Генераторы, трансформаторы, некоторые электродвигатели и другие элементы энергосистем имеют нейтрали (точка «н» рис. 1), режим работы которых (способ заземления) существенно влияет на технико-экономические параметры и характеристики электрических сетей: уровень изоляции, требования к оборудованию и средствам его защиты от перенапряжений, коротких замыканий (КЗ) и других ненормальных режимов, надежность работы, вопросы техники безопасности и т. п.
Заземление нейтралей, обусловленное режимом работы сети, называется рабочим заземлением в отличие от защитного заземления, выполняемого для обеспечения безопасных условий работы персонала.
Способ заземления нейтрали практически не сказывается на нормальном режиме работы сети, но при повреждениях фазной изоляции оказывает решающее влияние: на величину тока замыкания на землю и размеры разрушений, вызываемых их в месте повреждения; на величину напряжений фаз относительно земли и связанные с ними условия работы изоляции; бесперебойность электроснабжения, влияние на линии связи и т. д.
Однофазные замыкания на землю наиболее вероятный вид повреждения. Они составляют 75-90 % от всех замыканий. Принятый способ заземления нейтрали обуславливает электрические характеристики этого аварийного режима и определяет способ защиты электроустановок от него.
Напряжение на неповрежденных фазах при замыкании на землю является одним из важнейших факторов, определяющих технико-экономические показатели электрических систем. Поэтому классификация режимов нейтрали производится в зависимости от значения этого напряжения.
При напряжении неповрежденной фазы относительно земли
Uф £ 0,8Uном заземление нейтрали называют эффективным, подчеркивая этим, что благодаря выбору достаточно низкого сопротивления в цепи нейтрали, достигают значительного ограничения напряжения на неповрежденных фазах при замыкании одной из них на землю.
Рис. 1. Схема замещения электрической сети: Тр - вторичная обмотка транс-
форматора; К - переключатель, позволяющий изменить на схеме замещения способ заземления нейтрали источника; rk, lk - активное сопротивление и индуктивность реактора, включенного в нейтраль трансформатора; Gn - проводимость в точке КЗ;
ZА, ZВ, ZС - фазные сопротивления проводов линии электропередач; СА, СВ, СС - паразитные емкости линии относительно земли соответственно фаз А, В и С; GA.
GВ, GС - проводимости изоляции тех же фаз относительно земли;
З - заземляющее устройство
Zc
ZВ
ZА
А
В
С
Gn
CА
GА
CВ
GВ
СС
GС
Тр
н
r k
lk
K
R
З
Частным случаем эффективного заземления нейтрали является глухое заземление нейтрали, когда нейтраль (точка «н») присоединяется к специальному заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформаторы тока и др.).
Ограничение напряжения на неповрежденных фазах за счет заземления нейтрали через малое сопротивление сопровождается резким увеличением тока замыкания, который протекает в основном по поврежденной фазе (см. рис. 2). Этот ток соизмерим с током при междуфазных коротких замыканиях, поэтому длительная работа электроустановок с эффективным заземлением нейтрали при замыкании на землю не допустима. Практически производится быстрое отключение элементов в замкнутой на землю фазой от источника питания с помощью релейной защиты в сетях выше 1000 В или отключением автомата или сгоранием предохранителя в сетях до 1000 В.
Рис. 2. Схема замещения сети с глухозаземленной нейтралью. Стрелками
указан путь протекания однофазного тока замыкания в таких сетях,
Iза- ток однофазного замыкания на землю
C
B
A
Iза
Iза
Iза
Iза
UС
UА
При сопротивлении нейтрали Хн = ¥ получается режим, соответствующий работе системы с изолированной нейтралью (рис. 3), т. е. точка «н» не присоединяется к заземляющему устройству. Ток замыкания в этом случае определяется только проводимостями (активным и емкостным) относительно земли и сравнительно невелик. Он значительно меньше токов при междуфазных КЗ. В реальных случаях этот ток принимает значения от долей ампера до нескольких ампер. По существующим нормам в распределительных сетях считается допустимым длительное протекание емкостного тока замыкания, если он не превышает при номинальных напряжениях 6, 10 и 35 кВ соответственно 30, 20 и 10 А. Так как треугольник линейных напряжений при замыкании на землю практически не искажается (см. рис. 4), то сеть и потребители, питающиеся от нее, могут при этом продолжать работать в течение всего времени отыскания и ликвидации повреждения.
Если емкостный ток замыкания превышает указанные выше значения, то его компенсируют включением в цепь нейтрали индуктивного сопротивления (реактора, дугогасящей катушки, трансформатора напряжения), при котором индуктивный ток, протекающий в месте замыкания на землю близок к емкостному току замыкания, т. е. в этом случае точка «н» соединяется с заземляющим устройством через аппараты, компенсирующие емкостный ток. Сети с таким режимом нейтрали называют сетями с компенсацией емкостного тока замыкания или кратко компенсированными сетями. При определенном значении индуктивного сопротивления в цепи нейтрали наступает полная компенсация емкостного тока замыкания. Практически при эксплуатации компенсированных сетей может иметь место отклонение от точной компенсации до ± 20 %.
Uн = -Uф
к нагрузке
Iн = IСА + IСВ + IСС = 0
С
В
А
CА
CВ
СС
IСС
IСВ
IСА
а
н
UС
UВ
UА
UС
UВ
UАa
IСС = IСС
IСВ = IСВ
СС
СВ
СА = 0
Iза
IСВ
К
н
IССС
Рис. 3. Схема замещения сети с изолированной нейтралью:
а – в нормальном режиме работы; б – аварийном.
Стрелками показаны пути протекания токов
б
В компенсированных сетях так же, как и в сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю имеет место повышение напряжения на неповрежденных фазах до значений, близких к линейному напряжению. Так же, как и в сетях с изолированной нейтралью, в компенсированных сетях допустима длительная работа при наличии замыкания на землю при условии, что изоляция фаз относительно земли рассчитана на длительное приложение линейного напряжения.
Рис. 4. Пример построения векторной диаграммы токов и напряжений при замыкании фазы А на землю в сети с изолированной нейтралью.
Здесь (Uн= -UА). Пунктирными линиями показаны токи
IСС
IСВ
