Виды нейтралей в электроустановках

Содержание статьи

Глухозаземленная нейтраль: принцип работы, устройство, особенности

В подавляющем большинстве электросетей (до 1 кВ) применяется глухозаземленная нейтраль, поскольку такое исполнение наиболее оптимально для действующих требований электробезопасности. Учитывая распространенность этой схемы заземления нейтрали, имеет смысл подробно ознакомиться с ее устройством, принципом работы и техническими особенностями, а также основными требованиями ПУЭ к электроустановкам до 1 кВ.

Что такое глухозаземленная нейтраль?

Начнем с определения нейтрали, в электротехнике под этим термином подразумевается точка в месте соединения всех фазных обмоток трансформаторов и генераторов, когда применяется тип подключения «Звезда». Соответственно, при включении «Треугольником» нейтрали быть не может.

Включение обмоток: а) «звездой»; б) «треугольником»

Если нейтраль обмоток генератора или трансформатора заземлить, то такая система получит название глухозаземленной, с ее организацией можно ознакомиться ниже.

Рис. 2. Сеть с глухозаземленной нейтралью

Устройство сетей с голухозаземленной нейтралью

Как видно из рисунка 2, характерной особенностью электросетей TN типа является заземление нейтрали. Заметим, что в данном случае речь идет не о защитном заземлении, а о рабочем соединении между нейтралью и заземляющим контуром. Согласно действующим нормам, максимальное сопротивление такого соединения — 4-е Ома (для сетей 0,4 кВ). При этом нулевой провод, идущий от глухозаземленной средней точки, должен сохранять свою целостность, то есть, не коммутироваться и не оборудоваться защитными устройствами, например, предохранителями или автоматическими выключателями.

В ВЛ до 1-го кВ, используемых в системах с глухозаземленной нейтралью, нулевые провода прокладываются на опорах, как и фазные. В местах, где делается отвод от ЛЭП, а также через каждые 200,0 метров магистрали, положено повторно заземлять нулевые линии.

Пример устройства сети TN-C-S

Если от трансформаторных подстанций отводятся кабели к потребителю, то при использовании схемы с глухозаземленной нейтралью, длина такой магистрали не может превышать 200,0 метров. На вводных РУ также следует подключать шину РЕ к контуру заземления, что касается нулевого провода, то необходимость в его подключении к «земле» зависит от схемы исполнения.

Технические особенности

В данной системе, где используется общая средняя точка, помимо межфазного присутствует и фазное напряжение. Последнее образуется между рабочим нулем и линейными проводами. Наглядно отличие первого от второго продемонстрировано ниже.

Разница между фазным и линейным напряжением

Разность потенциалов UF1, UF2 и UF3 принято называть фазными, а величины UL1, UL2 и UL3 – линейными или межфазными. Характерно, что UL превышает UF примерно в 1,72 раза.

В идеально сбалансированной сети трехфазного электрического тока должны выполняться поддерживаться следующие соотношения:

На практике добиться такого результата невозможно по ряду причин, например из-за неравномерной нагрузки, токов утечки, плохой изоляции фазных проводников и т.д. Когда нейтраль заземлена, дисбаланс линейных и фазных характеристик энергосистемы существенно снижается, то есть, рабочий ноль позволяет выравнивать потенциалы.

Обрыв нулевого провода считается серьезной аварией, которая с большой вероятностью приведет к нарушению симметрии нагрузки, более известной под термином «перекос фаз». В таких случаях в сетях однофазных потребителей произойдет резкое увеличение амплитуды электрического тока, что с большой вероятностью выведет из строя оборудование, рассчитанное на напряжение 220 В. Получить более подробную информацию о перекосе фаз и способах защиты от него, можно на страницах нашего сайта.

Принцип действия сетей с глухозаземленной нейтралью

Теперь рассмотрим подробно, с какой целью заземляется нейтраль и как подобная реализация обеспечивает должный уровень электробезопасности, для этого перечислим обстоятельства, которые могут привести к поражению электротоком:

  • Непосредственное прикосновение к токоведущим элементам. В данном случае никакое заземление не поможет. Необходимо ограничивать доступ к таким участкам и быть внимательным при приближении к ним.
  • Образование зон с шаговым напряжением в результате аварий на ВЛ или других видах электрохозяйства.
  • Повреждения внутренней изоляции может привести к «пробою» на корпус электроустановки, то есть, на нем появляется опасное для жизни напряжение.
  • В результате нарушения электроизоляции токоведущих линий под напряжением могут оказаться кабельные каналы, короба и другие металлические конструкции, используемые при трассировке.

В идеале между нейтралью и землей разность потенциалов должна стремиться к нулю. Подключение к заземляющему контуру на вводе потребителя существенно способствует выполнению этого условия, в тех случаях, когда ТП находится на значительном удалении. При правильной организации заземления такая особенность может спасти человеческую жизнь, как минимум, в двух последних случаях из указанного выше списка.

Чтобы избежать пагубного воздействия электротока необходимо заземлять корпуса электроприборов, а также и других металлических частей электроустановок зданий. Это приведет к тому, что при «пробое» возникнет замыкание фазы на землю. В результате произойдет автоматическое отключение снабжения питанием электроприемников, вызванное срабатыванием устройства защиты от токов КЗ.

Даже если защита не сработает, а кто-либо прикоснется к металлическому элементу, все равно ток будет течь по заземляющему проводнику, поскольку в этой цепи будет меньшее сопротивление.

Движение тока при КЗ на корпус

Говоря о принципе работы защиты заземленной нейтрали нельзя не отметить быстрый выход в аварийный режим, когда один из фазных проводов замыкается на шину PEN. По сути, это КЗ на нейтраль, следствием которого является резкое возрастание тока, приводящее к защитному отключению энергоустановки или проблемного участка цепи.

При определенных условиях можно даже организовать защиту от образования опасных зон с шаговым напряжением. Для этого на пол в потенциально опасном помещении стелют (если необходимо, то замуровывают в бетон) металлическую сеть, подключенную к общему заземляющему контуру.

Отличия глухозаземленной нейтрали от изолированной

Чтобы дать объяснить различие необходимо, кратко рассказать об основных особенностях изолированной нейтрали, пример такого исполнения приведен ниже.

Рис. 6. Электроустановка с изолированной нейтралью

Как видно из рисунка при данном способе нейтраль изолирована от контура заземления (в случае соединения обмоток «треугольником» она вообще отсутствует), поэтому открытые проводящие части (далее по тексту ОПЧ) электроустановок заземляются независимо от сети. Основное преимущество такой системы заключается в том, что при первом однофазном замыкании можно не производить защитное отключение. Это несомненный плюс для высоковольтных линий, поскольку обеспечивается более высокая надежность электроснабжения. К сожалению, такой режим заземления не удовлетворяет требования электробезопасности для сетей конечных потребителей.

Низкий уровень электробезопасности основной, но не единственный недостаток изолированной нейтрали, с их полным списком, а также другими особенностями этой схемы электроснабжения, можно ознакомиться на нашем сайте.

Системы TN и её подсистемы

Начнем с аббревиатуры. Первые две буквы характеризуют вариант исполнения заземления для нейтрали и ОПЧ соответственно. Варианты для первой литеры:

  • T (от англ. terra — земля) — обозначает глухозаземленную нейтраль.
  • I (от англ. isolate — изолировать) – указывает, что соединение с «землей» отсутствует.

Варианты вторых литер говорят об исполнении заземления ОПЧ: N или Т, используется глухозаземленная нейтраль или независимый контур, соответственно.

Сейчас практикуется три схемы нейтрали:

  1. Эффективное заземление обозначается, как ТТ. Особенность такой схемы заключается в том, что глухозаземленный вывод (N)считается рабочим проводом, а для защиты используется собственный заземляющий проводник (РЕ). Схема заземления ТТ
  2. Изолированная нейтраль (принятое обозначение IT), схема системы была представлена выше на рис. 6.
  3. Вариант TN (глухозаземленное исполнение).

У последнего варианта исполнения есть три подвида:

  • Совмещенный вариант, принятое обозначение TN-С. У данного подвида защитный нуль соединен с нейтральным проводом, что не обеспечивает должного уровня электробезопасности. При обрыве РЕ+N защитное зануление становится бесполезным. Это основная причина, по которой от системы TN-C постепенно отказываются. Схема заземления TN-С
  • Вариант TN-S, нулевой и защитный проводники проложены раздельно. Такая схема наиболее безопасна, но для нее требуется использовать не 4-х, а 5-ти жильный кабель, что повышает стоимость реализации. Схема заземления TN-S
  • Подсистема, совмещающая в себе два предыдущих варианта – TN-C-S. От подстанции до ввода потребителя идет один провод, в РУ он подключается к шинам PE, N и заземляющему контуру. Такая подсистема заземленной нейтрали сейчас наиболее распространена. Схема заземления TN-C-S

Требования ПУЭ

В Правилах нормам и требованиям к глухозаземленной посвящена глава 1.7, приведем наиболее значимые выдержки из нее:

  • Для подключения нейтрали к контуру заземления необходимо использовать специальный проводник.
  • При выборе места под заземляющее устройство следует исходить из минимально допустимого расстояния между ним и нейтралью.
  • Если в качестве заземления используется жб конструкция фундамента, то к его армирующему основанию следует подключаться не менее чем в 2-х точках, это гарантирует наиболее эффективную защиту.
  • Сопротивление заземляющего проводника для трехфазной цепи электрической сети 0,4 кВ имеет ограничение 4-е Ома. В исключительных случаях эта норма может быть пересмотрена исходя из характеристик грунта.
  • В линии глухозаземленной нейтрали запрещено устанавливать предохранители, защитные устройства и другие элементы, способные нарушить целостность проводника.
  • Правилами предписывается обеспечить заземляющему проводнику надежную защиту от механических повреждений.
  • ВЛ должна быть оборудована дублирующими заземлителями, они устанавливаются в начале и конце линии, на отводах, а также через каждые 200 м.
  • Дублирующее заземление должно выполняться и на вводе потребителя и обязательно указываться в схеме щитка ВРУ.
  • При организации бытовых однофазных сетей от ВРУ должна выполняться разводка тремя проводами, один из которых фаза, второй – ноль (N) и третий – защитный (РЕ).
  • Скорость срабатывания защитных автоматов, установленных в однофазных сетях с глухозаземленной нейтралью, не должна быть продолжительней 0,40 сек.
Читайте также:  Как называются электронные деньги

Режимы работы нейтрали трансформатора, разновидности, достоинства и недостатки.

В высоковольтных сетях возможны следующие виды заземления нейтрали трансформатора:

  1. изолированная;
  2. компенсированная;
  3. высокоомное резистивное заземление;
  4. низкоомное резистивное заземление;
  5. эффективное заземление нейтрали.

Также возможны комбинации из нескольких способов соединения с землей, реализуемых поочередно в комплексе. Рассмотрим по очереди все эти способы, их достоинства и недостатки и показания к применению.

Изолированная нейтраль

Это некогда еще самый распространенный способ заземления нейтрали, применяемый в сетях 6-35 кВ. Сейчас он понемногу вытесняется другими способами.

Достоинство изолированной нейтрали – наличие небольших токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), с которыми сеть может работать некоторое время, необходимое для поиска и устранения повреждения.

Ток замыкания носит емкостной характер. Он обусловлен наличием емкостной связи между электрооборудованием, кабельными и воздушными линиями и землей. Активная составляющая тока почти отсутствует, так как резистивной связи между нейтралью и землей нет. Но недостатки таких сетей пересиливают ее достоинство.

При достаточной разветвленности сети емкостные токи увеличиваются, так как увеличивается количество одновременно подключенного к ней электрооборудования. Настает момент, когда ток становится настолько ощутимым, что все равно и почти сразу приводит к перерастанию ОЗЗ в междуфазное.

Режимы работы нейтрали по уровню напряжения

К тому же при ОЗЗ резко повышается напряжение на неповрежденных фазах. Особенно это проявляется при замыканиях с перемежающейся дугой, погасающей при прохождении синусоидального напряжения в месте КЗ через ноль. При повторном нарастании напряжения дуга загорается вновь.

При резком погасании дуги осуществляется зарядка емкостей фаз, на которых ОЗЗ нет, до напряжения, выше номинального рабочего. Последующее зажигание дуги дает толчок к их дополнительному заряду и так далее. Результат грозит пробоем изоляции в других местах сети, имеющих ослабленную изоляцию. Дополнительно возникает риск возникновения резонансных явлений в сердечниках трансформаторов напряжения.

Это явление, называемое феррорезонансом, гарантированно выводит из строя их первичные обмотки.

Работу трансформаторов, у которых нейтраль изолирована, целесообразно использовать в неразветвленных сетях малой протяженности.

Компенсированная нейтраль

Большие емкостные токи ОЗЗ приходится снижать. Для этого сеть с изолированной нейтралью дополняется установкой компенсации. В состав ее входит силовой трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду и имеющей вывод нейтрали. Вторичная обмотка его иногда не используется, а может питать какую либо нагрузку.

Нейтраль трансформатора установки компенсации заземляется через дугогасящую катушку (катушку Петерсона), представляющую собой реактор с изменяемой индуктивностью.

Обмотка его находится на магнитопроводе и помещена в бак с маслом, как у обычного трансформатора. Регулировка индуктивности осуществляется либо переключением отводов, либо путем изменения зазора в магнитопроводе. В сетях 35кВ распространен способ подключения катушки непосредственно к нейтрали силового трансформатора. Настройка катушки возможна в резонанс с емкостью сети, но тогда ток ОЗЗ исчезает совсем. Его не зафиксировать стандартными элементами защиты, состоящими из ТТНП и токового реле, реагирующего на ток нулевой последовательности.

Чтобы защита работала, используют режим работы катушки с перекомпенсацией. Но использование компенсированного заземления не избавляет сеть от опасных перенапряжений, не устраняет проблему ферромагнитного резонанса. Оно всего лишь снижает токи ОЗЗ.

Про ферромагнитный резонанс смотрите в видео ниже:

Но и это может обратиться во вред: неразвившееся повреждение в кабельной линии в дальнейшем сложнее найти.

Тем не менее, установки компенсации встраиваются во все разветвленные и протяженные сети 6-35 кВ РФ.

Высокоомное резистивное заземление нейтрали

Парадокс в том, что многие основные руководящие документы в РФ, в том числе ПУЭ, ПТЭЭС и ПТЭЭП, не слишком подробно повествуют о резистивном заземлении нейтрали. Хотя польза от него очень ощутима. Есть два случая высокоомного заземления:

  1. Первый – установка резистора в нейтраль трансформатора, аналогично дугогасящему реактору.
  2. Второй – использование для этой цели обмотки, соединенной в разомкнутый треугольник.

Высокоомным заземление называется потому, что сопротивление резистора выбирается из соображений возможности длительной работы сети с ОЗЗ.

Но при этом сохраняются достоинства сети с изолированной нейтралью: есть время на поиск повреждения. Но при этом снижаются величины перенапряжений путем шунтирования емкостей фаз сети резистором.

Что приводит к ускорению их разряда при погасании дуги, что в свою очередь снижает потолочное значение, до которого они успевают зарядиться. В итоге минимизируется риск выхода из строя изоляции электрооборудования от перенапряжений, а также – уменьшается до минимума вероятность возникновения феррорезонансных явлений.

Про резистивное заземление нейтрали можно посмотреть в видео ниже:

Низкоомное заземление нейтрали

Уменьшение сопротивления резистора необходимо в случае, если требуется обеспечить быстродействующее отключение присоединения с ОЗЗ релейной защитой.

При этом еще больше снижается величина перенапряжений, что приводит к повышению степени безаварийности работы электрооборудования.

Увеличение тока КЗ через низкоомный резистор приводит к необходимости увеличения его способности отводить тепло. Если это невозможно, то предусматривается ограничение длительности протекания тока с помощью устройств РЗА. При срабатывании защиты резистор отключается, и нейтраль переводится в изолированный режим работы.

Есть и второй вариант: перевод нейтрали через заранее установленное время, необходимое для ликвидации повреждения в ней устройствами РЗА, с низкоомного заземления на высокоомное. Режим низкоомного заземления иногда применяется в комбинации с установками компенсации емкостных токов. В случае фиксации ОЗЗ к сети кратковременно подключается резистор, помогающий срабатывать устройствам защиты.

Эффективно заземленная нейтраль

Схемы непосредственного заземления нейтралей трансформаторов используются в сетях 110 кВ и выше.

Главная задача при таком режиме работы – получение сравнительно больших токов ОЗЗ для облегчения их фиксации и отключения релейной защитой. Однако при этом увеличиваются капиталовложения на обустройство контуров заземления, по сравнению с электроустановками, имеющими изолированную нейтраль.

А при питании повреждения от нескольких источников одновременно величина тока КЗ в месте ОЗЗ значительно превышает их величины при междуфазных КЗ.

Для исключения этого недостатка нейтрали трансформаторов, подключенных к линии с нескольких сторон, не соединяют с землей одновременно: соединение выполняется на одном из них. За этим следят оперативные работники, занятые эксплуатацией сетей.

Режимы работы нейтралей трансформаторов системы электроснабжения

Трансформаторы имеют нейтрали, режим работы или способ рабочего заземления которых обусловлен:

  • требованиями техники безопасности и охраны труда персонала,
  • допустимыми токами замыкания на землю,
  • перенапряжениями, возникающими при замыканиях на землю, а также рабочим напряжением неповрежденных фаз электроустановки по отношению к земле, определяющих уровень изоляции электротехнических устройств,
  • необходимостью обеспечения надежной работы релейной защиты от замыкания на землю,
  • возможностью применения простейших схем электрических сетей.

При однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы: изменяются напряжения фаз относительно земли, появляются токи замыкания на землю, возникают перенапряжения в сетях. Степень изменения симметрии зависит от режима нейтрали .

Режим нейтрали оказывает существенное влияние на режимы работы электроприемников, схемные решения системы электроснабжения, параметры выбираемого оборудования.

Нейтраль сети — это совокупность соединенных между собой нейтральных точек и проводников, которая может быть изолирована от сети либо соединена с землей через малые или большие сопротивления.

Используются следующие режимы нейтрали:

эффективно заземленная нейтраль.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и экономичностью электроустановок.

Нейтрали трансформаторов трёхфазных электрических установок, к обмоткам которых подключены электрические сети, могут быть заземлены непосредственно, либо через индуктивные или активные сопротивления, либо изолированы от земли.

Если нейтраль обмотки трансформатора присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, то такая нейтраль называется глухозаземлённой , а сети, подсоединённые к ней, соответственно, – сетями с глухозаземлённой нейтралью .

Нейтраль, не соединённая с заземляющим устройством называется изолированной нейтралью .

Сети, нейтраль которых соединена с заземляющим устройством через реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий ёмкостной ток сети, называются сетями с резонанснозаземлённой либо компенсированной нейтралью .

Читайте также:  Предел огнестойкости r45 что это значит

Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (активное сопротивление) называется сеть с резистивнозаземлённой нейтралью .

Электрическая сеть, напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4 (коэффициент замыкания на землю – отношение разности потенциалов между неповреждённой фазой и землёй в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землёй в этой точке до замыкания ) называется сеть с эффективнозаземлённой нейтралью .

Электроустановки в зависимости от мер электробезопасности разделяются на 4 группы:

  • электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективнозаземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю),
  • электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю),
  • электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью,
  • электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Режимы нейтрали трехфазных систем

Напряжение, кВРежим нейтралиПримечание
0,23Глухозаземленная нейтральТребования техники безопасности. Заземляются все корпуса электрооборудования
0,4
0,69Изолированная нейтральДля повышения надежности электроснабжения
3,3
6
10
20
35
110Эффективно заземленная нейтральДля снижения напряжения незамкнутых фаз относительно земли при замыкании одной фазы на землю и снижения расчетного напряжения изоляции
220
330
500
750
1150

Системы с глухозаземленной нейтралью – это системы с большим током короткого замыкания на землю. При коротком замыкании место замыкания отключается автоматически. В системах 0,23 кВ и 0,4 кВ это отключение диктуется требованиями техники безопасности. Одновременно заземляются все корпуса оборудования.

Системы 110 и 220 кВ и выше выполняются с эффективно заземленной нейтралью . При коротком замыкании место замыкания также отключается автоматически. Здесь заземление нейтрали приводит к снижению расчетного напряжения изоляции. Оно равно фазному напряжению неповрежденных фаз относительно земли. Для ограничения величины токов короткого замыкания на землю заземляются не все нейтрали трансформаторов (эффективное заземление).

Режимы нейтрали трехфазных систем: а – заземленная нейтраль, б – изолированная нейтраль

Изолированной нейтралью называется нейтраль, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкостный ток в сети, трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление.

Система с изолированной нейтралью применяется для повышения надежности электроснабжения. Характеризуется тем, что при замыкании одной фазы на землю возрастает напряжение фазных проводов относительно земли до линейного напряжения, и симметрия напряжений нарушается. Между линией и нейтралью протекает емкостной ток. Если он меньше 5А, то допускается продолжение работы до 2 ч для турбогенераторов мощностью до 150 МВт и для гидрогенераторов – до 50 МВт. Если установлено, что замыкание произошло не в обмотке генератора, а в сети, то допускается работа в течение 6 ч.

Сети от 1 до 10 кВ — это сети генераторного напряжения электрических станций и местные распределительные сети. При замыкании на землю одной фазы в такой системе напряжение неповрежденных фаз относительно земли возрастает до величины линейного напряжения. Поэтому изоляция должна быть рассчитана на это напряжение.

Основное преимущество режима изолированной нейтрали — способность подавать энергию электроприемникам и потребителям при однофазном замыкании на землю.

Недостатком этого режима являются трудности о обнаружении места замыкания на землю.

Повышенная надежность режима (т.е. возможность нормальной работы при однофазных замыканиях на землю, которые составляют значительную часть повреждений электрооборудования) изолированной нейтрали обуславливает обязательное его применение при напряжении выше 1 кВ до 35 кВ включительно, поскольку эти сети питают большие группы электроприемников и потребителей.

С напряжения 110 кВ и выше применение режима изолированной нейтрали становится экономически невыгодным, так как повышение напряжения относительно земли с фазного до линейного требует существенного усиления фазной изоляции. Применение режима изолированной нейтрали до 1 кВ допускается и оправданно при повышенных требованиях к электробезопасности.

Нейтраль трансформатора

Трансформаторы имеют нейтрали, режим работы или способ рабочего заземления которых обусловлен:

  • требованиями техники безопасности и охраны труда персонала,
  • допустимыми токами замыкания на землю,
  • перенапряжениями, возникающими при замыканиях на землю, а также рабочим напряжением неповрежденных фаз электроустановки по отношению к земле,
  • пределяющих уровень изоляции электротехнических устройств,
  • необходимостью обеспечения надежной работы релейной защиты от замыкания на землю,
  • возможностью применения простейших схем электрических сетей.

Используются следующие режимы нейтрали:

  • глухозаземленная нейтраль,
  • изолированная нейтраль,
  • эффективно заземленная нейтраль.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и экономичностью электроустановок. при однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы: изменяются напряжения фаз относительно земли, появляются токи замыкания на землю, возникают перенапряжения в сетях. Степень изменения симметрии зависит от режима нейтрали.

Глухозаземленная нейтраль

Если нейтраль обмотки трансформатора присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, то такая нейтраль называется глухозаземлённой, а сети, подсоединённые к ней, соответственно, — сетями с глухозаземлённой нейтралью.

Изолированная нейтраль

Нейтраль, не соединённая с заземляющим устройством называется изолированной нейтралью.

Компенсированная нейтраль

Сети, нейтраль которых соединена с заземляющим устройством через реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий ёмкостной ток сети, называются сетями с резонанснозаземлённой либо компенсированной нейтралью.

Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (активное сопротивление) называется сеть с резистивнозаземлённой нейтралью.

Электроустановки в зависимости от мер электробезопасности разделяются на 4 группы:

  • электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективнозаземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю),
  • электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю),
  • электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью,
  • электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Режимы нейтрали трехфазных систем

Напряжение, кВРежим нейтралиПримечание
0,23Глухозаземленная нейтральТребования техники безопасности. Заземляются все корпуса электрооборудования
0,4
0,69Изолированная нейтральДля повышения надежности электроснабжения
3,3
6
10
20
35
110Эффективно заземленная нейтральДля снижения напряжения незамкнутых фаз относительно земли при замыкании одной фазы на землю и снижения расчетного напряжения изоляции
220
330
500
750
1150

Режим нейтрали оказывает существенное влияние на режимы работы электроприемников, схемные решения системы электроснабжения, параметры выбираемого оборудования.

Назначение заземления нейтрали трансформатора для повышения чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю.

В нормальном режиме высокоомный резистор, и при необходимости дугогасящий реактор (ДГР) подключаются к нейтрали специального трансформатора заземления нейтрали (ТЗН).

Чтобы обеспечить чувствительность и селективность защиты от ОЗЗ необходимо кратковременно увеличить ток через устройство защиты. Обоснование возможности кратковременного индуктивного заземления нейтрали специальным трансформатором заземления нейтрали. При возникновении на линии ОЗЗ трансформатор через 0,5 с кратковременно подключается выключателем к сборным шинам. Благодаря глухому заземлению нейтрали создается ограниченный индуктивностью ТЗН ток однофазного короткого замыкания, достаточный для обеспечения чувствительности от ОЗЗ и создания условия гашения дуги.

Защита действует без выдержки времени на отключение линии. Выключатель с заданной выдержкой времени отключается. Отключение линии предотвращает двойные замыкания на землю (ДЗЗ) и многоместные замыкания на землю (МЗЗ), неизбежные в сетях напряжением 6-10 кВ с высокой изношенностью кабелей и оборудования.

Такой режим отключения поврежденных кабельных линий несколько лет проходит опытную эксплуатацию в ОАО «Пятигорские электрические сети». Однако, отключение линий возможно только при наличии надежного резервирования и в случаях, оговоренных правилами устройств электроустановок.

Предотвращения перехода ОЗЗ в ДЗЗ или МЗЗ осуществляется резистором Rн (см. рисунок 1), подключенным к нейтрали ТЗН. В нормальном режиме выключатель Q3) в цепи ТЗН отключен. При ОЗЗ срабатывают реле контроля изоляции KSV1 и (или) реле тока КА1, или устройство определения поврежденной фазы (см. рисунок 1).

После замыкания контактов срабатывает реле времени КТ1, замыкающиеся контакты которого включают выключатель Q3. Выключатель Q3 шунтирует сопротивление Rн и ДГР.

Рис.1 — Поясняющая схема и схема автоматического заземления нейтрали

Замыкающиеся контакты реле КТ1 с выдержкой времени 0,3 с отключают выключатель Q3. При замыкании этих контактов срабатывает промежуточное реле KL1. Размыкающие контакты реле разрывают цепь КТ1. Возврат схемы осуществляется дежурным с помощью ключа SА. При этом реле К13 замыкает свои контакты в цепи реле КТ1. После отключения выключателя Q3 сеть вновь переходит в режим с заземленной нейтралью через высокоомное сопротивление и при необходимости через ДГР.

При увеличении тока через реле срабатывает защита от ОЗЗ с действием на сигнал с выдержкой времени 0,2 с. Отключение выключателя выполняется с выдержкой времени 0,2 с. Сеть вновь переходит в режим с нейтралью, заземленной через резистор.

Видео: Виды заземления нейтрали

Режимы работы нейтрали электроустановок

Различные элементы (генераторы, трансформаторы и т. д.) энергосистем имеют нейтрали, режим работы которых существенно влияет на технико-экономические показатели электрических сетей (уровень изоляции, требования к оборудованию, защита от коротких замыканий и перенапряжений и т. д.) [1] .

Содержание

Общие положения

Случайное замыкание одного из проводов электрической сети с землей может явиться причиной появления значительного тока, протекающего через место повреждения и распространяющегося в земле. Если в сети имеется вторая заземлённая точка, например, заземлённая нейтраль энергосистемы, то ток, текущий в земле, направляется от места повреждения к этому заземлению.

Читайте также:  Состав исполнительной документации при сдаче объекта

При эксплуатации крупных электрических сетей время от времени возникают такие однополюсные замыкания на землю. Они могут быть вызваны обрывом провода, перекрытием или пробоем изоляции, накоплением на изоляторах грязи или пыли, а также птицами, ветвями деревьев и другими посторонними предметами. Токи однополюсного короткого замыкания распространяются на большие расстояния, как по проводам сети, так и по земле и могут стать причиной тяжёлый аварийных ситуаций в энергосистеме.

Заземление нейтрали является рабочим заземлением, то есть обусловлено режимом работы электрической сети, в отличии от защитного заземления (применяемого для обеспечения безопасной работы в электроустановках).

В Российских энергосистемах применяются следующие режимы работы нейтрали [2] :

  1. Изолированная нейтраль.
  2. Глухозаземленная нейтраль.
  3. Эффективнозаземленная нейтраль.
  4. Нейтраль, заземленная через активное сопротивление:
    • низкоомное;
    • высокоомное.
  5. Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор.

Изолированная нейтраль

При этом режиме работы нейтрали всех электроустановок оказываются незаземленными. Работа электрических сетей напряжением 2-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Компенсация ёмкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:

  1. в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ — более 10 А;
  2. в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи: более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
  3. более 20 А при напряжении 10 кВ; более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
  4. в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков генератор-трансформатор — более 5 А.

При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применение не менее двух заземляющих реакторов.

При работе в сетях с изолированной нейтралью следует обращать внимание на следующие обстоятельства:

  1. повышение напряжения двух фаз относительно земли во время замыкания на землю третьей приводит к тому, что изоляцию всех фаз относительно земли необходимо рассчитывать не на фазное, а на междуфазное напряжение. Только при напряжениях до 35 кВ это не вызывает существенного удорожания сети;
  2. возможность образования в месте замыкания на землю перемежающейся электрической дуги обусловливает возникновение коммутационных перенапряжений с амплитудой 4…6 . Эти перенапряжения могут нарушить работу некоторых приемников и привести к пробою изоляции в других местах и других фазах сети;
  3. тепловое действие дуги на изоляцию фаз сети в месте замыкания на землю может привести к переходу однофазного замыкания на землю в двух- или трехфазное (в кабельных линиях и в других случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу);
  4. возникновение в сети и в источниках питания при замыкании на землю системы токов обратной последовательности может привести к индуцированию в роторах синхронных генераторов токов двойной частоты и к существенному дополнительному нагреву роторов.

Из-за приведенных выше нежелательных явлений работа сети с изолиро-ванной нейтралью допускается, если токи замыкания на землю не превышают некоторых максимально допустимых значений, находящихся обычно, как показано в таблице 1, в пределах 10…30 А. Величины максимально допустимых токов замыкания на землю зависят от типа используемых опор.

Таблица 1 — Максимально допустимые токи замыкания на землю

Тип опорКласс напряжения, кВМаксимальный допустимый ток замыкания на землю, А
Деревянные3 и 630
1020
15-2015
3510
Железобетонные, стальные3…3510

В России с изолированной нейтралью работают следующие сети:

  1. трехфазные сети 6-35 кВ, в которых токи замыкания на землю не превышают допустимых значений;
  2. трехфазные трехпроводные сети до 1 кВ (например, сети 220 и 660 В);
  3. двухпроводные сети постоянного тока;
  4. все сети низких напряжений, в которых для обеспечения безопасности людей предусматривают защитные мероприятия, не связанные с применением заземлений (защитная изоляция, разделяющие трансформаторы и др.).

Глухозаземленная нейтраль

В электрический сетях с полностью изолированной нейтралью разность потенциалов между землей и нейтралью (центра тяжести треугольника напряжений) не является фиксированной величиной. При отсутствии каких-либо повреждений потенциал нейтрали трёхфазной симметричной системы равен потенциалу земли. В этом случае все три провода имеют одинаковый потенциал относительно земли. При замыкании одного из проводов на землю, то потенциал этого провода становится равным потенциалу земли, а потенциал нейтрали равным фазному значению напряжения. Таким образом, при однофазном замыкании потенциал нейтрали отличается от потенциала земли, а напряжение двух здоровых фаз относительно земли становится равным линейному значению напряжения. Изоляция здоровых фаз подвергается действию напряжения, превышающего его нормальное значение в [math]sqrt<3>[/math] раз.

Радикальным средством против изменения потенциала нейтрали и связанных с этим перенапряжений является глухое заземление нейтрали трёхфазной электрчиеской сети. В сетях высокого класса напряжения оно осуществляется путём непосредственного соединения нулевой точки одного или нескольких трансформаторов. В этом случае, при замыкании на землю одного провода создаются замкнутые контуры, которые содержат только активные и индуктивные сопротивления, которые и определяю картину явления протекания тока однофазного замыкания. Ёмкостные контуры играют лишь второстепенную роль. Токи, протекающие через землю, возвращаются в трансформатор через его заземлённую нейтраль; они имеют характер токов короткого замыкания. Для исключения повреждения оборудования и угрозы для жизни людей такие токи должны отключаться с наименьшей выдержкой времени.

Ток замыкания текущий по земле от места короткого замыкания к заземлённой нейтрали, состоит из двух составляющих, каждая из которых создаётся напряжением фазы [math]U_>[/math] . Первая составляющая протекает непосредственно через обмотку той фазы трансформатора, где произошло замыкание на землю. Её величина определяется индуктивностью [math]L_<1>[/math] данного фазного стержня трансформатора. Путь второй составляющй тока проходит по двум одинаковым и параллельным ветвям через две других не повреждённых фазы к месту повреждения.

Режим работы с глухозаземлённой нейтралью оказывается необходимым ввиду наличия в сетях автотрансформаторов, которые оказывается экономически целесообразно проектировать только с учетом глухозаземленной нейтрали. В противном случае изоляцию последовательной обмотки необходивмо рассчитывать на повышенные значения уровня напряжения. Именно этот факт приводит к удоражнию автотрансформатора и снижению его экономической эффективности применения.

В России работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью. Электрические сети напряжением 220 кВ и выше должны работать только с глухозаземленной нейтралью. Сети классом напряжения ниже 1 кВ также являются сетями с глухозаземленной нейтралью.

Эффективнозаземленная нейтраль

При режиме работы с эффективнозаземленной нейтралью, часть нейтралей электроустановок присоединяются к контуру заземления также, как и в случае глухозаземленной нейтрали, часть же электроустановок, с целью уменьшения токов коротких замыканий К1 и К11, оказывается целесообразным часть нейтралей трансформаторов оставить незаземленными. Как уже отмечалось, работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью.

Нейтраль заземлённая через активное сопротивление

В резистивно заземлённой системе нейтраль трансформатора или генератора подключается к контуру заземления через активное сопротивление. Вследствие чего в контуре протекания тока короткого замыкания появляется дополнительное сопротивление, что приводит к его уменьшению. Резистивное сопротивление применяемое для заземления может быть двух типов: низкоомное и высокоомное.

Нейтраль, заземленная через низкоомное активное сопротивление

Никоомное сопротивление предназначено для ограничения токов замыкания на землю в диапазоне между от 100 до 1000 А.

Нейтраль, заземленная через высокоомное активное сопротивление

В случае высокоомного заземления используется резистор с высоким значением активного сопротивления.

В общем случае, использование высокоомного заземления в электрчиеских сетях, где ток однофазного замыкания на землю превышает 10 А, следует избегать из-за увеличения вероятности появления электрчиеской дуги в месте замыкания. Преимущества выскоомного заземления

  1. Однофазные замыкания на землю не требуют немедленного отключения. Это позволяет уменьшить величину недоотпуска элеткрической энергии потребителям.
  2. Снижается переходное перенапряжение.
  3. Упрощение обнаружения однофазных замыканий на землю.
  4. Снижение вероятности возникновения дуги, связанной с высокими величинами токов замыкания на землю.

Высокоомное заземление обычно используется в следующих случаях:

  1. Низкие классы напряжения с высокой долей трёхфазных элеткроприёмников.
  2. Средние классы напряжения в которых требуется поддержание непрерывности электроснабжения и низкими значениями ёмкостных токов.
  3. Модернизация электрических сетей с изолированной нейтралью, где необходимо уменьшить перенапряжения в переходных процессах, вызванных замыканиями на землю.

Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор

Для компенсации ёмкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью применяются дугогосящие реакторы с ручным или автоматическим управлением. Компенсация ёмкостного тока однофазного замыкания на землю должна применяться при ёмкостных токах, превышающих значения приведённые в таблице [3] :

Номинальное напряжение электрической сети, кВ61015-2035
Ёмкостной ток однофазного замыкания на землю, А30201510

В сетях 6-35 кВ на железобетонных и металлических опорах должны использоваться дугогасящие реакторы при ёмкостном токе замыкания на землю более 10 А [3] . Мощность дугогасящих реакторов выбирается по ёмкостному току однофазного замыкания на землю в электрической сети и должна иметь резонансную настройку.

Оцените статью
Добавить комментарий