дуги замыкания на землю. Тем самым компенсация предотвращает возникновение перенапряжений дугового замыкания на землю и снижает вероятность замыкания на землю в другой точке сети. Таким образом, компенсация нейтрали, сохраняя достоинства изолированной нейтрали, устраняет в то же время многие ее недостатки. Но и в сети с резонансным заземлением нейтрали устойчивое (металлическое) однофазное замыкание на землю приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

Дугогасящие катушки должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации в сетях генераторного напряжения катушки располагаются обычно на электростанциях вблизи генераторов. При подключении дугогасящих катушек через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, соизмеримы по мощности с мощностями катушки, необходимо учитывать их взаимное влияние.

В нормальном режиме ток через дугогасящие катушки практически равен нулю. При однофазном коротком замыкании катушка находится на фазном напряжении.

Заземляющие реакторы в России выпускаются на номинальные токи от 25 до 400 А с пределами регулирования тока (1 — 0,5)/ном. Наряду с наиболее распространенным ручным ступенчатым регулированием применяют автоматическое ступенчатое или плавное регулирование сопротивления реактора по напряжению нейтрали. В режиме полной компенсации тока замыкания на землю реактор настроен на резонанс с емкостными проводимостями сети, и напряжение нейтрали относительно земли имеет максимальное значение.

Благодаря заземлению нейтрали сети через реактор:

  • — намного уменьшается ток замыкания на землю, в результате чего дуга в месте замыкания становится неустойчивой и быстро гаснет;
  • — после гашения дуги напряжение восстанавливается медленно, вследствие чего вероятность повторного зажигания дуги и возникновения коммутационных перенапряжений мала;
  • — при сохранении устойчивой дуги мала вероятность перехода замыкания на землю в многофазное из-за малого значения тока;
  • — токи обратной последовательности малы, и их действие на вращающиеся генераторы может оставаться несущественным.

Коэффициент замыкания на землю при заземлении нейтрали через реактор по сравнению с изолированной нейтралью не изменяется.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *