Сети с изолированной нейтралью

Режимы нейтрали в промышленных электроустановках и схемы электрических сетей

Вопросы, рассмотренные в данном разделе, посвящены режимам работы сетей с изолированной и глухозаземленной нейтралью, схемной реализации электрических сетей промышленных предприятий.

Режимы нейтрали

Режимы работы электрических сетей

Режим работы электрических сетей или её части определяется токовой нагрузкой линий проводников, уровней напряжения у подключенных к сети приёмников электроэнергии и источников питания, напряжением проводников сети относительно земли и способом соединения нейтрали сети с землей, симметричностью многофазной системы напряжения, синусоидальностью напряжения, сопротивлением изоляции рабочих проводников между собой и относительно земли. Различают три вида режимов:

1) нормальные режимы, при которых отклонения вышеприведённых величин от их расчётных (проектных) значений не выпадают за длительно допустимые пределы;

2) временно допускаемые режимы, характеризующиеся токовыми перегрузками, отклонениями напряжения и т.п., которые либо заложены в проектные расчёты (например, систематические перегрузки во время суточных максимумов), либо могут допускаться на определённое ограниченное время без существенного ущерба для сети и питаемых от неё приёмников;

3) аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими, не допускаемыми явлениями, которые обычно возникают при повреждениях элементов сети (при нарушениях изоляции, при обрыве проводников и т.п.). Аварийные режимы, несмотря на их малую продолжительность, могут вызывать существенный нагрев проводников и значительные динамические усилия между проводниками;

4) послеаварийные режимы.

Нейтраль сети – это совокупность соединенных между собой нейтральных проводников и нейтральных точек источников и приёмников электроэнергии. Она может быть изолирована от земли, соединена с землей через активные и реактивные сопротивления или глухо заземлена.

Сети с изолированной нейтралью

Рис. 7.1. Трёхлинейная схема замещения трёхфазной сети:

а) нормальный режим работы; б) режим однофазного замыкания фазы «С» на землю.

На рисунке 7.1 представлена трёхлинейная схема замещения трёхфазной сети с изолированной от земли нейтралью. Схема считается симметричной. Из параметров эквивалентной линии в данном случае имеет значение только ёмкость линии относительно земли (см. рис. 7.1).

Расчётная ёмкостная проводимость одной фазы сети равна:

(7.1)

где – ёмкостная проводимость сети, См[1]; – удельная ёмкостная проводимость линии i (на единицу длины), См/м; – число линий в сети.

При отключенной нагрузке сеть питается зарядным током сети:

. (7.2)

При отсутствии данных о длине и ёмкостной проводимости каждой линии сети для расчёта зарядного тока обычно пользуются усредненными коэффициентами ёмкостной проводимости, что с учетом выражения (7.1) приводит к формуле:

(7.3)

где – зарядный ток, А; U – номинальное напряжение сети, кВ; С_к – средний коэффициент ёмкостной проводимости кабельных линий, ; l_k – суммарная длина кабельных линий сети, км; С_в – средний коэффициент ёмкостной проводимости воздушных линий, ; l_в – суммарная длина воздушных линий, км.

В действующих сетях наиболее надёжные данные о зарядном токе можно получить путем измерения.

Векторная диаграмма напряжений относительно земли и зарядных токов сети с изолированной нейтралью представлена на рисунке 7.2. По сравнению с токами нагрузки зарядный ток очень мал и в нормальных режимах работы заметного влияния на работу сети не оказывает.

Рис. 7.2. Векторная диаграмма режима работы трёхфазной сети:

а) в нормальном режиме работы; б) при однофазном замыкании на землю фазы «С».

При нарушении изоляции одной из фаз на любом промежутке сети возникает однородное замыкание на землю (см. рис. 7.1(б)). В этом случае напряжение на повреждённой фазе по отношению к земле будет равно нулю, а напряжение на двух других фазах относительно земли возрастёт до междуфазного напряжения, т.е. в раз. Зарядные токи этих фаз возрастут также в раз, а ток замыкания на землю , представляющий геометрическую сумму и , составит:

, (7.4)

где – зарядный ток одной фазы при замыкании на землю другой фазы; – зарядный ток одной фазы в нормальном режиме, определяемый напряжением сети и её ёмкостной проводимостью.

Ток по сравнению с нагрузочными токами сети или её отдельных линий относительно мал и может вызвать перегрузку только при очень малых сечениях проводников повреждённой линии. Замыкание на землю практически не влияет на систему междуфазных напряжений и режима работы приёмников. Поэтому замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью считается не аварийным, а лишь анормальным режимом, при возникновении которого сеть и поврежденная линия могут оставаться включёнными и в течение некоторого времени продолжать работу; питание потребителей не прерывается. Так как из всех видов нарушения изоляции однофазные замыкания на землю составляют обычно 75–85%, то это обстоятельство существенно для обеспечения надежности питания потребителей.

Другим преимуществом является отсутствие устройств заземления нейтрали, что снижает стоимость сети. В сетях с изолированной нейтралью необходимо обратить внимание на то, что:

1) Повышение напряжения двух фаз относительно земли во время замыкания на землю третьей фазы приводит к тому, что изоляцию всех фаз относительно земли необходимо проектировать на междуфазное, а не на фазное напряжение. При напряжениях до 35 кВ это не вызывает существенного удорожания сети;

2) Возможность образования в месте замыкания на землю перемещающейся электрической дуги обуславливает возникновение коммутационных перенапряжений с амплитудой . Эти перенапряжения могут нарушить работу некоторых приёмников и привести к пробою изоляции в других фазах и других местах сети;

3) Тепловые действия дуги в месте замыкания на землю на изоляцию других фаз сети может привести к переходу замыкания на землю в двух или трехфазные К.З (в кабельных линиях и в других случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу);

4) Возникновения в сети и в источниках питания при замыкании на землю системы обратных токов обратной последовательности может привести к индукции в роторах синхронных генераторов токов двойной частоты и к существенному дополнительному нагреву роторов.

Из-за приведенных выше нежелательных явлений токи замыкания на землю не должны превышать некоторых максимально допустимых значений, которые оговариваются в справочной литературе. Время, за которое требуется отыскать и отключить возникшее в сети замыкание на землю, ограничивается (обычно 2 ч).

Сети с изолированной нейтралью и с нейтралью заземленной через реактор, относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю ( ).

В тех случаях, когда ток К.З имеет большую величину, то для его ограничения, между нейтралью источника питания и землёй вводят индуктивные сопротивления (реакторы). Через реактор при пренебрежении активными сопротивлениями реактора, источника и сети в случае замыкания на землю проходит ток, величина которого определяется по выражению:

, (7.5)

где – ЭДС той фазы источника, в которой произошло замыкание на землю (на рис. 7.1(б) - фаза «С»); – индуктивное сопротивление реактора; – индуктивное сопротивление одной фазы источника; – индуктивное сопротивление линий сети до места замыкания на землю.

Следовательно, ток , с учётом вышесказанного, будет определяться по формуле:

. (7.6)

При полной компенсации тока К.З сопротивление реактора выбирают таким образом, чтобы ток, проходящий через него, был равен тройному току замыкания на землю, следовательно, ток равен нулю.

Благодаря заземлению нейтрали сети через реактор:

1) намного уменьшается ток замыкания на землю, вследствие чего дуга в месте замыкания может становиться неустойчивой и быстро гаснуть;

2) после гашения дуги напряжение восстанавливается медленно, вследствие чего вероятность повышенного возникновение дуги и возникновения коммутационного тока мала;

3) токи обратной последовательности малы, следовательно их действие на вращающейся ротор генератора не оказывает существенного влияния.