Характеристики основных режимов заземления нейтралей в электрических сетях

Трехфазные электрические сети можно рассматривать как совокупность трех одинаковых однофазных цепей, объединенных в единую связанную систему через обмотки электрических машин — генераторов, трансформаторов, двигателей. Основными способами соединения обмоток в трехфазных сетях являются «звезда» и «треугольник». При соединении обмоток в звезду общую точку трехфазной обмотки называют нейтралью.

Режимы заземления нейтрали определяют характер происходящих при однофазных коротких замыканиях электромагнитных процессов, степень их опасности, ущербы от их последствий, условия безопасности людей и животных, находящихся вблизи места замыкания на землю, требования к релейной защите.

В зависимости от режима нейтрали Правила устройства электроустановок (ПУЭ) разделяют электрические сети на три основные группы:

• 1) сети с незаземленными (изолированными от земли) и резонансно заземленными (компенсированными) нейтралями;
• 2) сети с эффективно заземленными нейтралями;
• 3) сети с глухозаземленными нейтралями.

К первой группе относятся сети напряжением 3—35 кВ, нейтрали генераторов и трансформаторов в которых изолированы или заземлены через заземляющие реакторы. Допустимые токи однофазного замыкания на землю (033) в сети с изолированной нейтралью определяются ПУЭ и в зависимости от класса напряжения представлены значениями, приведенными в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Значения допустимых токов.

Примечания. * — в сетях с железобетонными и металлическими опорами; ** — в схемах генераторного напряжения.

Ко второй группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше, нейтрали которых соединены с землей непосредственно или через небольшое активное или индуктивное сопротивление.

К третьей группе относятся сети напряжением до 1000 В.

Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, условно называют сетями с малыми токами замыкания на землю. В основном это сети с изолированной и компенсированной нейтралью. Токи замыкания на землю более 500 А соответствуют сетям с эффективно заземленной нейтралью.

По условиям работы изоляции эффективность заземления нейтрали характеризуется отношением максимального напряжения неповрежденной фазы относительно земли при замыкании на землю U^₃ к номинальному фазному напряжению 1/ф. Это отношение называется коэффициентом эффективности заземления нейтрали:

В нормальном симметричном режиме работы сети с изолированной нейтралью (рис. 14.3) по фазам протекают токи нагрузки 1_И и емкостные (зарядные) токи, обусловленные емкостями фаз на землю, 1_с0.

Рис. 14.3. Схема замещения для анализа токов однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью.

Емкостный ток фазы Суммарные токи в фазах:

Из векторной диаграммы нормального режима, приведенной на рис. 14.4, следуют равенства.

Рис. 14.4. Векторная диаграмма нормального режима сети с изолированной нейтралью.

Таким образом, при нормальном режиме тока в земле нет.

При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью напряжение поврежденной фазы U_A = 0. Напряжение неповрежденных фаз относительно земли возрастает в V3 раз и становится равным междуфазному (линейному) напряжению. Это приводит к искажению симметричной звезды напряжений U_A, U_B, U_c и превращению ее в несимметричную систему (рис. 14.5):

Рис. 14.5. Векторная диаграмма при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью.

При замыкании фазы А на землю емкость этой фазы шунтируется и становится равной нулю. Что касается фаз В и С, то вследствие повышения потенциалов этих фаз по отношению к земле в V3 раз емкостные токи в них также возрастут в /з раз:

Теперь сумма значений этих токов не будет равна нулю и в земле появится ток, равный.

где вместо 1_сВ можно подставить 1_сС.

Таким образом, емкостный ток при замыкании одной фазы на землю равен утроенному значению тока одной фазы при нормальном режиме. Следует иметь в виду, что при однофазных замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается. Поэтому потребители, включенные на межфазное напряжение, могут продолжать работу. Допустимая длительность работы с заземленной фазой определяется ПТЭ и не должна превышать двух часов. Однако опыт показывает, что часто однофазные замыкания очень быстро переходят в двухи трехфазные и поврежденная линия все равно отключается. Кроме того, необходимо учитывать вероятность возникновения феррорезонансных явлений. При токах замыкания на землю, превышающих значения, приведенные в табл. 14.1, в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и снова зажигается при определенной величине емкостного тока.

В контуре, содержащем активные, индуктивные и емкостные сопротивления, она наводит значительные ЭДС. При этом возникают перенапряжения, превышающие номинальные в 2,5—3 раза. Естественно, что работа системы в таких условиях недопустима. В этих случаях используется заземление нейтрали через настроенные индуктивности (дугогасящие реакторы (ДГР), называемые катушкой Петерсена, рис. 14.6). Установка такого реактора в нейтрали предотвращает появление перемежающихся дуг при больших емкостных токах замыкания на землю.

Рис. 14.6. Схема замещения для анализа токов однофазного замыкания на землю в сети с компенсированной нейтралью.

Таким образом создается сеть с резонансно заземленной (компенсированной]) нейтралью. Заземление нейтралей производится через дугогасящие реакторы типа ЗРОМ (заземляющий реактор, однофазный, в масляном исполнении), который имеет пять ступеней регулирования индуктивности; РЗДСОМ (реактор заземляющий дугогасящий ступенчатого регулирования, однофазный, масляного исполнения); РЗДПОМ (реактор заземляющий дугогасящий плавного регулирования, однофазный, масляного исполнения). В нормальном симметричном режиме ток через реактор равен нулю. При замыкании на землю одной из фаз реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю наряду с емкостным током протекает индуктивный ток. Токи 1_С и I_L отличаются по фазе на 180° и компенсируют друг друга. Если I_c = I_L, то 1_К = 0, что иллюстрирует рис. 14.7.

Однако полная компенсация не рекомендуется по условию работы релейной защиты линий от замыкания на землю. Такая защита работает, как правило, на сигнал, и для ее срабатывания необходим небольшой ток перекомпенсации, когда I_L > 1_С, или недокомпенсации, при I_LC.

Рис. 14.7. Компенсация емкостных токов.

Недостатками заземления нейтрали через дугогасящий реактор являются высокая стоимость и практическая невозможность автоматической широкой диапазонной подстройки, особенно необходимой в условиях разветвленных городских электрических сетей с часто изменяющейся структурой по отношению к питающей подстанции. Установленная мощность дугогасящих реакторов выбирается по значению полного емкостного тока замыкания на землю и определяется по формуле.

где коэффициент 1,25 учитывает развитие сети в ближайшие пять лет и возможность работы реактора с перекомпенсацией.

Если обмотка низшего напряжения трансформатора 6—10 кВ соединена в треугольник (трансформатор Т1 на рис. 14.8), а токи однофазного замыкания на землю в присоединенной сети превышают допустимые (см. табл. 14.1), для подключения дугогасящего реактора LR устанавливается специальный дополнительный трансформатор Т2 со схемой соединения обмоток «звезда — треугольник». При этом кроме подключенного дугогасящего реактора он может питать нагрузку общей мощностью.

В последнее время стало возможным использовать заземление нейтрали сети 6—35 кВ через постоянный резистор мощностью 30—400 кВт по схемам, аналогичным приведенным на рис. 14.6, 14.8. При этом полностью устраняются феррорезонансные явления, снижаются уровень дуговых перенапряжений и вероятность перехода однофазных замыканий в двухи трехфазные. Вместе с тем это может привести к увеличению тока замыкания на землю до 40%. Области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения представлены в табл. 14.2.

Рис. 14.8. Схема установки дополнительного трансформатора.

Таблица 14.2

Рекомендуемые режимы нейтрали сетей среднего напряжения 3—35 кВ

Изолированная нейтраль используется в сетях генераторного напряжения (ГН) при условии кратковременной работы генератора до отключения и токе однофазного замыкания на землю до 5 А. При больших токах могут возникнуть серьезные повреждения изоляции, поэтому рекомендуется применение дугогасящего реактора.

При малых емкостных токах в сетях собственных нужд (СН) электрических станций возможно применение изолированной нейтрали, однако при этом сеть нуждается в расчетной проверке на возможность возникновения феррорезонанса. При опасности такого возникновения рекомендуется заземление нейтрали через резистор. При больших емкостных токах, если признано рациональным продолжение работы сети при 033, наилучшим вариантом является применение ДГР.

В распределительных сетях с воздушными линиями (ВЛ) применение ДГР проблематично из-за существенной несимметрии и достаточно большого диапазона изменения емкостного тока. Сети с ВЛ, питающими насосы нефтяных и газовых месторождений, из-за проблемы самозапуска их электродвигателей вынуждены работать при сохранении замыкания на землю. Применение ДГР здесь целесообразно с позиций улучшения условий электробезопасности.

В качестве универсального способа заземления нейтрали городских электрических сетей с кабельными линиями (КЛ) является резистор.

Однофазные замыкания на землю в сетях шахт, торфяных разработок, передвижных подстанций требуют быстрого отключения релейной защитой. Режим заземления нейтрали через резистор, особенно в разветвленной сети, представляется здесь единственно целесообразным, так как при этом гасятся колебательные процессы и за счет активной составляющей тока в поврежденном присоединении обеспечивается селективность его отключения.

При напряжениях 110 кВ и выше емкостные токи замыканий на землю достаточно велики. Это связано как с величиной напряжения, так и с большой длиной линий электропередачи. Поэтому режим изолированной нейтрали здесь исключается. Что касается применения дугогасящих реакторов, то они не устраняют основного недостатка, свойственного системам с малыми токами замыкания на землю, а именно повышения напряжения в неповрежденных фазах в 7з раз по отношению к земле в случае однофазного замыкания. Известно, что запасы прочности изоляции в аппаратах 110 кВ и выше относительно невелики, а усиление ее вызвало бы существенное увеличение их стоимости.

В электрических сетях напряжением 110 кВ и выше используется эффективное заземление нейтралей (рис. 14.9). При этом во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах относительно земли равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы, что и является основным достоинством такого способа заземления нейтрали. Вместе с тем имеются и недостатки. При замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением. Возникает режим короткого замыкания, сопровождающийся протеканием большого тока. Этот ток достаточно быстро отключается действием устройств релейной защиты. Одновременное применение автоматического повторного включения линий электропередачи сводят простой потребителей при кратковременных отключениях линий к минимуму.

Рис. 14.9. Трехфазная сеть с эффективно заземленной нейтралью.

Однако при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов, а также в сетях с автотрансформаторами ток однофазного замыкания может превышать токи трехфазного короткого замыкания. По возможности для их ограничения применяют частичное разземление нейтралей трансформаторов (в основном в сетях 110—220 кВ). Для тех же целей используют токоограничивающие реакторы и активные сопротивления, включаемые в нейтрали.

В электроустановках напряжением до 1000 В используются сети с глухозаземленными нейтралями. В них нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока). В этих сетях применяется нулевой (четвертый) проводник, связанный с нейтралью источника (рис. 14.10).

Рис. 14.10. Трехфазная сеть с глухо заземленной нейтралью.

При однофазном замыкании (в точке К1) он оказывается подключенным параллельно сопротивлению земли, что приводит к существенному возрастанию тока однофазных замыканий на землю и четкому срабатыванию защитной аппаратуры. Кроме того, он служит и для выполнения функции зануления. К нему преднамеренно присоединяют металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением. При наличии зануления пробой изоляции на корпус электрооборудования (короткое замыкание в точке К2) вызовет однофазное короткое замыкание и срабатывание защиты с отключением электроустановки от сети. При отсутствии зануления корпуса повреждение изоляции вызовет на нем опасный для обслуживающего персонала потенциал.