Сети с изолированной нейтралью

 

Это сети напряжением 6-35 кВ (6,10,20,35 кВ), в которых токи замыкания на землю не превышают нормативного значения, оговоренного в ПУЭ.

Рассмотрим достоинства сетей с изолированной нейтралью.

Приведем упрощенную схему:

 

 

Сеть ни в одной из точек не имеет связи с землей.

Сети напряжением 6-35 кВ (6,10,20,35 кВ) – это основные сети, поэтому важна бесперебойность питания.

В нормальном режиме по линии протекают токи нагрузки. Токи нагрузки обусловлены характером величины нагрузки.

В нормальном режиме режим заземления не проявляется. Режим заземления проявляется только при авариях.

Изобразим трехфазную схему сети для рассмотрения влияния нейтрали.

 

С Л1

 

В

N

А

 

 

Если нагрузку отключить по фазной линии будет протекать небольшой ток, обусловленный наличием емкости между фазой и землей. Это зарядный ток линии.

 

 

Емкость распределена по всей длине линии

Представим распределенные емкости каждой из фаз в виде сосредоточенной.

 

Т С I_З

 

В I_З

 

А I_З

С_А С_В С_С

 

 

Значения этих емкостей указаны в справочниках. Чем длиннее линия, тем емкость больше.

 

(в пФ, для КЛ в мкФ)

 

- емкостной ток.

 

При подключении нагрузки, по линии протекают два тока – ток нагрузки (I_H) и зарядный ток (I_З).

В нормальном режиме емкостной ток I_с не влияет и при расчетах не учитывается.

 

 

U_АЗ = U_АN U_DЗ = U_DN U_CЗ = U_CN

 

Предположим, что пробило изоляцию в фазе А. Пусть С_А=С_В=С_С=С.

 

С

В

 

А К

 

 

I_З С С С

 

I_з- ток замыкания

Преимущество №1:

1. При замыкании на землю, в сети не образуются замкнутые контуры. Следовательно, не возникают токи КЗ. При пробое изоляции эти токи не называют токами короткого замыкания, их называют токами замыкания на землю.

Однако ток в месте поврежденной изоляции протекает, это зарядный ток I_З, обусловленный емкостями.

Ток в первом контуре АВ ():

 

Ток во втором контуре АС ():

 

Величина тока в месте замыкания:

 

Для определения суммы напряжений в комплексной форме, нарисуем векторную диаграмму напряжений. Примем для упрощения, что сеть и питающее напряжение симметричны.

 

 

А,з

 

U _cз U _вз

 

N

 

 

C B

 

U _вз – напряжение фазы В по отношению к земле.

U _cз – напряжение фазы C по отношению к земле.

Так как фаза А замкнулась с землей, потенциал земли равен потенциалу фазы А, то есть земля приобрела потенциал фазы А.

Ток замыкания всего лишь в три раза превышает зарядный ток линии. Увеличение тока в три раза не изменяет существенно потерь напряжения в линии и не изменяет линейное напряжение потребителя.

Преимущество №2:

Не изменяется линейное напряжение и режим работы потребителя.

Преимущество №3:

Замыкание на землю не нарушает бесперебойность энергоснабжения потребителей. Именно поэтому, сети напряжением 6-35 кВ работают с изолированной нейтралью. 99% сетей промышленных предприятий работает с изолированной нейтралью.

Недостатки:

1. Сети 6-35 кВ с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А, ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (U =0). Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным U=U_А т.е. напряжение нейтрали становится равным по величине и обратным по знаку напряжению заземлившейся фазы. Напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле повышаются до междуфазных U=U, U=U. Это означает, что - напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле при металлических однофазных замыканиях на землю (ЗНЗ) повышается в раз.

Повышение фазных напряжений по отношению к земле до линейных, во-первых, приводит к тому, что изоляцию всех фаз всех видов электрооборудования необходимо рассчитывать не на фазное, а междуфазное напряжение. Это вызывает удорожание сети, особенно существенное при напряжениях 35 кВ и выше. Во-вторых, повышение фазных напряжений до линейных повышает вероятность второго пробоя изоляции уже в неповрежденных фазах сети, в том числе в обмотках трансформаторов и электродвигателей. При этом возникает так называемое двойное замыкание на землю, представляющее собой по сути двухфазное КЗ через землю.

2. Замыкания на землю, как правило, дуговые. Температура дуги достигает 1000 и более градусов. При этом в месте повреждения выделяется большое количество тепла, что может привести к тепловому разрушению изоляции других фаз и однофазное замыкание может перейти (развиться) в междуфазное. Особенно опасно это явление в случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу, например, в КЛ.

3. При пробое изоляции КЛ или изоляции электрических машин замыкание часто имеет характер следующих друг за другом пробоев изоляции с погасанием дуги в интервале времени между пробоями. Процесс горения дуги сопровождается испарением металла проводящей жилы и разложением составляющих изоляционных материалов. При погасании продукты испарения металла и разложения изоляции оседают в месте повреждения. При сравнительно небольших токах (доли ампера, единицы ампер) в месте повреждения преобладают продукты разложения изоляции. При погасании дуги они оседают и изоляционная прочность промежутка фаза – земля в месте повреждения может восстановиться и оказаться достаточной для предупреждения следующего пробоя. Место повреждения при этом может исчезнуть. Такое явление называют заплывающим пробоем.

Если же температура дуги высока, то в месте повреждения содержится значительное количество продуктов испарения металла. При погасании дуги они оседают и металлизируют осевшие продукты разложения изоляции. При этом изоляция в месте повреждения оказывается ослабленной и снова пробивается, как правило, при амплитудных значениях напряжения или близких к амплитудному значению. Такую дугу в месте повреждения называют перемежающейся. Повторные зажигания перемежающейся дуги могут повторяться каждый полу период промышленной частоты. Переходные процессы, сопровождающие каждое зажигание, накладываются друг на друга. При этом в электрической сети могут возникать опасные так называемые «дуговые» перенапряжения с амплитудой, превышающей по одним данным /Ристхейн/ в (4…6) раз номинальное фазное напряжение сети, по другим, полученным Петерсеном, 3,5 раза.

(На ВЛ дуга в месте повреждения может быть открытой и закрытой. Открытая дуга возникает в виде перекрытия по внешней поверхности изолятора, например, при его увлажнении во время дождя. Открытые дуги неустойчивы и, как правило, быстро гаснут. Закрытая дуга горит в трещинах внутри изоляторов. Причина ее также, как правило, в попадании влаги внутрь изолятора. В зависимости от величины тока она либо приводит к разрушению изолятора, либо горит длительно.).

4. В месте замыкания фазы на землю земля приобретает потенциал фазы. При удалении от места повреждения вследствие растекания тока в земле потенциал земли снижается примерно обратно пропорционально расстоянию. При этом вблизи места повреждения появляется напряжение шага U_ш, опасное для жизни и человека, и животных.

U

U_ф

U_ш

 

 

8 м – смертельно опасное расстояние

 

где U_Ш – напряжение распределения потенциала между линиями.

 

5. При замыкании фазы на землю на нейтрали по отношению к земле появляется напряжение, которое называют смещением нейтрали. Смещение нейтрали приводит к появлению в сети напряжения нулевой последовательности и к недопустимому ухудшению качества электрической энергии во всей электрически связанной сети, в том числе и в сети сторонних потребителей.

6. Небольшая величина токов в месте повреждения усложняет выполнение селективной сигнализации и в ряде случаев делает ее просто не возможной. Более того, небольшая величина токов в месте повреждения практически исключает определение расстояния до места повреждения под напряжением (без отключения линии) и существенно затрудняет поиск места повреждения на трассе.

Таким образом, недостатками сетей с изолированной нейтралью с точки зрения надежности электроснабжения являются:

-напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле при металлических однофазных замыканиях на землю (ЗНЗ) повышается в раз.

Это, во-первых, вызывает удорожание сети, особенно существенное при напряжениях 35 кВ и выше. А во-вторых, повышение фазных напряжений до линейных повышает вероятность второго пробоя изоляции уже в неповрежденных фазах сети;

- замыкания на землю, как правило, дуговые. При этом однофазное замыкание со временем может перейти (развиться) в междуфазное;

- в электрической сети могут возникать опасные «дуговые» перенапряженияс амплитудой, превышающей в (4…6) раз номинальное напряжение сети;

- вблизи места повреждения появляется напряжение шага, опасное для жизни и человека, и животных;

- небольшая величина токов в месте повреждения усложняет выполнение селективной сигнализации; практически исключает определение расстояния до места повреждения под напряжением(без отключения линии) и существенно затрудняет поиск места повреждения на трассе

- смещение нейтрали приводит к недопустимому ухудшению качества электрической энергии по напряжению нулевой последовательности.

Главными недостатками сетей с изолированной нейтралью считают перенапряжения, возникающие в процессе дуговых замыканий, которые могут привести к возникновению междуфазных замыканий и двойных замыканий на землю, которые в свою очередь, вызывают серьезные повреждения кабелей и электрических машин /Шабад/, и отсутствие удовлетворительных устройств селективной релейной защиты и устройств определения расстояний до места повреждения.

Для снижения дуговых перенапряжений необходимо снизить ток в месте повреждения, в результате чего снизится вероятность перемежающейся дуги. В идеале для полного исключения перенапряжений в сети необходимо полностью исключить явление перемежающейся дуги. Идея снижения токов замыкания на землю реализована в сетях с резонансно-компенсированной нейтралью.

Для выполнения селективных с достаточной чувствительностью устройств релейной защиты и эффективных средств определения места повреждения необходимо, наоборот, увеличить ток в месте повреждения. Эта идея реализована в сетях с нейтралью, заземленной через активное сопротивление.

 

В инженерной практике для вычисления емкостных токов в месте повреждения применяются формулы [Ристхейн, с.194]

 

где l_к(l_в)-суммарная длинна кабельных (воздушных) линий сети.