Режим работы нейтралей в электроустановках

Размещено на http://www.allbest.ru

Режим работы нейтралей в электроустановках

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 (компенсированными) нейтралями;

3) сети с эффективно-заземленными нейтралями;

4) сети с глухозаземленными нейтралями.

I. Сети с незаземленными (изолированными) нейтралями

Изолированная нейтраль - нейтраль трансформатора или генератора, неприсоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.

В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора. Остаточный в результате компенсации малый ток не способен поддерживать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически. Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов. При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.

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 Нз.з. Он обусловлен емкостями фаз сети СВ, СС 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

нейтраль электроустановка заземленный изолированный

В нормальном режиме (рис. 1, б) напряжения фаз относительно земли одинаковы и составляют

UФ = UЛ /v3,

где UЛ -- 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 = UЛ (увеличиваются в v3 раз), т. е. коэффициент замыкания на землю равен v3 . 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.

II. Сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями

Если в сетях 6-35 кВ ток замыкания. на землю превышает допустимые значения, то нейтраль источника питания сети соединяют с землей через заземляющий реактор (рис. 2).

Рис. 2. Схема с компенсированной нейтралью

Компенсация емкостных токов в системах с резонансным заземлением нейтрали осуществляется посредством дугогасящих катушек, включаемых в нейтрали одного или нескольких трансформаторов. Компенсация служит для гашения дуги замыкания на землю. Тем самым компенсация предотвращает возникновение перенапряжений дугового замыкания на землю и снижает вероятность замыкания на землю в другой точке сети. Таким образом, компенсация нейтрали, сохраняя достоинства изолированной нейтрали, устраняет в то же время многие ее недостатки. Но и в сети с резонансным заземлением нейтрали устойчивое (металлическое) однофазное замыкание на землю приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

Дугогасящие катушки должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации в сетях генераторного напряжения катушки располагаются обычно на электростанциях вблизи генераторов. При подключении дугогасящих катушек через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, соизмеримы по мощности с мощностями катушки, необходимо учитывать их взаимное влияние.

В нормальном режиме ток через дугогасящие катушки практически равен нулю. При однофазном коротком замыкании катушка находится на фазном напряжении.

Заземляющие реакторы в России выпускаются на номинальные токи от 25 до 400 А с пределами регулирования тока (1 - 0,5)/ном. Наряду с наиболее распространенным ручным ступенчатым регулированием применяют автоматическое ступенчатое или плавное регулирование сопротивления реактора по напряжению нейтрали. В режиме полной компенсации тока замыкания на землю реактор настроен на резонанс с емкостными проводимостями сети, и напряжение нейтрали относительно земли имеет максимальное значение.

Благодаря заземлению нейтрали сети через реактор:

- намного уменьшается ток замыкания на землю, в результате чего дуга в месте замыкания становится неустойчивой и быстро гаснет;

- после гашения дуги напряжение восстанавливается медленно, вследствие чего вероятность повторного зажигания дуги и возникновения коммутационных перенапряжений мала;

- при сохранении устойчивой дуги мала вероятность перехода замыкания на землю в многофазное из-за малого значения тока;

- токи обратной последовательности малы, и их действие на вращающиеся генераторы может оставаться несущественным.

Коэффициент замыкания на землю при заземлении нейтрали через реактор по сравнению с изолированной нейтралью не изменяется.

III. Сети с эффективно-заземленными нейтралями

Эффективным заземлением нейтрали - называют такую сеть, в которой нейтрали большей части силовых элементов (трансформаторов, генераторов) заземлены. В данном режиме повышение напряжения по отношению к земле на неповреждённых фазах при однофазных замыканиях на землю в установившемся режиме не превышает 0,8 линейного напряжения и коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.

С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.

Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.

Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ. Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.

Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ - действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. До-статочно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действую-щим напряжением гашения 50 кВ. 

Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах ком-мутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Рис.3. Однофазное короткое замыкание в сети с эффективным заземлением нейтрали.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью трансформаторы подвержены опасным перенапряжениям в аварийных режимах, когда, например, при обрыве и соединении провода с землей выделяется по тем или иным причинам участок сети, не имеющий заземленной нейтрали со стороны источника питания. На таком участке напряжение на нейтралях трансформаторов становится равным по значению и обратным по знаку ЭДС заземленной фазы, а напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного. Возникающие при этом в результате колебательного перезаряда емкостей фаз на землю перенапряжения представляют собой серьезную опасность для изоляции трансформаторов и другого оборудования участка.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью на случай перехода части сети в режим работы с изолированной нейтралью от замыканий на землю предусматривают защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности 3 U о, которое появляется на зажимах разомкнутого треугольника трансформатора напряжения при соединении фазы с землей. Защиты действуют на отключение выключателей трансформаторов с незаземленной нейтралью. Защиты от замыканий на землю в сети настраивают таким образом, чтобы при однофазном повреждении первыми отключались питающие сеть трансформаторы с изолированной нейтралью, а затем трансформаторы с заземленной нейтралью. На тех подстанциях 110 кВ, где силовые трансформаторы не могут получать подпитку со стороны СН и НН, такие защиты от замыканий на землю не устанавливаются, не производится также и глухое заземление нейтралей. 

IV. Сети с глухозаземленными нейтралями

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформаторы тока). Глухозаземленная нейтраль -- частный случай эффективно заземленной нейтрали.

Рис. 4. Замыкание на землю в сети с глухозаземленной нейтралью

В сети с глухозаземленной нейтралью при однофазных замыканиях на землю, перенапряжения, которые могли бы представить опасность для изоляции и персонала, возникнуть не могут. Естественно, в этом случае предполагается, что рабочее заземление соответствует нормам ПУЭ и поэтому исключается повышение напряжения при смещении нейтрали. В сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В в случае замыкания какой-либо фазы на корпус при наличии защитного зануления возникает однофазное короткое замыкание, которое вызывает срабатывание максимальной токовой защиты и отключение поврежденного участка сети. При расчете зануляющих проводов необходимо учитывать, что сила тока однофазного замыкания должна быть больше номинальной силы тока ближайшего защитного аппарата. В этом случае отключение такого замыкания будет мгновенным.

В качестве защитной меры применяют соединение корпусов электрооборудования с нейтралью источника питания (зануление), что обеспечивает быстрое отключение поврежденной установки или участка сети максимальной токовой защитой вследствие однофазного короткого замыкания.

При напряжении до 1000 в одного защитного заземления недостаточно, так как при пробое изоляции на заземленный корпус величина аварийного напряжения может не обеспечить перегорание плавких вставок предохранителей или срабатывания защиты.

В сетях с глухозаземленной нейтралью одно защитное заземление не применяют, так как при пробое изоляции в цепь замыкания будут включены сопротивления, значительно снижающие ток замыкания. В таких сетях применяют новые типы устройств защитного отключения. В сетях с глухозаземленной нейтралью применять только одно защитное заземление нельзя, так как в этом случае не будут выполнены перечисленные выше требования.Обычно в сетях с глухозаземленной нейтралью при замыкании на землю напряжения фаз относительно земли по величине мало отличаются от фазного напряжения источника. Полученные выводы справедливы для сетей с глухозаземленной нейтралью как до 1000 В, так и выше 1000 В. Следует отметить, что в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением выше 1000 В (сети 110--750 кВ) замыкание на землю является коротким замыканием. Величина тока в таком режиме зависит только от параметров питающего трансформатора и удаленности места замыкания на землю; ток замыкания на землю рассчитывают по режиму короткого замыкания в сети.

Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью имеют наиболее широкое распространение. В этих сетях нейтрали генераторов и трансформаторов присоединены к заземляющим устройствам непосредственно. Четвертый провод сети присоединен к заземленной нейтрали, поэтому он называется нулевым. С помощью нулевого провода включают потребителей на фазные напряжения (например, осветительную нагрузку).

Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводом получили наибольшее распространение, так как позволяют не только питать трехфазные электропотребители, но и получать фазное напряжение (фаза - нуль) для обеспечения включения осветительных приборов и ручного электрифицированного инструмента.

При защите сетей с глухозаземленной нейтралью автоматическими выключателями расцепители их должны устанавливаться во всех нормально незаземленных проводниках. Электроустановки с глухозаземленной нейтралью широко применяются на промышленных предприятиях. Объясняется это в значительной мере преимуществами глухого заземления нейтрали с точки зрения безопасности, которые проявляются при замыкании одной из фаз электроустановки на землю и при переходе высшего напряжения на сторону низшего в питающем трансформаторе.

Устройство защитного отключения для сетей с глухозаземленной нейтралью. В сетях с заземленной нейтралью датчиком УЗО является трансформатор тока нулевой последовательности, сигнал на выходе которого определяется суммой токов фазных и нулевого проводов. В реальных условиях эксплуатации из-за распределения тока однофазных нагрузок по нулевому проводу и сопротивлениям повторного заземления нулевого провода на выходе датчика УЗО появляется предварительный сигнал, который по абсолютному значению может превышать сигнал, вызванный касанием человека фазы сети. Это является одной из причин ложных отключений электроустановки. Устранить такой недостаток можно, если реакция устройства защитного отключения будет определяться не абсолютным уровнем сигнала датчика, а его изменением, которое происходит при прикосновении человека к токоведущим частям.

В сетях с глухозаземленной нейтралью при пробое на корпус: напряжение по отношению к земле может колебаться в широких пределах, например, в сетях 380/220 В оно может превышать 100 В. Если электроприемники оборудованы защитным отключением, возможны ложные отключения неповрежденных электроприемников. Избежать таких ложных отключений весьма сложно, а в большинстве случаев и невозможно, например, в условиях промышленного предприятия трудно изолировать электроприемники от металлических конструкций зданий, стальной арматуры фундаментов, балок и т.п. Поэтому при повреждении изоляции корпуса электроприемника напряжение пробоя может быть даже вдали от места повреждения. Приведенные обстоятельства ограничивают область применения защитного отключения в сетях с заземленной нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью -- угольные шахты, текстильные и другие предприятия, торфяные разработки, имеющие пожаро- и взрывоопасные участки - требует, по соображениям электробезопасности, применения защитного отключение.

В четырехпроводных сетях переменного тока или в трехпроводных сетях постоянного тока обязательно глухое заземление нейтрали.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью при замыканиях на заземленные части должно быть обеспечено надежное автоматическое отключение поврежденных участков сети с минимальным временем отключения. С этой целью в электроустановках до 1000 В с глухозаземленной нейтралью обязательна металлическая связь корпусов электрооборудования с заземленной нейтралью электроустановки, т.е. устройство зануления:

Рис. 5. Схема зануления

Нейтраль генератора, трансформатора (на стороне до 1000 В) должна быть присоединена к заземлителю при помощи отдельного заземляющего проводника (рабочее заземление). Сечение этого заземляющещего проводника должно быть не менее указанного в таблице:

Вывод нейтрали генератора или трансформатора на щит распределительного устройства должен выполняться: при выводе фаз шинами - шиной на изоляторах, при выводе фаз кабелем (проводом) - жилой кабеля (провода). Допускается в кабелях с алюминиевой оболочкой вместо четвертой жилы использовать оболочку. Проводимость вывода нейтрали должна быть не менее 50% проводимости вывода фаз.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов либо выводы источников однофазного тока, р любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника постоянного тока.

При удельном электрическом сопротивлении р земли более 10 Ом-м допускается увеличивать указанные выше значения сопротивления ЗУ в отношении р/100, но не более 10-кратного.

На воздушных линиях электропередачи зануление осуществляется нулевым рабочим проводом, проложенным на тех же опорах, что и фазные провода. На концах воздушных линий (или ответвлений) длиной более 200 м, а также на вводах в здание, электроустановки которых подлежат занулению, должны выполняться повторные заземления нулевого рабочего провода. При этом в первую очередь используются естественные заземлители, например подземные части опор, а также заземляющие устройства, выполненные для защиты от грозовых перенапряжений.

Повторные заземления нулевого провода в сетях постоянного тока должны осуществляться при помощи отдельных искусственных заземлителей, которые не должны иметь металлических соединений с подземными трубопроводами.

Общее сопротивление растеканию заземлителей всех повторных заземлений нулевого рабочего провода каждой воздушной линии в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

Проводники для повторных заземлений нулевого провода должны иметь пропускную способность по допустимому нагреву не менее 25 А.

По механической прочности заземляющие и нулевые защитные проводники должны иметь размеры не менее приведенных в таблице: «Наименьшие размеры заземляющих и нулевых защитных проводников и электродов-заземлителей»

В качестве искусственных заземлителей помимо металла допускается использовать электропроводящий бетон.

В электроустановках напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства, используемого для заземления электрооборудования, должно быть не более 4 Ом.

При мощности генератора или трансформатора 100 кВ-А и менее заземляющие устройства могут иметь сопротивление до 10 Ом.

Это же правило действует и при параллельной работе генераторов или трансформаторов, при суммарной их мощности не более 100 кВ-А.

В районах с удельным сопротивлением земли на территории электроустановки более 200 Ом-м для сооружения искусственных заземлителей рекомендуется:

§ устройство углубленных заземлителей, если на большей глубине удельное сопротивление земли снижается;

§ применение искусственной обработки земли с целью снижения удельного сопротивления, если другие способы не могут быть применены или не дают необходимого эффекта;

§ устройство выносных заземлителей, если вблизи до 1-2 км от электроустановки есть места с меньшим удельным сопротивлением земли.

В районах многолетней мерзлоты, кроме того, следует помещать заземлители в непромерзаемые водоемы, в талые зоны, а также использовать артезианские скважины.

В районах с удельным сопротивлением земли более 500 Ом-м, если вышеуказанные мероприятия не позволяют получить приемлемые по экономическим соображениям заземлители, допускается повысить требуемые ПУЭ значения сопротивлений ЗУ в р/500 раз, где р - удельное сопротивление земли, Ом-м. При этом увеличение требуемых ПУЭ сопротивлений ЗУ должно быть не более десятикратного.

Список используемой литературы:

1. Правила устройств электроустановок

2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. - М.: Энергия, 1977.

3. Электробезопасность на химических предприятиях. - Кораблев В.П. 1977.

4. Электробезопасность при эксплуатации электроустановок. -

Белявин К.Е. 2004.

5. http://www.baurum.ru/_library/

Размещено на Allbest.ru