Сети с эффективно заземленными нейтралями

9.4.1. Общая характеристика

Коэффициент эффективности заземления нейтрали не превышает 1,4, если при замыкании на землю в любой точке результирующее индуктивное и активное сопротивления нулевой последовательности невелики и не превышают кратности по отношению к прямой последовательности :

(9.17)

В связи с этим проводимости фаз относительно земли – емкостные и активные – практически не влияют на токи и напряжения фаз относительно земли при замыканиях на землю и ими можно пренебречь ( ). Активные сопротивления элементов цепи следует учитывать при определении напряжений , но ими можно пренебречь при вычислении токов замыкания на землю. Таким образом, исходная схема для простейшего случая неразветвленной цепи, работавшей до КЗ на холостом ходу, получит вид, представленный на рис. 9.1. Полагаем, что система симметрична, т. е. и.

Ниже будет рассматриваться наиболее характерный вид замыкания на землю – однофазное металлическое КЗ. Граничные условия для места КЗ имеют следующий вид:

, , . (9.18)

В дальнейшшем индекс «к» будет для простоты опускаться.

9.4.2. Напряжения относительно земли при однофазном КЗ на землю

Воспользуемся методом симметрических составляющих и, учитывая граничные условия (9.18), получим выражение для составляющих тока поврежденной фазы А прямой , обратной и нулевой последовательностей в месте КЗ:

, (9.19)

а также ; ; , (9.20)

где – результирующая ЭДС;

, , – результирующие сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей;

, , – напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей поврежденной фазы.

Из (9.19) и (9.20) следует, что

,

,

, (9.21)

.

Напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли, с учетом (9.21), равны:

(9.22)

После подстановки в (9.22) и преобразований с учетом того, что в сетях 110 кВ и выше , получим:

, (9.23)

.

В этом случае векторная диаграмма получается симметричной ( ), а концы векторов и с изменением скользят по прямым, параллельным вектору (рис. 9.12). Полагая, что , получим:

при , ;

при , . (9.24)

Рис. 9.12. Векторная диаграмма напряжений при однофазном КЗ
в эффективно заземленной сети при Х₁ = Х₂

Подставим в (9.22) сопротивления в виде

,

, где , . (9.25)

В результате получим:

, (9.26)

.

Значения активных сопротивлений в схемах прямой и обратной последовательностей невелики и, как правило, не превышают 10 % реактивных сопротивлений, т. е. . В схеме нулевой последовательности вследствие влияния земли активное сопротивление может быть значительно больше. Учитывая это, обозначив , преобразуем выражения (9.26):

, (9.27)

.

Как видно из (9.27) и векторной диаграммы (рис. 9.12) при пересчете активных сопротивлений ( ) напряжения на неповрежденных фазах равны. Влияние активных сопротивлений имеет место только при и проявляется в том, что напряжение на одной из неповрежденных фаз увеличивается, а на другой уменьшается по сравнению со случаем .

Рис. 9.13. Зависимость коэффициента заземления К_З, напряжений
неповрежденных фаз U_Вз и U_Сз, напряжения нулевой
последовательности U_0* = U₀/U₁ от величины а

Учет активных сопротивлений, а также учет возможности увеличения рабочего напряжения на 3 % оказывает существенное влияние на выбор величины а, при которой обеспечивается эффективное заземление нейтрали. Для иллюстрации этого обстоятельства определим К_З при , (кривая 1 на рис. 9.13). Как видно, при этом эффективное заземление получается при , т. к. К_З не превышает 1,4.

9.4.3. Токи замыкания на землю

Как было сказано ранее, для эффективно заземленных сетей характерны большие токи замыкания на землю.

Ток однофазного КЗ, учитывая выражение (9.19), будет равен:

, (9.28)

ток трехфазного КЗ равен: .

Для сравнительной оценки определим отношение тока однофазного КЗ к току трехфазного КЗ в той же точке для начального момента времени:

. (9.29)

Абсолютное значение напряжения на неповрежденных фазах определяется из векторной диаграммы (рис. 9.14).

Рис. 9.14. Векторная диаграмма напряжений при замыкании
одной фазы на землю

, (9.30)

.

Зависимость коэффициента заземления К_З от параметра при различных условиях приведена на рис. 9.15. Наибольшие значения К_З имеют место при учете активных сопротивлений и рабочем напряжении . При таких условиях, как видно из рис. 9.15, заземление нейтрали будет эффективным, если .

Графически зависимость от а представлена на рис. 9.15. В диапазоне а=от0,3 до изменяется от 1,2 до 0,9. Это позволяет заключить, что токи однофазного замыкания на землю в эффективно заземленных сетях соизмеримы с токами К(3), а при а →∞ могут превышать ток в 1,3 раза.

Рис. 9.15. Кривые зависимости кратности тока однофазного КЗ
к току трехфазного КЗ

Большие токи замыкания на землю приводят к необходимости выполнения соответствующей защиты с действием на отключение поврежденного участка. Но даже несмотря на быстрое отключение однофазного КЗ размеры разрушений в месте нарушения изоляции могут быть весьма значительными, так как КЗ носит обычно дуговой характер. Кроме того, за счет сильных внешних магнитных полей токов нулевой последовательности имеет место значительное, хотя и кратковременное, влияние на линии связи.

Большая величина тока однофазного КЗ влечет за собой усложнение и удорожание заземляющих устройств электроустановок. Заземляющие устройства, которые служат для безопасного проведения тока в землю, получаются более дорогими. Однако кратковременность режима замыкания на землю снижает вероятность попадания человека под опасное напряжение прикосновения или шага в период стекания тока в землю.

Таким образом, основные недостатки эффективно заземленных сетей связаны с большими токами замыкания на землю.

Для ограничения токов однофазного КЗ до значений, не превышающих тока трехфазного КЗ, принимают специальные меры:

а) в сетях 110-220 кВзаземляют нулевые точки не у всех обмоток трансформаторов (частичные заземления);

б) в сетях 330-750 кВ между нулевыми точками и землей иногда включают небольшие индуктивные сопротивления.

Число заземленных нейтралей регулируется диспетчером системы на основании соответствующих расчетов, которые проводятся группой режимов диспетчерского пункта энергосистемы. На электростанциях нейтрали обычно держат заземленными, чтобы предотвратить возможность работы с незаземленной нейтралью отделившегося со станцией участка сети. На подстанциях, напротив, предпочтительнее работа с незаземленными нейтралями понижающих трансформаторов, так как при этом чувствительность защиты от замыканий на землю повышается.

Однако имеется ряд факторов, которые не позволяют в электрической системе заземлять нейтрали трансформаторов исходя только из условия обеспечения желательного режима при однофазном КЗ. Такими факторами являются:

1. Изоляция нейтрали силовых трансформаторов по технико-экономическим соображениям выполняется пониженной. Трансформаторы напряжением 110 кВ, изготовленные до 1998 года, имеют изоляцию нейтрали класса 33 кВ, одноминутное испытательное напряжение которой равно 83 кВ. У трансформаторов, выпускаемых после 1998 года, изоляция нейтрали усилена и имеет одноминутные испытательные напряжения соответственно для номинальных напряжений 110, 220 кВ – 100, 200 кВ. Поэтому трансформаторы в сетях до 220 кВ разрешается не заземлять при условии установки между нейтралью и землей соответствующего разрядника или ОПН.

2. Нейтрали автотрансформаторов должны заземляться обязательно независимо от напряжения, так как в противном случае при однофазном КЗ в сети высшего напряжения может иметь место недопустимое напряжение в фазах в сети среднего напряжения.

3. На электростанциях трансформаторы необходимо эксплуатировать с заземленной нейтралью во избежание работы с незаземленной нейтралью в случае отделения электростанций от системы.

4. На подстанциях понижающие трансформаторы при отсутствии указанных выше ограничений желательно не заземлять, так как при этом улучшаются условия работы защиты от однофазных КЗ.

Необходимость выполнения перечисленных дополнительных условий заземления нейтралей трансформаторов может привести к тому, что условие не будет выполнено и, следовательно, ток однофазного КЗ может быть больше тока трехфазного КЗ.

При установке разрядника или ОПН в нейтраль трансформатора, условием, определяющим готовность его к эксплуатации, является обязательная проверка трансформатора на устойчивость токам однофазного КЗ.

9.4.4. Выводы

Основным достоинством эффективного заземления сетей являются более благоприятные условия работы изоляции и, как следствие, возможность ее облегчения и удешевления.

Главный недостаток состоит в необходимости быстрого отключения поврежденного участка вследствие большой величины токов однофазного КЗ. Повышение надежности работы эффективно заземленных сетей достигается резервированием сетей и применением устройств АПВ и ОАПВ. Большая величина тока замыкания на землю позволяет выполнить простую релейную защиту, но усложняет конструкцию заземляющих устройств.

Контрольные вопросы

1. Какие виды заземлений имеют место в СЭС?

2. Что такое коэффициент эффективности заземления нейтрали?

3. Чем обусловлено смещение нейтрали в сетях с незаземлёнными нейтралями?

4. Как определяются напряжения фаз относительно земли при замыкании одной фазы на землю в сети с незаземлённой нейтралью при и ?

5. Как определить ток замыкания на землю в сети с незаземлённой нейтралью?

6. Поясните характер протекания переходного процесса при пробое фазы на землю в сети с незаземлённой нейтралью или перемежающейся дуге?

7. Укажите область применения сетей с резонансным заземлением нейтрали.

8. Схемы включения дугогасящих катушек.

9. В чём смысл настройки дугогасящих катушек?

10. Чему равны напряжения фаз относительно земли в сети с эффективно заземлённой нейтралью в нормальном режиме и при К⁽¹⁾?

11. Укажите область применения и достоинства сети с эффективным заземлением нейтрали.