Электронные сети могут работать с заземленной либо изолированной нейтралью трансформаторов и генераторов . Сети 6, 10 и 35 кВ работают с изолированной нейтралью трансформаторов. Сети 660, 380 и 220 В могут работать как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Более всераспространены четырехпроводные сети 380/220, которые в согласовании с требованиями правил устройства электроустановок (ПУЭ) обязаны иметь заземленную нейтраль.
Разглядим сети с изолированной нейтралью . На рисунке 1,а изображена схема таковой сети трехфазного тока. Обмотка изображена соединенной в звезду, но все произнесенное ниже относится также и к случаю соединения вторичной обмотки в треугольник.
Рис. 1. Схема сети трехфазного тока с изолированной нейтралью (а). Замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью (б).
Вроде бы хороша ни была в целом изоляция токоведущих частей сети от земли, все таки проводники сети имеют всегда связь с землей. Связь эта двойственного рода.
1. Изоляция токоведущих частей имеет определенное сопротивление (либо проводимость) по отношению к земле, обычно выражаемое в мегомах. Это значит, что через изоляцию проводников и землю проходит ток не которой величины. При неплохой изоляции этот ток очень мал.
Допустим, к примеру, что меж проводником одной фазы сети и землей напряжение равно 220 В, а измеренное мегомметром сопротивление изоляции этого провода равно 0,5 МОм. Это означает, что ток на землю 220 этой фазы равен 220 / (0,5 х 1000000) = 0,00044 А либо 0,44 мА. Этот ток именуется током утечки.
Условно для наглядности на схеме сопротивления изоляции 3-х фаз r1 , r2 , r3 изображаются в виде сопротивлений, присоединенных каждое к одной точке провода. По сути токи утечки в исправной сети распределяются умеренно по всей длине проводов, в каждом участке сети они замыкаются через землю и их сумма (геометрическая, т. е. с учетом сдвига фаз) равна нулю.
2. Связь второго рода появляется емкостью про водников сети по отношению к земле. Как это осознавать?
Каждый проводник сети и землю можно представить для себя как две обкладки протяженного конденсатора. В воздушных линиях проводник и земля - это вроде бы обкладки конденсатора, а воздух меж ними - диэлектрик. В кабельных линиях обкладками конденсатора являются жила кабеля и железная оболочка, соединенная с землей, а диэлектриком - изоляция.
При переменном напряжении изменение зарядов конденсаторов вызывает появление и прохождение через конденсаторы переменных токов. Эти так именуемые емкостные токи в исправной сети умеренно распределены по длине проводов и в каждом отдельно взятом участке также замыкаются через землю. На рис. 1,а сопротивления емкостей 3-х фаз на землю х1, х2, х3 условно показаны присоединенными каждое к одной точке сети. Чем больше длина сети, тем огромную величину имеют токи утечки и емкостные токи.
Поглядим, что все-таки произойдет в изображенной на рисунке 1,а сети, если в одной из фаз (к примеру, А) произойдет замыкание на землю , т. е. провод этой фазы будет соединен с землей через относительно маленькое сопротивление. Таковой случай изображен на рисунке 1,б. Так как сопротивление меж проводом фазы А и землей не достаточно, сопротивления утечки и емкости на землю этой фазы шунтируются сопротивлением замыкания на землю. Сейчас под воздействием линейного напряжения сети UB через место замыкания и землю будут проходить токи утечки и емкостные токи 2-ух исправных фаз. Пути прохождения тока показаны стрелками на рисунке.
Замыкание, показанное на рисунке 1,б, именуется однофазовым замыканием на землю, а возникающий при всем этом аварийный ток - током однофазового замыкания.
Представим для себя сейчас, что однофазовое замыкание вследствие повреждения изоляции вышло не конкретно на землю, а на корпус какого-либо электроприемника - электродвигателя, электронного аппарата, или на железную конструкцию, по которой проложены электронные провода (рис. 2). Такое замыкание именуется замыканием на корпус. Если при всем этом корпус электроприемника либо конструкция не имеют связи с землей, тогда они получают потенциал фазы сети либо близкий к нему.
Рис. 2.
Прикосновение к корпусу равносильно прикосновению к фазе. Через человеческое тело, его обувь, пол, землю, сопротивления утечки и емкостные сопротивления исправных фаз появляется замкнутая цепь (для простоты на рис. 2 емкостные сопротивления не показаны).
Ток в этой цепи замыкания находится в зависимости от ее сопротивления и может нанести человеку тяжелое поражение либо оказаться для него смертельным.
Рис. 3. Прикосновение человека к проводнику в сети с изолированной нейтралью при наличии в сети замыкания на землю
Из произнесенного следует, что для прохождения тока через землю нужно наличие замкнутой цепи (время от времени представляют для себя, что ток «уходит в землю» - это ошибочно). В сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В токи утечки и емкостные токи обычно невелики. Они зависят от состояния изоляции и длины сети. Даже в разветвленной сети они находятся в границах нескольких ампер и ниже. Потому эти токи, обычно, недостаточны для расплавления плавких вставок либо отключения автоматических выключателей.
При напряжениях выше 1000 В основное значение имеют емкостные токи, они способны достигать нескольких 10-ов ампер (если не предусмотрена их компенсация). Но в этих сетях отключение покоробленных участков при однофазовых замыканиях обычно не применяется, чтоб не создавать перерывов в электроснабжении.
Таким макаром, в сети с изолированной нейтралью при наличии однофазового замыкания (о чем говорят приборы контроля изоляции) продолжают работать электроприемники. Это может быть, потому что при однофазовых замыканиях линейное (междуфазное) напряжение не меняется и все электроприемники получают энергию бесперебойно. Но при всяком однофазовом замыкании в сети с изолированной нейтралью напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле растут до линейных, а это содействует появлению второго замыкания на землю в другой фазе. Образовавшееся двойное замыкание на землю делает суровую опасность для людей. Как следует, неважно какая сеть с наличием в ней однофазового замыкания должна рассматриваться как находящаяся в аварийном состоянии , потому что общие условия безопасности при таком состоянии сети резко ухудшаются.
Так, наличие «земли» наращивает опасность поражения электронным током при прикосновении к частям, находящимся под напряжением. Это видно, к примеру, из рисунка 3, где показано прохождение тока поражения при случайном прикосновении к токоведущему проводу фазы А и неустраненной «земле» в фазе С. Человек при всем этом оказывается под воздействием линейного напряжения сети. Потому однофазовые замыкания на землю либо на корпус должны устраняться в кратчайший срок.
Режим изолированной нейтрали используют при напряжении до 1 кВ только в электроустановках с повышенными требованиями безопасности (взрывоопасные установки и др.). При напряжении 6...35 кВ такой режим нейтрали рекомендован ПУЭ во всех электроустановках.
Причина широкого распространения режима работы с изолированной нейтралью заключается в том, что в такой сети замыкание одной фазы на землю не является КЗ. Сеть с изолированной нейтралью может эксплуатироваться до нескольких часов с замыканием фазы на землю. Ток замыкания на землю получается во много раз меньше, чем ток междуфазных КЗ. Это главное достоинство сети с изолированной нейтралью. В такой сети обычно нет необходимости в применении специальных быстродействующих защит от замыкания на землю, т. е. не требуются дополнительные затраты на выполнение и эксплуатацию защиты.
Однако при замыкании на землю обнаруживается такой недостаток сети, как возникающие перенапряжения на поврежденных фазах относительно земли.
На рис. 1, а приведена упрощенная схема с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А. В месте замыкания проходит ток замыкания на землю Í з.з. Он обусловлен емкостями фаз сети С В, С С относительно земли. Значение этого тока невелико и обычно не превышает 100 А.
Рис. 1. Упрощенная схема с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А
В нормальном режиме (рис. 1, б) напряжения фаз относительно земли одинаковы и составляют U Ф = U Л /√3, где U Л — линейное напряжение. При замыкании фазы А на землю потенциал фазы А становится равным нулю, т. е. потенциалу земли (рис. 1, в). Напряжения поврежденных фаз В и С относительно фазы А останутся такими же, как и в нормальном режиме, потому что линейные напряжения не изменяются. Таким образом, напряжения фаз В и С относительно земли возрастают до линейных, U’ В = U’ C = U Л (увеличиваются в √3 раз), т. е. коэффициент замыкания на землю равен √3 . При этом увеличивается возможность перехода замыкания на землю в двойное, которое является коротким замыканием и сопровождается большим током.
В сети с изолированной нейтралью изоляция фаз относительно земли выбирается по линейному напряжению, чтобы сеть могла длительно работать с замыканием на землю.
Правила технической эксплуатации (ПТЭ) электрических станций и сетей Российской Федерации допускают работу воздушных и кабельных линий с замыканием на землю при изолированной нейтрали сети до устранения повреждения. При этом к отысканию места повреждения следует приступать немедленно и ликвидировать повреждение в кратчайший срок из-за опасности поражения током людей и животных.
Фазные напряжения в сети с изолированной нейтралью при замыканиях на землю могут превышать линейные напряжения, что обусловлено возникновением так называемой перемежающейся электрической дуги. Термин «перемежающаяся» означает, что электрическая дуга горит неустойчиво: загорается на некоторое время, затем гаснет и, спустя интервал времени, загорается вновь. Переходные процессы, возникающие в электрической схеме сети (рис. 1, а) с учетом перемежающейся дуги, приводят к появлению перенапряжений, которые могут достигать (3,0+3,5)11 , где U — амплитуда фазного напряжения в нормальном режиме. Такое часто приводит к пробою изоляции, особенно электродвигателей напряжением выше 1 кВ.
Наличие перенапряжений, обусловленных перемежающейся электрической дугой, является основным недостатком сети с изолированной нейтралью. Этот недостаток объясняет обилие предложений по оптимизации режима нейтрали городских электрических сетей.
Основным способом снижения перенапряжений при замыкании на землю, согласно ПТЭ, является компенсация емкостного тока замыкания на землю, что достигается с помощью специальных дугогасящих реакторов (катушек индуктивности), которые включают между нейтралью сети и заземлителем. В соответствии с ПТЭ, компенсация i 3 3 производится, если его значение больше приведенных ниже:
Некомпенсированные токи в месте замыкания на землю могут обеспечить неустойчивое горение электрической дуги, т. е. в итоге привести к появлению перенапряжений. Особенно опасно замыкание на землю в сетях с воздушными линиями на железобетонных и металлических опорах, т. к. ток I З.З может вывести из строя заземляющие устройства и несущие металлические части опор. Поэтому в сетях напряжением 6—35 кВ с воздушными линиями на указанных опорах допустимое значение тока замыкания на землю составляет 10 А.
Ток в месте замыкания на землю вычисляется по приближенной формуле
где U — линейное напряжение, кВ; l В — суммарная длина воздушных линий сети, км; l К — суммарная длина кабельных линий сети, км.
Пример. Вычислить ток замыкания на землю в сети напряжением 10 кВ. Сеть содержит две воздушные линии с длинами 2 км и 7 км и 5 кабельных линий с длинами 1,5 км; 2,5 км; 0,8 км; 1,2 км; 1,6 км.
Решение:
Определяем суммарные длины воздушных и кабельных линий l В = 2 + 7 = 9 км; l К = 1,5 + 2,5 + 0,8 + 1,2 + 1,6 = = 7,6 км.
Ток замыкания на землю
Очевидно, что компенсация емкостного тока замыкания на землю в данной сети не требуется.
Нейтралями электроустановок называют – общие точки обмотки генераторов или трансформаторов, соединенные в звезду. Вид связи нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, значения перенапряжений и способы их ограничения, токи при однофазных замыканиях на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д.
В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:
1) сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;
2) сети с резонансно-заземленными (компенсированны-
ми) нейтралями;
3) сети с эффективно-заземленными нейтралями;
4) сети с глухозаземленными нейтралями.
К первой и второй группам относятся сети напряжением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы.
Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряжение выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Коэффициентом замыкания на землю называют отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей
в точке замыкания на землю поврежденной фазы к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания. К этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше. К четвертой группе относятся сети напряжением 220, 380 и 660 В. Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями).
Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыканиями на землю (это сети с эффективно-заземленными нейтралями).
В сетях с изолированной нейтралью нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник, поэтому нейтральная точка физически отсутствует. В установках с изолированной нейтралью сопротивление заземления оборудования не должно превышать 4 Ом и при мощности источника питания до 100 кВа Rз<10 Ом.
В ЭУ до 1кВ с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю происходит отключение всей цепи для повышения эл. безопасности. Такие установки применяются при повышенных требованиях к эл. безопасности (рудники, метрополитен, торфоразработки, передвижные установки, некоторые химические комбинаты).
Достоинства:
Отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;
Малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).
Недостатки:
Возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю;
Возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;
Возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;
Необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;
Сложность обнаружения места повреждения;
Опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;
Сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).
Сеть с изолированной нейтралью эффективно работает только при наличии в ней надежного устройства непрерывного контроля изоляции с отключением сети при недопустимом уменьшении сопротивлении изоляции.
Поскольку незаземленные сети небольшой протяженности, а также компенсированные сети могут продолжительное время работать с замыканием фазы на землю, то релейную защиту от повреждений этого вида принято выполнять с действием на сигнал.
Сигнализация замыкания на землю может быть неселективной и селективной. Неселективная сигнализация извещает обслуживающий персонал о возникновении замыкания на землю без указания присоединения, на котором произошло нарушение изоляции. Селективная сигнализация, напротив, указывает, на каком именно присоединении возникло замыкание.
Неселективная сигнализация, или, иначе, устройство контроля изоляции, основана на изменении напряжений проводов относительно земли. Для этой цели обычно используют измерительные трансформаторы напряжения – три однофазных или один трехфазный с пятистержневой магнитной системой. Обмотки соединяют по схеме звезда-звезда-разомкнутый треугольник. Заземлением нулевой точки звезды первичных обмоток трансформаторов обеспечивается измерение напряжений проводов относительно земли.
Для этой цели предусмотрены три вольтметра, включенных на вторичные фазные напряжения. К вспомогательной вторичной обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, присоединяют реле максимального напряжения. Напряжение на выводах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме вторичных трех фаз относительно земли.
В нормальном режиме вольтметры показывают фазные напряжения, а напряжение на обмотке реле равно нулю. При замыкании провода на землю на обмотке реле появляется напряжение, пропорциональное потенциалу нейтрали UN (или напряжению нулевой последовательности):
Реле срабатывает и запускает в действие предупредительную сигнализацию, привлекающую внимание обслуживающего персонала к нарушению нормального режима. Вольтметры контроля изоляции, показывая напряжение проводов относительно земли, дают возможность определить поврежденный провод и примерно оценить значение сопротивление R . Поскольку напряжение провода относительно земли во всей электрически связанной сети одинаково, то его измерение не может указать на место замыкания на землю.
