Рабочее заземление.

Нейтрали трансформаторов трёхфазных электрических установок, к обмоткам которых подключены электрические сети, могут быть заземлены непосредственно, либо через индуктивные или активные сопротивления, либо изолированы от земли.

Если нейтраль обмотки трансформатора присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, то такая нейтраль называется глухозаземлённой, а сети, подсоединённые к ней, соответственно, - сетями с глухозаземлённой нейтралью. Нейтраль, не соединённая с заземляющим устройством называется изолированной нейтралью. Сети, нейтраль которых соединена с заземляющим устройством через реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий ёмкостной ток сети, называются сетями с резонанснозаземлённой либо компенсированной нейтралью. Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (активное сопротивление) называется сеть с резистивнозаземлённой нейтралью. Электрическая сеть, напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4 (коэффициент замыкания на землю – отношение разности потенциалов между неповреждённой фазой и землёй в точке замыкания на землю другой или двух других фаз к разности потенциалов между фазой и землёй в этой точке до замыкания ) называется сеть с эффективнозаземлённой нейтралью.

При однофазном замыкании на землю нарушается симметрия электрической системы: изменяются напряжения фаз относительно земли, появляются токи замыкания на землю, возникают перенапряжения в сетях. Степень изменения симметрии зависит от режима нейтрали.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и экономичностью электроустановок.

Сети с глухозаземлённой нейтралью (рис. 3.1). Такое заземление нейтрали применяется в четырёхпроводных сетях напряжением до 1000В, а так же в сетях 220кВ и выше. Такой режим нейтрали исключает превышение номинального напряжения сети по отношению к земле.

Все корпусы электрооборудования, присоединённого к четырёхпроводной сети до 1000В, каркасы распределительных щитов должны иметь металлическую связь с заземлённой нейтралью установки. При этом, замыкание на корпус любой фазы приведёт к короткому замыканию с достаточно большим током, предохранитель повреждённой фазы перегорит и сеть будет продолжать работу в неполнофазном режиме. Напряжение по отношению к земле двух других фаз, оставшихся в работе, не превысит фазного.

При коротких замыканиях на землю в сетях 220кВ и выше в месте повреждения возникает электрическая дуга с большим током, которая гасится отключением линии электропередачи с последующим её включением (АПВ). В переходном режиме и при коммутации в сети возникают внутренние перенапряжения, наибольшая величина которых относительно земли характеризуется их кратностью к номинальному фазному напряжению:

. (3.1)

Рис. 3.1 Сеть с глухозаземлённой нейтралью

Сеть с изолированной нейтралью (рис. 3.2). Данный вид заземления нейтрали получил широкое распространение в России после Великой Отечественной войны, когда необходимо было обеспечить безаварийную работу потребителей разрушенных предприятий, а так же с малыми затратами. При этом снижается стоимость заземляющих устройств, сокращается количество оборудования (трансформаторы тока, аппараты защиты). Данный вид заземления применяется в распределительных сетях 3-35 кВ.

В сетях с изолированной нейтралью замыкание одной фазы, а такого вида повреждения составляет до 80% всех повреждений, на землю не нарушает режим работы потребителей. Сеть будет продолжать работать в полнофазном режиме, но при этом напряжение двух неповреждённых фаз по отношению к земле увеличиваются до линейных значений. Поэтому изоляция электрооборудования должна быть рассчитана на величину линейной изоляции.

Ток однофазного замыкания на землю определяется частичными ёмкостями неповреждённых фаз сети по отношению к земле и зависит от напряжения, конструкции и протяжённость сети. При однофазном замыкании напряжение повреждённой фазы становится равным нулю (U_A=0) по отношению к земле, а напряжение двух других фаз становится равным междуфазным (U_В=U_С= U_ф).

Ток замыкания на землю:

I_кз=U_ф jω3C₀. (3.2)

Данный вид заземления следует использовать при условии надёжного контроля изоляции сети.

При замыкании на землю одной фазы, например фазы «А», напряжение этой фазы по отношению к земле будет равно нулю, а напряжение двух других фаз увеличится в раз, и угол сдвига между векторами этих напряжений будет 60^○. Ёмкостный ток повреждённой фазы будет равен нулю, а ёмкостные токи каждой неповреждённой фазы увеличатся пропорционально увеличению напряжения на ёмкости и соответственно будут равны I_СВ и I_СС. Суммарный ток через ёмкости неповреждённых фаз 3I_С, равный геометрической сумме токов этих фаз, будет проходить через место замыкания фазы С на землю, замыкаясь через источник питания. Ориентировочно, ток при замыкании на землю в зависимости от длины линий l можно оценить: для кабельных линий:

, (3.3)

для воздушных линий:

. (3.4)

а)

б)

Рис. 3.2 Сеть с изолированной нейтралью: а) – схема протекания ёмкостных токов в сети при замыкании фазы на землю, б) – векторная диаграмма напряжений и токов при замыкании фазы «А» на землю.

При неметаллическом замыкании на землю в месте замыкания возникает перемежающая дуга, сопровождающаяся повторными гашениями и зажиганиями. Между ёмкостью и индуктивностью сети в этом случае появляются свободные электрические колебания высокой частоты, вследствие чего в сети возникают перенапряжения. Амплитуда дуговых перенапряжений может достигать максимальных значений 3,2U_ф на неповреждённых фазах.

Сеть с резонанснозаземлённой нейтралью (рис. 3.3). При небольших ёмкостных токах дуга в месте замыкания оказывается неустойчивой и быстро самопагасает. Предельные значения ёмкостного тока замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, при которых ещё обеспечивается самопагасание дуги в месте повреждения или величины которого не являются опасными по напряжению прикосновения к опорам при длительном протекании тока установлены опытом эксплуатации. Для сети 6кВ предельное значение ёмкостного тока составляет 30 А, для сети 10 кВ – 10 А.

В мощных энергосистемах, когда ёмкостный ток превышает указанные значения дуга может гореть длительное время, вызывая перенапряжения и повреждения изоляции. Кроме того, однофазное замыкание при длительном горении может перейти в междуфазное. Указанные последствия длительного горения дуги могут быть устранены включением в нейтраль трансформатора индуктивности L.

а) б)

Рис. 3.3 Сеть с резонанснозаземлённой нейтралью. а – схема протекания токов в сети при замыкании одной фазы на землю, б – векторная диаграмма токов в месте замыкания.

Сопротивление катушки подбирают таким образом, чтобы индуктивный ток I_L, проходящий через катушку, был по величине равен суммарному ёмкостному току 3I_C, проходящему через фазовые ёмкости сети. В этом случае ток в месте замыкания фазы на землю, представляющий собой геометрическую сумму этих двух токов, будет равен нулю и, следовательно, возникшая дуга будет гаснуть:

. (3.5)

Однако через место замыкания протекает остаточный ток, состоящий из активной и реактивной составляющих. Первая из них обязана своим существованием активному сопротивлению катушки сети, а вторая – неточной настройке катушки. Этот остаточный ток мал по величине и находится в фазе или же составляет небольшой угол по отношению к напряжению на нейтрали U₀.

Резонансная настройка индуктивности составляет практически сложную задачу, поэтому сети работают, обычно, в режиме перекомпенсации.

Сеть с эффективно заземлённой нейтралью. Чтобы повышение напряжения по отношению к земле на неповреждённых фазах в сети с глухозаземлённой нейтралью в установившемся режиме не превышало 0,8U_лин (линейного напряжения), величина тока однофазного замыкания в любой точке сети должна быть не менее 60% тока трёхфазного короткого замыкания в той же точке (Х₀=3Х₁). Такой ток замыкания на землю обеспечивается заземлением необходимого количества нейтралей трансформаторов и автотрансформаторов электрической сети данного напряжения, а сеть, работающая при таких условиях, называется сетью с эффективным заземлением нейтрали. В переходных режимах в системах с эффективно заземлённой нейтралью кратность внутренних перенапряжений по оценкам исследований не превышает 2,5.

Чем больше число заземлённых нейтралей, тем меньше величина внутренних перенапряжений. Поэтому в сетях напряжением 330 кВ и выше применяют глухое заземление всех трансформаторов.

Рис. 3.4 Сеть с заземлением нейтрали через резистор.

Заземление всех или очень большого количества нейтралей трансформаторов приводит к значительному увеличению тока однофазного короткого замыкания, чего следует избегать в тех случаях, когда это возможно (например, в сетях 110 кВ). Поэтому в сетях 110 кВ заземляют такое количество нейтралей, которое обеспечивает упомянутую эффективность заземления. В первую очередь заземляют нейтрали всех или части трансформаторов на узловых подстанциях, а затем уже нейтрали трансформаторов в других точках сети.

Сеть с заземлением нейтрали через резистор (рис. 3.4). Опыт эксплуатации показывает, что уменьшить величину дуговых перенапряжений и число замыканий на землю без значительного искусственного увеличения тока замыкания на землю, сохранив тем самым возможность работы сети без автоматического отключения однофазных повреждений, можно за счёт включения в нейтраль сети высокоомного резистора.

Высокоомный резистор в нейтрали системы обеспечивает стекание заряда нулевой последовательности за время Т между двумя замыканиями, составляющее полупериод промышленной частоты.

Имея выражение для постоянной времени:

T=R_N3C , (3.6)

и полагая практически полное стекание заряда за время t=0,01 сек, получаем выражение для сопротивления . Резистор, выбранный из этого условия, создаёт в месте повреждения активную составляющую тока, равную ёмкостной. Действительно, ёмкостной ток замыкания равен: I_c=3ωCU_ф, а ток резистора I_RN=U_ф/R_N . Из условия I_C=I_RN получаем выражение:

. (3.7)

При чисто ёмкостной цепи замыкания на землю резистор, выбранный таким образом, увеличивает ток замыкания в раз.

Важной особенностью применения высокоомного резистивного заземления нейтрали является то, что при снижении ёмкости сети постоянная времени стекания заряда нулевой последовательности через выбранный резистор уменьшится, и, следовательно, стекание заряда будет происходить ещё быстрее.