Сети с изолированной нейтралью

К сетям с малым током замыкания на землю относятся сети с изолированной нейтралью.

Исторически режим изолированной нейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения.

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки трансформаторов, питающих сети среднего напряжения, как правило, соединяются в треугольник (рис.2.35), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

Если нейтрали обмоток электрических машин НЕ заземлены, то при нарушении фазной изоляции ток повреждения получается мал: его величина определяется проводимостями фазной изоляции и переходным сопротивлением в месте замыкания на землю. Сопротивлением элементов фазных цепей (проводов ВЛ и жил кабелей) можно пренебречь, и тогда схема замещения для простейшего случая будет иметь вид, показанный на рис.2.36.

Рис. 2.35. Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью

Обычно активные проводимости фазной изоляции малы и одинаковы:

G_A = G_B = G_C = G.

Емкости фаз относительно земли определяются, главным образом, конструкцией и протяженностью линий электрической сети и имеют распределенный характер. Для КЛ характерна емкостная симметрия, для ВЛ, даже при транспонировании, характерна некоторая асимметрия.

Рис. 2.36. Схема замещения для анализа токов ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью

В нормальном режиме сети с изолированной нейтралью напряжение смещения нейтрали равно эквивалентной ЭДС трехфазной сети между точками "Н" и "З":

Отметим, что в числителе сумма произведений активных проводимостей G на операторы дает "0" для всех типов линий.

Векторная диаграмма для случая металлического однофазного к.з. хорошо известна (рис.2.37).

Рис. 2.37. Векторная диаграмма напряжений для чисто металлического ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью: а – нормальный режим; б – ОЗЗ в фазе " А "

Напряжение смещения нейтрали максимально и равно фазному напряжению сети. Напряжение поврежденной фазы минимально (U _А _З»0), а напряжения неповрежденных фаз относительно земли симметричны и равны по модулю линейному напряжению (Ö3 U _Ф).

По мере увеличения переходного сопротивления R _П модуль напряжения смещения нейтрали U _Н уменьшается, что соответствует скольжению конца вектора U _Н на векторной диаграмме по полуокружности, опирающейся на вектор U _Н при металлическом замыкании на землю. Так как вектора напряжения каждой фазы относительно земли равны сумме векторов U _ф_i и U _Н, то концы векторов напряжений фазных проводов относительно земли U _ф_i_З также скользят по полуокружностям, пристроенным к концам векторов исходных фазных напряжений.

Диаграмма для случая R п ¹ 0 имеет вид, показанный на рис.2.38.

В данном случае положение векторов на серединах полуокружностей соответствует отношению:

R _П / X _С _.СЕТИ = 1.

Вектора напряжений U _фЗ получаются несимметричными, но треугольник междуфазных напряжений сохраняется неизменным, так что потребители электроэнергии не чувствуют этого вида нарушения в нормальном состоянии питающей сети.

Рис. 2.38. Векторная диаграмма напряжений для ОЗЗ с переходным сопротивлением R п≠0 в сети с изолированной нейтралью

Рассмотренные положения относятся к установившемуся режиму однофазного замыкания на землю идеальной сети. Поскольку реальные сети обладают емкостями и индуктивностями, то переход из состояния в состояние неизбежно сопровождается переходным процессом, в ходе которого напряжения могут превышать нормальные фазные напряжения в 2,1 - 2,2 раза.

При замыкании фазы на землю в определенных условиях в месте замыкания может возникнуть перемежающаяся дуга, что приводит к затягиванию переходного процесса во времени и увеличению перенапряжений:

на поврежденной фазе до 2,2 U _ф;

на неповрежденной фазе до 3,2 U _ф.

Изоляция сетей данного класса, включающих и ВЛ, должна выдерживать атмосферные перенапряжения, ограниченные вентильными разрядниками. Номинальное напряжение этих разрядников должно быть не меньше U _ФЗ_MAX=1,73 U _Ф, то есть линейного напряжения сети U _Л, а с учетом некоторого запаса - не менее 1,15 U _Л (115% разрядники). Этим определяется уровень изоляции сетей с изолированной нейтралью.

Токи замыкания на землю

Из первого уравнения Кирхгофа, составленного по схеме замещения
рис. 2.36 для узла "З" (земля), можно получить выражение для тока замыкания на землю:

где - ток несимметрии;

- емкостной ток;

- активный ток.

Помимо указанных составляющих, ток замыкания на землю может содержать высшие гармонические составляющие, обусловленные:

1. Наличием высших гармоник в ЭДС генераторов и трансформаторов;

2. Особым видом нагрузки - выпрямители, дуговые печи и т.д.

Если гармонические составляющие токов первого рода малы, и ими можно пренебречь, то гармонические составляющие токов второго рода могут достигать весьма существенных величин и их следует учитывать.

При металлическом замыкании на землю емкостной ток замыкания на землю будет максимален и равен по модулю

Анализируя составляющие тока замыкания, следует отметить, что доля тока несимметрии I _НС составляет не более 2%, а активный ток I _G не более 6% от I _CMAX. Таким образом, в электрических сетях с изолированной нейтралью основная составляющая тока замыкания на землю - это емкостной ток, величина которого зависит от характера замыкания (величины R _П) и суммарной емкости сети. В сети небольшой протяженности суммарная емкость, а следовательно, и ток однофазного замыкания на землю, малы и при замыкании на землю, допустим, одной фазы линии - линия не подлежит немедленному отключению.

Распределение емкостных токов при замыкании на землю фазы " А " линии Л1 в разветвленной сети из n линий показано на рис. 2.39.

Рис. 2.39. Распределение емкостных токов при внутреннем однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью

Оценку величины емкостного тока замыкания на землю в месте повреждения можно выполнить по приближенной формуле, А:

где U - линейное напряжение сети, кВ;

l - суммарная длина гальванически связанных линий данной сети, км;

а - коэффициент, равный:

350 - для воздушных сетей;

10 - для кабельных сетей.

Длительно допускаемый ток замыкания на землю

Длительно допускаемым током замыкания на землю I _ДОП называется ток, который, протекая в течение 1 - 2 часов, не вызывает перехода однофазного к.з. в междуфазное к.з. В случае, если пробой изоляции фазы на корпус произойдет внутри генератора, то при токе повреждения менее 30 А дуги обычно не возникает. Однако длительное протекание через изоляцию даже небольшого тока приводит к нагреву последней. В результате пропитывающий изоляцию лак может перейти в жидкое состояние, электрическая прочность изоляции снизится и может произойти пробой изоляции, т.е. витковое или междуфазное к.з. Время, необходимое для перехода замыкания фазы на корпус в витковое или междуфазное к.з., зависит от величины тока в месте повреждения.

В сетях генераторного напряжения, а также в сетях, к которым подключены высоковольтные двигатели, ОЗЗ обмотки статора сопровождается током, проходящим через магнитопровод статора и вызывающим повреждение стали. Размеры повреждения зависят от значения тока и длительности его протекания, чем и объясняются ограничения длительности работы с ОЗЗ в таких сетях.

Для генераторов отечественных конструкций I _ДОП =5 А.

Кабели 6 - 20 кВ выполняются, обычно, трехжильными, с пластиковой или бумажной пропитанной маслоканифольной массой изоляцией, в алюминиевой или свинцовой оболочке. Замыкание жилы на оболочку происходит через дугу или, при относительно небольших токах повреждения, имеет бездуговой характер. При любом характере замыкания длительное протекание тока в месте начального повреждения приводит к постепенному развитию разрушения изоляции и переходу к.з. в междуфазное, подлежащее немедленному отключению основной токовой защитой элемента сети.

Величина длительно допускаемого тока для электрооборудования нормируется ПТЭ и ПЭЭП, табл.2.9. Она зависит от толщины изоляции и, следовательно, от номинального напряжения.

Таблица 2.9. Значения длительно допускаемого тока для

отечественного электрооборудования

	Генераторы	Кабели, кВ			Сеть ВЛ 35
		6	10	15-20
I _ДОП, А	5	30	20	15	10

В воздушных сетях развитие однофазного замыкания на землю также зависит от величины тока в месте замыкания. Для ВЛ установлено, что при токах повреждения ДО 10 А происходит самопогасание дуги в месте замыкания на землю. При больших токах дуга носит перемежающийся характер или горит устойчиво. Перемежающаяся дуга опасна большими перенапряжениями, устойчивая дуга может переходить в междуфазное к.з. Таким образом, для воздушных сетей 35 кВ установлено значение I _ДОП = 10 А.

Достоинствами режима изолированной нейтрали являются:

1. Отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;

2. Малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

1. Возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым (единицы-десятки ампер) током в месте однофазного замыкания на землю;

2. Возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробо ев изоляции, связанных с дуговыми перенапряжениями, на других присоединениях;

3. Возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;

4. Необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

5. Сложность обнаружения места повреждения;

6. Опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;

7. Сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Кроме того, значительное число повреждений трансформаторов напряжения типа НТМИ-6(10), ЗНОЛ-6(10), ЗНОМ-35 в отечественных сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю также связано с состоянием нейтрали сетей среднего напряжения.

Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий.

В России до последнего времени режим изолированной нейтрали был закреплен в ПУЭ. Именно этим объясняется сложившееся положение, когда даже в сетях с высоковольтными электродвигателями, где защита от однофазных замыканий выполнена с действием на отключение без выдержки времени, применяется режим изолированной нейтрали.