В генераторах, трансформаторах, шунтирующих реакторах, собранных в трехфазную систему по схеме «звезда» обычно имеются нейтрали обмоток, режимы которых существенно определяет режимы работы электрических сетей, а также вопросы изоляции, повышения изоляции и чисто экономические вопросы.
Виды заземлений:
- Рабочее заземление – обусловлено режимом работы электрической сети
- Защитное заземление – выполняется для безопасных условий работы персонала
- Грозозащитное заземление – предназначено для защиты электроустановок от перенапряжений (молниеотводы)
Далее будем изучать рабочее заземление. Рассмотрим режимы нейтралей электрических сетей. Электрические сети в зависимости от режимов нейтрали делятся на четыре группы:
- Электрические сети не заземленные (сети с изолированной нейтралью);
Система IT в сетях до 1000В особого распространения не получила в связи с повышенной опасностью для человека. Активно используются не заземленные сети на напряжении 3-35кВ.
- Электрические сети резонансно заземленные (сети с компенсированной нейтралью или не эффективно заземленные)
В сетях до 1000В не применяются, применяются в сетях 3-35кВ.
- Электрические сети эффективно заземленные
Применяются в сетях 110-220кВ
- Электрические сети глухо заземленные
Применяются в сетях 330, 500, 750, 1150кВ, иногда сети 220кВ.
Так же заземленная нейтраль часто используется на напряжение до 1000В, в том числе – в жилых домах. Системы TT и TN получили широкое распространение из-за лучшей электробезопасности по сравнению с IT.
С точки зрения релейной защиты режимы заземления не так важны. Релейщики обычно их сводят в две общие группы: электрические сети незаземленные (с изолированной и компенсированной нейтралью) и заземленные (эффективно заземленные, глухо заземленные). Это соответствует требованиям ПУЭ, которое подразделяет все сети на сети с малыми токами замыкания на землю (до 500А) – сети с изолированной и компенсированной нейтралью и сети с большими токами замыкания на землю (выше 500А – сети с эффективно и глухо заземленной нейтралью). Для сетей с малыми токами замыкания на землю обычно применяется термин ток замыкания на землю (ОЗЗ), потому что в этих сетях при замыкании на землю одной фазы ток носит емкостной характер и обычно имеет не большую величину. Для сетей с большими токами замыкания в случае замыкания на землю употребляют термин ток короткого замыкания. Здесь токи носят не емкостной, а индуктивный характер и на несколько порядков могут превышать ток ОЗЗ в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью.
Сети с изолированной нейтралью.
На рис. 1. Показана сеть, где есть источник (трансформатор, генератор, шунтирующий реактор), в котором есть трехфазная система обмоток, собранная в звезду и выведенная нейтраль, не имеющая связи с землей. От источника отходит трехфазная сеть, питающая потребителей. Сеть имеет по отношению к земле исключительно емкостные связи – для фазных проводов и самой нейтрали относительно земли. Емкости показаны как сосредоточенные для удобства их восприятия. По факту они являются распределенными по всей длине кабельной линии.
Рис. 1. Электрическая сеть с незаземленной (изолированной) нейтралью.
По сети в нормальном режиме работы протекают как рабочие токи нагрузки, так и емкостные токи от фазных проводников через емкость нейтрали. Векторная диаграмма напряжений представляет собой симметричную звезду фазных напряжений и симметричный треугольник линейных напряжений.
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений режима сети с изолированной нейтралью.
В случае возникновения однофазного замыкания на землю фазы А емкость фазы А относительно земли шунтируется замыканием и ток замыкания фазы протекает через емкость нейтрали. При этом возникает несимметричный режим. Всякая несимметричная некомпенсированная система векторов может быть заменена системой трех векторов: прямой, обратной и нулевой последовательности. В случае замыкания одной фазы возникает напряжение нулевой последовательности 3U0, которое направлено противоположно повредившейся фазе (голубым на рис. 2). Поскольку таких векторов нулевой последовательности три, то они складываются с каждым фазным напряжением этой симметричной системы. Геометрическое сложение поврежденной фазы дает ноль, а сложение рабочих фаз и U0 дает новые значения рабочих фаз, но уже увеличенных в корень из трех раз. Таким образом фазные напряжения неповрежденных фаз становятся равными линейным. Треугольник линейных напряжений после аварии нисколько не изменился, а остался таким же.
Практическое значение здесь заключается в том, что для потребителей, подключенные на линейное напряжение новые условия при замыкании на землю одной из фаз нисколько не изменились. Ток замыкания на землю носит емкостной характер и очень маленький. Такую сеть можно длительно оставлять длительно включенной, а релейную защиту выполняют с действием не на отключение, а на сигнал. Устранить ОЗЗ тем не менее нужно как можно быстрее, т. к. существует опасность, что замыкание на землю одной фазы может привести к замыканию на землю второй фазы, тем более что фазные напряжения неповрежденных фаз при ОЗЗ увеличиваются в 1.73 раза. Двойное замыкание на землю – это межфазное короткое замыкание и на него релейная защита должна отреагировать отключением выключателя. Кроме этого, в месте ОЗЗ возникает растекание тока, приводящее к шаговому напряжению, которое небезопасно для людей и животных.
Допустимые емкостные токи замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью:
— Для сети 3-6кВ Iсз <= 30A
— Для сети 10кВ Iсз <= 20A
— Для сети 20кВ Iсз <= 15A
— Для сети 35кВ Iсз <= 10A
Чем выше напряжение, тем ниже допускается ток замыкания на землю. Приведенные значения являются ориентировочными и реальное значение токов ОЗЗ могут их превышать.
Резонансно-заземленная нейтраль
Применяют зачастую в случаях, когда емкостные токи замыкания на землю оказываются выше предельно допустимых для сетей с изолированной нейтралью. В таких сетях нейтраль источника заземляется через некую индуктивность, которая может быть регулируемая или нерегулируемая. Эту индуктивность обычно называют дугогасящая катушка (ДГК). Емкостной ток замыкания, протекая последовательно с индуктивностью катушки уменьшает величину емкостного тока. Включая последовательно индуктивное сопротивление нейтрали геометрически складывается емкостной ток сети с индуктивным током катушки, который должен быть несколько меньше емкостного тока и позволяет оставить итоговый ток емкостным, но существенно его уменьшив, доведя до нормируемых величин.
Рис. 3. Режим сети с компенсированной нейтралью.
При установке ДГК и возникновении ОЗЗ, увеличивается дополнительно фазное напряжение неповрежденных фаз. Для того, чтобы не увеличивать его слишком сильно, ДГК устанавливают не во всех трансформаторах сети, а в части нейтралей, причем выбирают столько трансформаторов, чтобы довести емкостной ток только до нормируемых значений. Правила технической эксплуатации предъявляют свои требования к сетям с изолированной нейтралью.
— Генераторы мощностью более 150 МВт при замыкании на землю при токе более 5А должны немедленно отключаться.
— Для генераторов мощностью менее 150 МВт и токе замыкания на землю менее 5А допускается работа продолжительностью до 2 часов, в течение которых должна быть устранена «земля», в противном случае генератор должен быть отключен вручную.
— Если замыкание на землю находится не в генераторе, а в отходящей сети, то допускается работа генератора с замыканием на землю в течение 6 часов.
— В электрических сетях с изолированной нейтралью допускается работа с замыканием одной фазы на землю до его устранения.
Глухо заземленная нейтраль
В сетях с глухозаземленных нейтралях заземляются нейтрали всех источников: генераторов, трансформаторов, шунтирующих реакторов. Напряжение поверженной фазы при замыкании на землю теоретически должно равняться нулю, но учитывая то, что однофазные короткие замыкания никогда не бывают чисто металлическими, а чаще всего замыкание происходит через дугу, то в ней возникает падение напряжения на активное сопротивление этой дуги. Напряжение у источника меньше, чем ЭДС на величину падения напряжения в самой дуге.
Рис. 4 Сеть с глухо заземленной нейтралью с однофазным КЗ на землю
Рис. 5 Векторная диаграмма сети с глухо заземленной нейтралью с однофазным КЗ на землю
В неповрежденных фазах фазные напряжения больше на величину наведенной взаимной индукции от падения напряжения в дуге. Ток короткого замыкания течет только по одной поврежденной фазе по одной электрической цепи. Характер нагрузки этой цепи – чисто индуктивный, поэтому ток короткого замыкания большой и превышает значения 500А. Поскольку этот режим является несимметричным и появляется составляющая нулевой последовательности, то она компенсирует ток повреждения в фазе А, который отстаёт от вектора напряжения в фазе А на угол короткого замыкания.
Глухие заземления позволяют уменьшить величину перенапряжений за счет того, что напряжения в неповреждённых фазах увеличиваются незначительно, что в свою очередь позволяет уменьшить требования к изоляции, что экономит их стоимость. Кроме этого, глухозаземленная нейтраль позволяет выполнить чувствительную релейную защиту от однофазных коротких замыканий, действующую на отключение выключателя. Есть у такой схемы и один недостаток: увеличивается ток замыкания на землю, при чем в некоторых случаях, ток замыкания на землю может превышать ток трехфазного короткого замыкания, по которому обычно выбирается все оборудование сети. Возникает это потому, что каждая нейтраль в сети сама является источником ЭДС для подпитки места короткого замыкания, следовательно, чем больше трансформаторов с заземленной нейтралью находится в сети, тем выше ток однофазного короткого замыкания.
Эффективно заземленная нейтраль
Эффективно заземленная нейтраль подразумевает заземление не всех нейтралей трансформаторов, а только части. Остальные трансформаторы не заземляются. Количество разземленных трансформаторов определяется условием, чтобы ток однофазного короткого замыкания был меньше трехфазного тока короткого замыкания. При этом следует помнить, что некоторые трансформаторы изготавливаются с целью их удешевления с ослабленной изоляцией нейтрали. Разземлять можно только трансформаторы с нормальной изоляцией нейтрали. Трансформаторы с ослабленной изоляцией нейтрали можно в крайнем случае разземлять через разрядник или активное сопротивление.
Требования к сетям с заземленными нейтралями
— Величина тока однофазного короткого замыкания меньше либо равна величине тока трехфазного короткого замыкания.
— При включении или отключении разъединителем или отделителей трансформаторов 110кВ с ослабленной изоляцией нейтралей, требуется предварительное заземление нейтралей этих трансформаторов.
— Нейтрали трансформаторов с ослабленной изоляцией либо вообще нельзя разземлять, либо разземляют через разрядники.
— Нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов напряжением выше 220кВ нельзя разземлять.
— В радиальных тупиковых сетях с эффективным заземлением нейтралей нейтраль хотя бы одного трансформатора на концевой подстанции должна быть заземлена. Если этот трансформатор выводится в ремонт, то обязательно заземляется нейтраль хотя бы одного трансформатора на следующей, более близкой к источнику подстанции, чтобы не допускать появления участка сети 110кВ и выше с изолированной нейтралью.
