Производство, преобразование, транспортировка, распределение и потребление электрической энергии осуществляется по симметричной трехфазной системе проводов. Симметричность системы достигается равенством фазных и линейных напряжений, равномерной загрузкой всех фаз по току, одинаковым сдвигом фаз напряжений и токов.
Однако, в процессе эксплуатации неизбежны нарушения симметрии трехфазной системы, которые могут быть вызваны: обрывом провода, пробоем изоляции, перекрытием на посторонние предметы, непереключением фаз коммутационных аппаратов и пр.
В любом случае, несимметрия ведет к появлению токов обратной и нулевой последовательности, а также апериодической составляющей токов, которые могут быть опасны для сохранности оборудования. Поэтому несимметрия должна быть устранена как можно быстрее. На быстродействие релейной защиты при неполнофазных режимах значительное влияние имеет режим работы нейтрали сети.
Различают несколько режимов работы нейтрали:
- изолированная ,
- глухозаземленная
- эффективно заземленная .
У каждого режима есть свои достоинства и недостатки. В сетях напряжением до 35 кВ включительно применяютизолированную нейтраль. Это означает, что средняя точка обмоток ВН трансформатора не соединена с землей.
Однофазное замыкание при такой системе электроснабжения на землю, не приводит к аварийному отключению поврежденной линии, так как ток замыкания на землю довольно незначителен, его величина обусловлена только емкостью двух неповрежденных фаз относительно земли. Ток однофазного замыкания на землю, в сетях до 35 кВ не способен поддерживать горение дуги.
При металлическом замыкании одной фазы («полная земля»), напряжение на двух других возрастает до линейного, но электроснабжение потребителей сохраняется по двум оставшимся фазам. Для сохранности трансформаторов при таких режимах работы, изоляцию его нейтрали выполняют на класс напряжения соответствующий изоляции линейных вводов.
При значительных емкостных токах линий до 35 кВ, применяют дугогасящие катушки, подключаемые к нейтрали трансформаторов. Гашение дуги обеспечивается индуктивностью катушки, которая компенсирует емкостный ток замыкания на землю.
Системой электроснабжения с эффективно заземленной нейтралью считается сеть, в которой заземлена часть нейтральных обмоток силовых трансформаторов. Однофазное короткое замыкание, в таких сетях, приводит к отключению поврежденного участка.
Ток короткого замыкания проходит от места повреждения до ближайших заземленных нейтралей трансформаторов по земле, распределяясь в соответствии с сопротивлением петли фаза – ноль. К трансформаторам, нейтрали которого не заземлены, ток короткого замыкания (в дальнейшем - КЗ) не протекает.
Учитывая тот факт, что на все виды повреждений в электрических сетях, 80 % повреждений приходится на однофазные КЗ, и тот факт, что близкие однофазные КЗ. имеют значительные величины токов, их влияние стараются ограничить.
Для этого часть нейтралей в сети оставляют незаземленной, увеличивая тем самым сопротивление петли замыкания и, ограничивая однофазные токи КЗ. Общий баланс заземленных и незаземленных нейтралей рассчитывается исходя из условий селективной работы устройств РЗА и ограничения токов КЗ.
Кроме того, важным условием при выборе точек заземления, является условие ограничения перенапряжения на нейтральных обмотках при несимметричных повреждениях. На силовом оборудовании класс изоляции нейтралей как правило, принимают на один класс напряжения ниже номинального напряжения обмоток ВН. Такая практика позволяет сэкономить на изоляции и габаритах оборудования, что дает высокий экономический эффект.
Однако с другой стороны, сниженный уровень изоляции нейтрали ведет к необходимости применения оборудования, которое бы ограничивало перенапряжения и токи в нулевом выводе. В качестве защиты от кратковременных перенапряжений могут применяться ограничители перенапряжений, для ограничения токов применяются токоограничивающие реакторы и конденсаторы.
В режиме глухого заземления работают сети с бытовым потребителем. При таком режиме работы нейтрали средняя точка обмоток НН трансформатора присоединяется к заземляющему контуру. В распределительных щитках жилых домов, корпус щитков также присоединяется к заземляющему контуру.
Так, в каждую квартиру или дом “заходит” два провода: фазный и нулевой – обеспечивая тем самым потребителя напряжением 220 В. При повреждении изоляции фазного провода, и прикосновении его к заземленным конструкциям, происходит немедленное отключение поврежденного участка сети. Бетонные стены и полы в многоквартирных домах, также имеют потенциал земли.
Ток КЗ имеет достаточные значения для срабатывания защитной коммутационной аппаратуры. В последнее время, для повышения уровня электробезопасности, помимо рабочего нуля, в жилые помещения заводят и проводник защитное заземление, которое подключается к корпусам электроприборов. Провод защитного заземления в щитке также присоединяется к заземленным конструкциям.
Следует отметить, что автотрансформаторы любого класса напряжения всегда работают с глухозаземленной нейтралью. Изоляция обмоток СН автотрансформатора выполнена, исходя из значения типовой мощности, которая меньше номинальной, а значит и уровень изоляции сниженный. В этом, собственно говоря, и состоит экономическая выгодность автотрансформатора перед трансформатором.
При неполнофазных коммутациях автотрансформаторов, в электромагнитной системе возникают опасные перенапряжения, которые могут быть ограничены глухим заземлением нулевого вывода.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что режим работы нейтрали оказывает существенное влияние на надежность электроснабжения и режим работы энергосистемы в целом.
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
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 
,
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.
Выбор режима работы нейтрали электроустановок, которые по условиям электробезопасности разделяются ПУЭ на электроустановки напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ, должен осуществляться с учетом бесперебойности электроснабжения приемников электроэнергии, экономичности системы, надежности сетей, безопасности системы, минимума потерь электроэнергии, возможности ограничения коммутационных перенапряжений, снижения электромагнитных влияний на линии связи, избирательности действия релейной защиты и простоты ее выполнения, возможности удержания поврежденной линии в работе, предотвращения развития в сети феррорезонансных явлений, возможности дальнейшего развития системы без значительной реконструкции и др.
В электрических сетях России приняты следующие режимы работы нейтрали:
- изолированная нейтраль (небольшие емкостные токи замыкания на землю; напряжением 6 35 кВ и 0,4 кВ);
- компенсированная нейтраль (определенные превышения значений емкостных токов; напряжения 6 35 кВ);
- эффективно (глухо) заземленная нейтраль (большие токи замыкания на землю; напряжение 110 кВ; 0,4 кВ);
Характеристика режима изолированной нейтрали
Достоинства |
Недостатки |
1. Возможность работы сети с ОЗЗ в течение ограниченного времени до принятия мер по безаварийном отключению поврежденного элемента |
1. Высокая вероятность возникновения наиболее опасных дуговых перемежающихся ОЗЗ |
2. Не требуются дополнительная аппаратура и затраты на заземление нейтрали |
2. Высокая вероятность вторичных пробоев изоляции и перехода ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания за счет перенапряжений до 3,5 Uф тах при дуговых замыканиях |
3. Возможность самогашения дуги и самоликвидации части ОЗЗ |
3. Значительное (в несколько раз) увеличение действующего значения тока в месте повреждения при дуговых перемежающихся ОЗЗ за счет свободных составляющих переходного процесса |
4. Безопасность длительного воздействия перенапряжений, возникающих в переходных режимах ОЗЗ, для элементов с нормальной изоляцией |
4. Возможность существенных повреждений электрических машин током в месте повреждения, прежде всего, при дуговых перемежающихся ОЗЗ |
5. Простое (в большинстве случаев) решение проблемы защиты и селективной сигнализации устойчивых ОЗЗ |
5. Возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети и повреждений ТН |
6. Высокая степень опасности для человека и животных, находящихся вблизи места ОЗЗ |
|
7. Ограничения по величине на развитие сети |
|
8. Высокая степень помех по ЛЭП при дуговых ОЗЗ |
|
|
Характеристика режима резонансного заземления нейтрали (компенсированная нейтраль) |
|
Достоинства |
Недостатки |
1. Возможность работы сети с ОЗЗ до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного элемента |
1. Дополнительные затраты на заземление нейтрали через ДГР и устройства для автоматического правления настройкой компенсации |
2. Уменьшение тока в месте повреждения (при резонансной настройке ДГР остаточный ток содержит только некомпенсируемые активную составляющую и высшие гармоники) |
2. Трудности с решением проблемы зашиты и селективной сигнализации ОЗЗ |
3. Значительное снижение скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги тока ОЗЗ. |
3. Возможность возникновения прерывистых дуговых ОЗЗ, сопровождающихся перенапряжениями на неповрежденных фазах до 2,5 Ui,max |
- высокоомное и низкоомное заземление нейтрали (напряжения 6, 10 кВ).
4. Высокая вероятность (с учетом пп. 2 и 3) самогашения дуги и самоликвидации большей части ОЗЗ (при ограниченных значениях остаточного тока в месте повреждения). |
4. Увеличение вероятности возникновения дуговых прерывистых 033 и максимальных перенапряжении на неповрежденных фазах до (2,6-3) Uфтах при расстройках компенсации |
5. Практически исключается возможность возникновения дуговых перемежающихся ОЗЗ |
5. Возможность (с учетом пп. 3 и 4) вторичных пробоев в точках сети с ослабленной изоляцией |
6. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолированной нейтралью (до значений 2,5 Щ ном при первом пробое изоляции или дуговых прерывистых ОЗЗ |
6. Невозможность скомпенсировать (без использования специальных устройств) в месте повреждения активную составляющую и высшие гармоники |
7. Безопасность длительного воздействия перенапряжений в установившемся и переходном режимах ОЗЗ для элементов с нормальной изоляцией. |
7. Увеличение (с учетом п. 6) остаточного тока в месте повреждения с ростом суммарного емкостного тока сети Лм |
8. Исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети. |
8. Ограничения (с учетом п. 7) на развитие сети |
9. Уменьшение влияния дуговых ОЗЗ на линии связи |
|
|
Характеристики режима высокоомного заземления нейтрали через |
|
Достоинства |
Недостатки |
1. Возможность работы сети с ОЗЗ до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного элемента (при ограниченных значениях тока замыкания в месте повреждения) |
|
2. Возможность самогашения дуги и самоликвидации части ОЗЗ (при ограниченных значениях тока ОЗЗ в месте повреждения) |
2. Увеличение тока в месте повреждения |
3. Практически исключается возможность возникновения дуговых перемещающихся ОЗЗ |
3. Возможность возникновения прерывистых дуговых ОЗЗ, сопровождающихся перенапряжениями на неповрежденных фазах до 2,5 Ц,.ноч |
4. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолированной нейтралью (до значений 2,5 Ц> ном при первом пробое изоляции или дуговых прерывистых ОЗЗ) |
4. Возможность (с учетом п. 3) вторичных пробоев в точках сети с ослабленной изоляцией |
5. Безопасность длительного воздействия перенапряжений в переходных режимах ОЗЗ для элементов с нормальной изоляцией |
5. Ограничения на развитие сети по величине |
6. Практически исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети |
6. Утяжеление условий гашения дуги в месте повреждения по сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока ОЗЗ |
7. Простое решение проблемы защиты и сигнализации устойчивых ОЗЗ |
7. Большая мощность заземляющего резистора (десятки киловатт) и проблемы с обеспечением его термической стойкости при устойчивых ОЗЗ |
Характеристики режима низкоомного заземления нейтрали через резистор
Достоинства |
Недостатки |
1. Практически исключается возможность дальнейшего развития повреждения, например, перехода 033 в двойное замыкание на землю или междуфазное КЗ (при быстром отключении поврежденного элемента) |
1. Дополнительные затраты на заземление нейтрали сети через резистор |
2. Простое решение проблемы защиты от ОЗЗ |
2. Невозможность работы сети с ОЗЗ |
3. Полностью исключается возможность возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ (при достаточном для их подавления значения накладываемого активного тока) |
3. Увеличение числа отключений оборудования и линий из-за переходов кратковременных самоустраняющихся (при дуговых режимах заземления нейтрали) пробоев изоляции в полные (завершенные) пробои |
4. Уменьшается длительность воздействия на изоляцию элементов сети перенапряжений на неповрежденных фазах в переходных режимах ОЗЗ |
4. Возможность увеличения в некоторых случаях объема повреждения оборудования (из-за увеличения тока ОЗЗ) |
5. Исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети |
5. Возможность возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ при недостаточно больших значениях накладываемого активного тока |
6. Уменьшается вероятность поражения людей или животных током ОЗЗ в месте повреждения |
6. Возможность вторичных пробоев в точках с ослабленной изоляцией за счет перенапряжений на неповрежденных фазах (при первом пробое изоляции до 2,5 Uф.номХ ДО отключения защитой поврежденного элемента |
7. Увеличение числа отключений выключателей элементов сети |
При глухом заземлении нейтрали замыкание одной фазы на землю является однофазным КЗ, характеризующимся большим током. Напряжение фаз по отношению к земле при этом не выше фазного номинального; исключаются перемежающиеся дуги. Однофазные КЗ отключаются автоматически. Отключение приводит к перерывам в электроснабжении потребителей.
Другим недостатком глухого заземления нейтрали является значительное усложнение и удорожание заземляющих устройств. Последнее связано с тем, что для системы с большим током замыкания на землю ПУЭ допускают максимальное сопротивление заземляющего контура 0,5 Ом, поэтому число заземляющих электродов должно быть значительным. Вследствие значительного тока однофазного КЗ, который может быть больше тока трехфазного КЗ, глухо заземляют не все нейтрали трансформаторов.
На основании рассмотрения достоинств и недостатков различных режимов работы нейтрали, удовлетворяющих в той или иной степени требованиям, предъявляемым к заземлению нейтрали, можно сделать следующие практические выводы.
В системах электроснабжения напряжением 6,10,20 и 35 кВ применяют изолированную нейтраль, если емкостные токи не превосходят при однофазных замыканиях на землю значений, установленных ПУЭ, в противном случае применяют нейтрали, заземленные через дугогасящие аппараты, компенсирующие емкостный ток замыкания на землю. При напряжениях 6 и 10 кВ нейтрали генераторов обычно заземляют через активное сопротивление. В системах напряжением 110, 220 кВ и выше применяют эффективно заземленную нейтраль. Глухозаземленную нейтраль при напряжениях до 1 кВ применяют в четырехпроводной системе напряжением 380/220 В, преимуществом которой является возможность питания от одной сети силовой и осветительной нагрузок, а также в трехпроводных системах постоянного тока. В трехфазных системах напряжением 380 и 220 В применяют как изолированную, так и глухозаземленную нейтраль. При повышенных требованиях безопасности (для передвижных установок, торфяных разработок, шахт) применяют электроустановки с изолированной нейтралью или изолированным выводом источника однофазного тока, если их напряжение ниже 1 кВ, а в электроустановках постоянного тока того же напряжения изолируют среднюю точку.
Принятие решения по выбору режима работы нейтрали электроустановок должно основываться на рекомендациях ПУЭ.
