Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями

В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий (рис. 1.16). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.

нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно зeмли (ua, U в, U с) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли I_С0А I_С0В I_С0С также симметричны и равны между собой (рис. 1.16, а). Емкостный ток фазы: I_С0 = U_Ф C,где С — емкость фазы относительно земли.

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер И практически не влияет на загрузку генераторов.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряже­ния неповрежденных фаз относительно земли возрастают в раз и ста­новятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис. 1.16,6) поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям U_В = U_ВА и U_С = U_СА.

Ёмкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен ну­лю, так как эта емкость оказывается закороченной. Для тока в месте повреждения можно записать:

т. е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения.

Ток Iс оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:

(1.3)

Согласно (1.3) ток Iс зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции ли­ний сети и их протяженности.

Приближенно ток 1с, А, можно определить по следующим формулам:

для воздушных сетей:

для кабельных сетей:

где U — междуфазное напряжение,кВ; J—длина электрически связанной сети данного напряжения, км.

В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напря­жение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз — больше фазного, но меньше ли­нейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной ней­тралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому по­требители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают рабо­тать нормально.

Вследствие того, что при замыкании на землю напряжение неповреж­денных фаз относительно земли увеличивается в раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Это ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряже­нием 35 кВ и ниже, где стоимость изоляции электроустановок не является определяющей и некоторое её увеличение компенсируется повышенной на­дежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65% всех нарушений изоляции.

В то же время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции дру­гой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через зе­млю (рис. 1.17). Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение.

Например, в случае, показанном на рис. 1.17, могут отключиться сразу две линии.

В связи с изложенным в сетях с незаземленными нейтралями обяза­тельно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещаю­щие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.

Так, на рис. 1.16, в показан способ контроля изоляции в сети с незазе­мленной нейтралью. Устройства контроля подключаются к сети через из­мерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типаНОЗМ.

Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис. 1.16, в) со­единяются по схемам: одна (I) — звезда, вторая (II) — разомкнутый треу­гольник. Обмотка I позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка II предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.

Нормально на зажимах обмотки II напряжение равно нулю, поскольку равна нулю геометрическая сумма фазных напряжений всех трех фаз в се­ти с незаземленной нейтралью. При металлическом замыкании одной фазы в сети первичного напряжения на землю на зажимах обмотки II по­является напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух не­поврежденных фаз (рис. 1.16,6). Число витков обмотки II подбирается так, чтобы напряжение на ее выводах при металлическом замыкании фазы первичной сети на землю равнялось 100 В. При замыкании на землю через переходное сопротивление напряжение на обмотке II в зависимости от со­противления в месте замыкания будет 0—100 В.

Реле напряжения, подключаемое к обмотке II, будет при соответствую­щей настройке реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, табло).

Персонал электроустановки может проконтролировать напряжение не­баланса вольтметром и установить поврежденную фазу. Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.

Рисунок 1.17 – Двойное замыкание на землю в сети с незаземлённой нейтралью

Отыскание места повреждения на землю после получения сигнала дол­жно начинаться немедленно, и повреж­дение должно устраняться в кратчай­ший срок. Допустимая длительность работы с заземленной фазой опреде­ляется Правилами технической эк­сплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч,

Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и выз­вать двух- или трехфазное КЗ (по­следнее часто наблюдается при одно­фазных замыканиях на землю одной из жил трехфазного кабеля). Особенно опасны дуги внутри машин и аппа­ратов, возникающие при однофазных замыканиях на заземленные корпуса или сердечники.

При определенных условиях в месте замыкания на землю может возни­кать так называемая перемежающаяся дуга, т. е. дуга, которая периодиче­ски гаснет и зажигается вновь. Перемежающаяся дуга сопровождается воз­никновением перенапряжений на фазах относительно земли, которые могут достигать 3,5 Uф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоля­ции и образование КЗ в частях установки с ослабленной изоляцией.

Наиболее вероятно возникновение перемежающихся дуг при емкостном токе замыкания на землю более 5—10 А, причем опасность дуговых пере­напряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допу­стимые значения тока нормируются (§ 1.2.16 ПУЭ) и не должны превы­шать следующих значений:

Напряжение сети,кВ ...........3 ~ 6 10 15-20 35

Емкостный ток замыкания на землю, А .... 30 20 15 10

В сетях 3—20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается Iс не более 10 А. В блочных схемах генератор — трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5 А.

Работа сети с незаземленной (изолированной) нейтралью применяется и при напряжении до 1 кВ. При этом основные свойства сетей с незазем­ленной нейтралью сохраняются и при этом напряжении. Кроме того, эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотка­ми высшего и низшего напряжений, в нейтрали или фазе каждого транс­форматора устанавливается пробивной предохранитель.