Режимы нейтрали

3амыкание на землю токоведущих частей электрических уста­новок является преобладающим видом повреждения в сетях . всех напряжений. В распределительных сетях 6-35 кВ эти поврежде- ; ния составляют не менее 75 % от общего числа повреждений. В сетях 110 и 220 кВ однофазные повреждения изоляции составляют соответственно 80 и 90 %.

Степень опасности замыканий на землю в основном зависит от со­стояния нейтрали сети, которое имеет непосредственное отношение к проблеме борьбы с авариями, а следовательно, к надежности обеспе­чения потребителей электроэнергией.

Нейтраль сети определяют как совокупность соединенных между собой нейтральных точек и проводников.

Состояние нейтрали обусловливает всю техническую и организа­ционную структуру сетей. Выбор того или иного режима нейтрали . электроустановок является результатом учета многих технико-экономических факторов конкретной системы электроснабжения, При выборе способа заземления нейтрали должны учитываться следующие . требования: надежность работы сетей; бесперебойность электроснаб­жения приемников электроэнергии; экономичность системы: возможность устранения опасных перенапряжений; ограничение электромаг­нитного влияния на линии связи; безопасность системы; возможно: дальнейшего развития системы без значительной реконструкции.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на следующие группы: сеть с изолированной нейтралью; сеть с компенсированной нейтралью; сеть с глухозаземленной нейтралью; сеть с эффективно заземленной нейтралью, а также сеть с резистивным за­землением нейтрали.

НЕКОМПЕНСИРОВАННАЯ СЕТЬ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Изолированная нейтраль - нейтраль трансформатора или генерато­ра, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединен­ная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, из­мерения, защиты и других аналогичных им устройств.

В нормальном режиме в каждой фазе протекает небольшой емко­стной ток, обусловленный равномерно распределенной емкостью фаз. Рассмотрим режим однофазного замыкания на землю в трехфазной системе с изолированной нейтралью на примере сети напряжением выше 1000 В. В большинстве случаев емкостные проводимости фаз относительно земли можно полагать равными, т.е.

где — емкость фазы относительно земли.

Расчетная схема замещения системы в нормальном режиме пред­ставлена на рис. 7.1, а:

; U0=0;

;

;

В случае повреждения изоляции и последующего за этим полного металлического замыкания, например фазы А на землю (рис 7.1, б), через место аварии К проходит ток, который замыкается как зарядный через емкостные проводимости относительно земли неповрежденных (здоровых) фазных проводов, т.е. Y_CB и Y_CС . Емкостная проводимость поврежденной фазы шунтируется рассматриваемым замыканием, и ток 1_СА в фазе А справа от места замыкания равен нулю, если пренебречь очень малым током, который наводится токами 1_СВ и 1_СС на данном участке линии. Режим однофазного замыкания на землю в трехфазной системе можно представить как результат двух налагающихся друг на друга состояний: первое - нормального режима работы; второе — об­ратного по знаку напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, т.е. - U_A (обращающее в нуль напряжение в точке замыкания, является как бы следствием приложения в месте замыкания ко воем фазам напряжения, равного по величине). Это вызывает емкостный ток, который, стекая в землю у места аварии, тремя ветвями распреде­ляется между емкостями С_А, С_В, С_С и возвращается по неповреж­денным проводам через обмотки трансформатора или генератора. Таким образом, ток 1_С0, налагаясь на нормальные емкостные токи системы, усиливает последствие в неповрежденных фазах и компенси­руется в поврежденной, создавая однофазную перегрузку трансформа­торов и генераторов и, следовательно, резкую асимметрию системы токов и напряжений.

U_C I_CC С U’_C I’_CC C

U_B I_CB B U’_B I’_CB B

U_A I_CA A U’_A I’_CC I’_CB K A

C_A C_B C_A U₀ C_A C_B C_C

I_CA I_CB I_CA I_3A I’_CB I’_CC

I_C0

Рис. 1.1. Система напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью:

а- расчетная схема замещения в нормальном режиме; б- расчетная схема замещения в аварийном режиме

Изложенное можно представить по векторной диаграмме напряже­ний и токов при замыкании на землю фазы А (рис. 7.2). Напряжения всех фаз относительно земли U'_A, U'_B, U'_c при замыкании на землю фазы А определяются геометрической суммой напряжений фаз относительно земли в нормальном режиме работы U_А, U_В, U_С и напряжения смещения нейтрали

;

;

;

Согласно векторной диаграмме , , и , а угол между векторамиU'_B и U'_C равен 60°.

U_A

U_CA I_CB U_AB

I’_CB

I_3a I_CA 0 I’_CB+I’_CC

I’_CC

U_C U_BC U_B

-U_A U’_C=U’_CA U’_B=U’_AB -U_A

0’U₀=-U_A

U’_BC

Рис. 1.2. Векторная диаграмма токов и напряжений в системе с изолированной нейтралью.

Следовательно, напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли увеличиваются враз и становятся равными междуфазному напряжению установки, а напряжение поврежденной фазы А относи­тельно земли - нулю.

Емкостные токи фаз I'_CA, I'_CB , I'_CC при замыкании на землю фазы /' также определяются геометрической суммой емкостных токов фаз в нормальном режиме _СА, _СВ, _СС к током смещения нейтрали

;

;

.

Из векторной диаграммы I'_CB= I_CB, I'_CC= I_CC и I'_CB= I'_CC= I_C, а угол между векторами '_CB и '_CC равен 60°. Ем­костный ток замыкания на землю _зА равен геометрической сумме ем­костных токов неповрежденных фаз '_CB и '_CC в аварийном режиме

,

так как .

Таким образом, емкостный ток однофазного замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному току на землю «здоровой» фазы при нормальном режимеC

(1.1)

и зависит от напряжения установки, частоты и емкости фаз относи­тельно земли.

Аварийный режим в трехфазной системе до 1 000 В аналогичен. Токи однофазного замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью малы по сравнению с токами нагрузки и сами по себе не­опасны для системы. Кроме того, в аварийном режиме работа прием­ников электроэнергии не нарушается, так как треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь перемещается параллельно самому себе в соответствии с перемещением его центра тяжести в по­ложение.. определяемое напряжением смещения нейтрали (рис 7,2). Однако напряжение фаз B и С относительно земли увеличилось в раз. Если изоляция сети ослаблена, то пробой ее может произойти в любом месте электрической сети, что приводит иногда к неизбира­тельному действию защиты. При этом отключаются неповрежденные участки сети и нарушается нормальная работа системы электроснаб­жения.

В связи с этим в системах электроснабжения с изолированной ней­тралью время нахождения неповрежденных фаз под повышенным на­пряжением ограничивают. Допускается не отключать возникшее замы­кание в течение двух часов для отыскания повреждения и принятия мер по обеспечению электроснабжения потребителей по другой цепи.. Длительная работа (более двух часов) установок с замкнутой на землю фазой недопустима, так как может привести к двухфазному КЗ на зем­лю, которое вызывает протекание большого тока КЗ, могущего при­вести к значительным повреждениям электроустановок. Поэтому в системах с изолированной нейтралью предусматривают устройства контроля изоляции и специальные сигнальные или защитные устрой­ства, работающие на сигнал или даже на отключение поврежденного участка.

В сетях, работающих с изолированной нейтралью, возможно наи­более опасное замыкание на землю через возникшую электрическую дугу, которая попеременно зажигается и гаснет, что вызывает резо­нансные явления и повышение напряжения до (2,5...3,5) U_Ф. Вероят­ность возникновения перемежающейся дуги тем больше, чем больше емкостный ток в рассматриваемой сети.

Возникновение электрической дуги в месте замыкания, на землю может повредить электрооборудование и вызвать двух- и трехфазные КЗ, а перенапряжения могут привести к пробою изоляции и образова­нию КЗ в частях установок с ослабленной изоляцией. Следствием это­го является неизбирательное действие релейной защиты, что влечет за собой увеличение числа аварийных отключений (в том числе и непо­врежденных участков), приводящих иногда к полному «развалу» сис­темы электроснабжения. Кроме того, возникает опасное электромаг­нитное влияние на линии связи, значительно возрастают градиенты напряженности вблизи места повреждения и, следовательно, напряжения прикосновения и шага, на что система : изолированной нейтралью обычно не рассчитывается.

Возможность бесперебойного электроснабжения приемников в аварийном режиме однофазного замыкания на землю является основ­ным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Однако это преимущество можно использовать без ущерба для срока службы изо­ляции лишь в тех случаях, когда работа установок с замыканием огра­ничена сравнительно небольшим периодом времени (не более двух часов).

Очевидным преимуществом этой сети является простота реализа­ции такого режима, поскольку при этом отпадает необходимость в специальных устройствах для заземления нейтрали.

Малый ток однофазных замыканий на землю позволяет увеличить ресурс выключателей (поскольку однофазные замыкания достигают 90 % от общего числа замыканий).

Основными недостатками систем с изолированной нейтралью яв­ляются: повышенные капитальные вложения; возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появления перемежающих­ся дуг; неудовлетворительные селективность и помехоустойчивость- устройств релейной защиты от однофазных замыканий; недостаточно высокие чувствительность и быстродействие автоматических уст­ройств замыкания на землю поврежденной фазы. Увеличение капи­тальных затрат объясняется повышенным уровнем изоляции электро­установок из-за роста напряжения неповрежденных фаз относительно земли до линейного напряжения при однофазном замыкании на землю. Перемежающаяся дуга в месте замыкания на землю сопровождается значительными перенапряжениями на неповрежденных фазах, превос­ходящих в 2,5 - 3 раза нормальное фазное напряжение, а также боль­шой вероятностью развития однофазных замыканий в более тяжелые повреждения. Длительное воздействие на изоляцию дуговых перена­пряжений ведет к накоплению в ней дефектов и к снижению срока службы.

Рассмотренные недостатки, в значительной мере усложняющие эксплуатацию систем с изолированной нейтралью, ограничивают об­ласть их применения системами, где емкостный ток замыкания на зем­лю не может привести к появлению устойчивых перемежающихся дуг.В соответствии с этими нормами рекомендуется системы с изолиро­ванной нейтралью применять в сетях 6-35 кВ при емкостных токах замыкания на землю не более: 30 А при напряжении 6 кВ; 20 А при напряжении 10 кВ; 15 А при напряжении 20 кВ: 10 А г< сетях налряже- кием 6-20 кВ„ имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ; 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «гене­ратор - трансформатор», а также в сетях с напряжением до 1000 В при наличии в них электроустановок с повышенной опасностью обслужи­вания.

2. Компенсированная сеть

Одним из способов повышения надежности электроснабжения в распределительных сетях является компенсация емкостных токов од­нофазных замыканий. Использование компенсации емкостных токов позволило не только решать задачу гашения дуг неустойчивых одно­фазных замыканий, но и, существенно снизив ток в месте повреждения, ограничить число переходов однофазных замыканий в междуфазные.

Для уменьшения емкостных токов однофазного замыкания на зем­лю между нейтралью источников или приемников электроэнергии и землей включаются компенсирующие устройства. Наибольшее рас­пространение получили дугогасящие реакторы (ДГР). Индуктивность катушки L_K регулируется изменением числа витков или величины за­зора сердечника. Активное сопротивление катушки r_к по сравнению с индуктивным мало.

Рассмотрим аварийный режим в системе напряжением выше 1000 В с компенсацией емкостных токов однофазного замыкания на землю при помощи ДГР. Расчетные схемы замещения систем в нормальном и аварийном режимах показаны на рис. 7.3 .Условия нормального режи­ма аналогичны рассмотренным выше для изолированной нейтрали, ток в реакторе равен нулю ( I_к = 0). При полном замыкании на землю фазы (например, А) напряжения поврежденной и «здоровых» (В и С) фаз от­носительно земли и емкостные токи в фазах изменяются так же, как в системе с изолированной нейтралью, т.е.

; ;

; _,

U_C I_CC C U'_C '_CC C

U_B U_B I_CB B U'_B I’_CBI B

r_k U_A I_CA A r_k U'_A I_K I’_{CC K} I’_CB \A

L_k C_A C_B C_C I_K I_3A С_A C_B C_C

_{ICA ICB} I_CA L_k I_K I_3Aрез I’_CB I’_CC

r₃ r₃ I_C0

Рис. 1.3. Система напряжения выше 1000 В с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку:

а - расчетная схема замещения в нормальном режиме; б - расчетная схема замеще­ния в аварийном режиме

а углы между векторами U'_B и U'_С, I'_CB= I'_CC равны 60°. При этом дугогасящая катушка оказывается под фазным напряжением (U₀ = -U_А) и через место замыкания на землю протекают токи: индук­тивный ток катушки I_L и емкостный ток замыкания на землю I_зА, ко­торые отличаются по фазе на. 180° и, следовательно, компенсируют друг друга. Настроить ДГР можно в резонанс (когда I_L = ), в режим недокомпенсации (когда I_L < I_зА) и в режим перекомпенсации (когда I_L > I_зА).

Дугогасящие аппараты должны иметь резонансную настройку. До­пускается настройка с перекомпенсацией, при которой реактивная со­ставляющая тока замыкания на землю должна быть не более 5 А, а степень расстройки - не более 5 %. Работа с недокомпенсацией емко­стного тока, как правило, не допускается.

Поэтому при резонансной настройке катушки (jωL_K = 1 / j3ωC) теоретически результирующий ток в месте замыкания I_3Aрез должен быть равен нулю

Однако выполнить условие I_3A = 0 практически очень сложно, так как, во-первых, даже при полной компенсации емкостного тока замы­кания на землю через место аварии течет так называемый остаточный ток (I_0к ), обусловленный активной проводимостью катушки, актив­ными токами утечки и другими факторами, который изменяется глав­ным образом в зависимости от КПД катушки и состояния изоляции сети; во-вторых, периодические включения и отключения отдельных линий приводят к постоянным изменениям величины емкостного тока сети I_С, что требует постоянной регулировки индуктивности катушки для выполнения условия полной компенсации; в-третьих, для четкого срабатывания устройств релейной защиты, реагирующей на однофаз­ные замыкания на землю, необходимо, чтобы величина I_зрез была не

менее величины тока срабатывания защиты.

U_A

I_K0 I_3aрез I’_CB I_K

I_3a 0 I_L

I’_CB+I’_CC

U_C I’_CC U_B

0’

U₀=-U_A

U’_C U’_B

Рис. 1.4. Векторная диаграмма токов и напряжений в системе с компенсированной нейтралью.

Результирующий ток замыкания на землю фазы Л в системе с ней­тралью,, заземленной через дугогасящий реактор, можно определить из следующего выражения:

= U_Ф

а при условии резонанса, полагая, что r_K<< ωL_k

При хорошей (резонансной или близкой к ней) настройке катушки результирующий ток однофазного замыкания на землю не превосходит предельных значений с точки зрения устойчивой дуги, т.е. исключает­ся возможность существования устойчивой дуги, что является основным преимуществом рассматриваемого способа заземления нейтрали по сравнению с изолированной нейтралью. В связи с этим предотвращается повышение напряжения на поврежденной фазе выше нормального фазного. Перенапряженияна неповрежденных фазах, обусловленные высокочастотными колебаниями, имеют существенно меньшие значения, чем в сети с изолированной нетралью. Благодаря снижению перенапряжений резко уменьшается вероятность перехода однофазных замыканий в двух- и трехфазные короткие замыкания.

Кроме того, системы с компенсацией емкостных токов при однофазном замыкании на землю характеризуются следующими положи­тельными факторами: при развитии замыкания на землю предупрежда­ется на ранней стадии развивающийся пробой изоляции электроустановок; переходящие замыкания на землю подавляются, причем 70...90% таких замыканий ликвидируются без отключения; медленно возрастает напряжение до U_Ф, что способствует восстанов­лению диэлектрической прочности изоляции; при устойчивых замыка­ниях на землю ток, проходящий через место замыкания, снижается до нескольких процентов емкостного, что улучшает условия электробезо­пасности в месте замыкания, хотя полностью не устраняет возможиость электропоражения в сетях с воздушными линиями, режим одно­фазного замыкания на землю в компенсированной сети не является аварийным, а расценивается как нормальный и может продолжаться несколько часов, следовательно, разрешается работа приемников на период отыскания и устранения повреждения, т.е. число отключений и потери питания у потребителей минимальны, что обеспечивает беспе­ребойное электроснабжение; градиенты напряженности вблизи места повреждения значительно снижены, что обеспечивает безопасность людей. Однако следует отметить, что все перечисленные преимущест­ва компенсации имеют место только при резонансе или небольшой расстройке (1...3 %).

К недостаткам систем с нейтралью, заземленной через дугогася- щую катушку, можно отнести: повышенные капитальные затраты, вызываемые повышенными требованиями к уровню изоляции элек­троустановок; сложность эксплуатации систем с компенсированной нейтралью из-за необходимости вести постоянное наблюдение за со­стоянием компенсации и трудности в определении места поврежде­ния, если оно не развилось; возможность повышения напряжения «здоровых» фаз относительно земли более линейного и существова­ния перенапряжений, если нет точной настройки и дуга устойчива; возможность возникновения многоместных повреждений при дли­тельном существовании дугового замыкания в сети; увеличение капитальных вложений и эксплуатационных расходов в связи с уста- . новкой дугогасящих аппаратов по сравнению с системой с изолиро­ванной нейтралью; сложность обеспечения правильной работы ре- . лейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного ( присоединения очень незначителен и, следовательно, повышенные I затраты. Отметим дополнительно, что дугогасящий реактор компен- j сирует только составляющую промышленной частоты тока однофаз- ного замыкания. При наличии в сети источников высших гармоник ; последние могут содержаться в токе замыкания и в некоторых случа­ях даже усиливаться.

Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использова­ние дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкост­ных токах: более 30 А при напряжении б кВ; 20 А при напряжении 10 кВ; 15 А при напряжении 20 кВ; 10 А в сетях напряжением 6-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных ли­ниях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ; 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор- трансформатор»

В России этот режим нейтрали применяется в основном в раз­ветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и горо­дов с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся, т. е. однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практиче­ски полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтра­ли через дугогасящий реактор не существует. При дуговом характе­ре однофазного замыкания скважность воздействия перенапряжений на изоляцию сети ниже, чем при изолированной нейтрали, но и здесь существует возможность возникновения многоместных по­вреждений. В последние десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а мощность компенсирующих устройств на подстанциях осталась той же, соответственно значительная доля сетей среднего напряжения сейчас работает с существенной недокомпенсацией. Это ведет к ис­чезновению всех положительных свойств сетей с компенсированной нейтралью.