Основные теоретические положения

 

Генераторы, трансформаторы, некоторые электродвигатели и другие элементы энергосистем имеют нейтрали (точка «н» рис. 1), режим работы которых (способ заземления) существенно влияет на технико-экономические параметры и характеристики электрических сетей: уровень изоляции, требования к оборудованию и средствам его защиты от перенапряжений, коротких замыканий (КЗ) и других ненормальных режимов, надежность работы, вопросы техники безопасности и т. п.

Заземление нейтралей, обусловленное режимом работы сети, называется рабочим заземлением в отличие от защитного заземления, выполняемого для обеспечения безопасных условий работы персонала.

Способ заземления нейтрали практически не сказывается на нормальном режиме работы сети, но при повреждениях фазной изоляции оказывает решающее влияние: на величину тока замыкания на землю и размеры разрушений, вызываемых их в месте повреждения; на величину напряжений фаз относительно земли и связанные с ними условия работы изоляции; бесперебойность электроснабжения, влияние на линии связи и т. д.

Однофазные замыкания на землю наиболее вероятный вид повреждения. Они составляют 75-90 % от всех замыканий. Принятый способ заземления нейтрали обуславливает электрические характеристики этого аварийного режима и определяет способ защиты электроустановок от него.

Напряжение на неповрежденных фазах при замыкании на землю является одним из важнейших факторов, определяющих технико-экономические показатели электрических систем. Поэтому классификация режимов нейтрали производится в зависимости от значения этого напряжения.

При напряжении неповрежденной фазы относительно земли

U _ф £ 0,8 U _ном заземление нейтрали называют эффективным, подчеркивая этим, что благодаря выбору достаточно низкого сопротивления в цепи нейтрали, достигают значительного ограничения напряжения на неповрежденных фазах при замыкании одной из них на землю.

 

 

Рис. 1. Схема замещения электрической сети: Тр - вторичная обмотка транс- форматора; К - переключатель, позволяющий изменить на схеме замещения способ заземления нейтрали источника; rk , lk - активное сопротивление и индуктивность реактора, включенного в нейтраль трансформатора; Gn - проводимость в точке КЗ; ZА, ZВ, ZС - фазные сопротивления проводов линии электропередач; СА, СВ, СС - паразитные емкости линии относительно земли соответственно фаз А, В и С; GA. GВ, GС - проводимости изоляции тех же фаз относительно земли; З - заземляющее устройство

Z c

ZВ

ZА

А

В

С

Gn

CА

GА

CВ

GВ

СС

GС

Тр

н

r k

l k

K

R

З

 

Частным случаем эффективного заземления нейтрали является глухое заземление нейтрали, когда нейтраль (точка «н») присоединяется к специальному заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформаторы тока и др.).

Ограничение напряжения на неповрежденных фазах за счет заземления нейтрали через малое сопротивление сопровождается резким увеличением тока замыкания, который протекает в основном по поврежденной фазе (см. рис. 2). Этот ток соизмерим с током при междуфазных коротких замыканиях, поэтому длительная работа электроустановок с эффективным заземлением нейтрали при замыкании на землю не допустима. Практически производится быстрое отключение элементов в замкнутой на землю фазой от источника питания с помощью релейной защиты в сетях выше 1000 В или отключением автомата или сгоранием предохранителя в сетях до 1000 В.

 

Рис. 2. Схема замещения сети с глухозаземленной нейтралью. Стрелками указан путь протекания однофазного тока замыкания в таких сетях, I за- ток однофазного замыкания на землю

C   B   A

I за

I за

I за

I за

UС

UА

 

 

При сопротивлении нейтрали Х _н = ¥ получается режим, соответствующий работе системы с изолированной нейтралью (рис. 3), т. е. точка «н» не присоединяется к заземляющему устройству. Ток замыкания в этом случае определяется только проводимостями (активным и емкостным) относительно земли и сравнительно невелик. Он значительно меньше токов при междуфазных КЗ. В реальных случаях этот ток принимает значения от долей ампера до нескольких ампер. По существующим нормам в распределительных сетях считается допустимым длительное протекание емкостного тока замыкания, если он не превышает при номинальных напряжениях 6, 10 и 35 кВ соответственно 30, 20 и 10 А. Так как треугольник линейных напряжений при замыкании на землю практически не искажается (см. рис. 4), то сеть и потребители, питающиеся от нее, могут при этом продолжать работать в течение всего времени отыскания и ликвидации повреждения.

Если емкостный ток замыкания превышает указанные выше значения, то его компенсируют включением в цепь нейтрали индуктивного сопротивления (реактора, дугогасящей катушки, трансформатора напряжения), при котором индуктивный ток, протекающий в месте замыкания на землю близок к емкостному току замыкания, т. е. в этом случае точка «н» соединяется с заземляющим устройством через аппараты, компенсирующие емкостный ток. Сети с таким режимом нейтрали называют сетями с компенсацией емкостного тока замыкания или кратко компенсированными сетями. При определенном значении индуктивного сопротивления в цепи нейтрали наступает полная компенсация емкостного тока замыкания. Практически при эксплуатации компенсированных сетей может иметь место отклонение от точной компенсации до ± 20 %.

U н = - U ф

к нагрузке

I н = IСА + IСВ + I СС = 0

С

В

А

CА

CВ

СС

IСС

IСВ

IСА

а

н

UС

UВ

UА

UС

UВ

UА a

IСС = IСС

IСВ = IСВ

СС

СВ

СА = 0

I за

IСВ

К

н

IССС

Рис. 3. Схема замещения сети с изолированной нейтралью: а – в нормальном режиме работы; б – аварийном. Стрелками показаны пути протекания токов

б

В компенсированных сетях так же, как и в сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю имеет место повышение напряжения на неповрежденных фазах до значений, близких к линейному напряжению. Так же, как и в сетях с изолированной нейтралью, в компенсированных сетях допустима длительная работа при наличии замыкания на землю при условии, что изоляция фаз относительно земли рассчитана на длительное приложение линейного напряжения.

 

Рис. 4. Пример построения векторной диаграммы токов и напряжений при замыкании фазы А на землю в сети с изолированной нейтралью. Здесь (U н= - U А). Пунктирными линиями показаны токи

I ' СВ + I ' СС = - I з А

I з А

IСА

-Ica

UАВ

UАС

UА

UС

U¢В

U¢ССc

UВ

- IСА

UСВ

- IСА

I¢СС

0¢

I ¢ СВ

UВСвс

IСС