Режимы работы нейтралей электрических сетей.

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

(3)

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 ,

для КЛ ,

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.