Напряжения систем электроснабжения

Для трехфазных симметричных систем переменного тока за номинальное напряжение U_ном принимается абсолютное значение линейного (междуфазного) напряжение сети (кВ или В), т.е.

U_ном = U_Л =U_АВ=U_ВС= U_СА

Сети с однофазной нагрузкой подключаются на фазное напряжение, т.е. на напряжение между соответствующей фазой и нейтральной точкой (нейтралью) сети:

U _ф.ном = U_А-0 = U_В-0 = U_С-0 = , кВ или В

(индекс «Л» принято опускать). На стороне треугольника линейные напряжения равны фазным (рис. 1.3)

Рисунок 1.3 – Соотношение напряжений трехфазной сети

Т2

Т1

ф.А

ф.В

ф.С

A

B

C

Uф=UСA

нейтраль

Связующим звеном между генерирующими источниками и электроустановками потребителей являются электрические сети, состоящие из линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторных подстанций различных классов напряжения.

От электростанции к месту потребления электроэнергия передается по линиям электропередачи. Линия электропередачи (ЛЭП) – это электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами энергосистемы с возможным промежуточным отбором [2]. Трансформаторная подстанция– это электрическая подстанция, предназначенная для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения с помощью трансформаторов [2].

Исторически на территории Украины, входившей в состав СССР, для трехфазных сетей переменного тока сложилась следующая шкала номинальных (линейных) напряжений, кВ: 750, 330, 220, 110(150), 35, 10(6), 0,4(0,68).

Напряжение 750 кВ используется для связей между энергосистемами и выдачи больших мощностей с электростанций в центры нагрузок на значительные расстояния (например, ЛЭП 750кВ «Запорожская АЭС – ПС Запорожская-750», «Запорожская АЭС – ПС Южнодонбасская-750» и др.);

330кВ – межсистемные и системообразующие сети, передача мощности от ПС 750кВ непосредственно к центрам нагрузок крупных потребителей или к центрам питания (ЦП) промышленных узлов;

220 кВ – аналогично 330кВ;

110(150) кВ - сети, предназначенные для подключения центров питания промышленных предприятий и городских нагрузок. Напряжение 150 (154) кВ получило ограниченное распространение – в основном в Днепровском регионе (Днепропетровская, Запорожская, Кировоградская, частично Херсонская и Полтавская обл.)

35 кВ – электроснабжение некрупных промышленных потребителей, центров городских и сельскохозяйственных нагрузок.

10(6) кВ – внутризаводские системы электроснабжения, питающие цеховые ТП, а также для городских сетей, питающих ТП уличного освещения и коммунально-бытовых потребителей.

0,4кВ (380/220В) – заводские внутрицеховые сети и электроприемники, городская осветительная и коммунально-бытовая нагрузка. Однофазные электроприемники этих сетей запитываются на напряжении 220 В.

Во внутризаводских сетях на ряде предприятий используется также напряжение 0,68 кВ для питания мощных электроприемников (например, насосов, приводов прокатных станов и т.п.).

Уровень напряжения ЛЭП зависит от величины передаваемой мощности и расстояния от генерирующей электростанции до места потребления. Чем больше передаваемая мощность и расстояние, тем выше напряжение. Это можно объяснить следующим: из курса электротехники известно, что полная мощность, передаваемая по трехфазной сети, определяется выражением

(кВА) (1.1)

где U – линейное напряжение, кВ,

I – ток в линии, А. Исходя из закона Ома ток в лини (А)

, (1.2)

где R – сопротивление линии, Ом, которое, как известно, зависит от удельного сопротивления провода ρ(Ом·мм²/км), длины линии l (км) и ее сечения F (мм²):

(1.3)

Подставив (1.2) и (1.3) в (1.1), получим

, (1.4)

Отсюда следует, что для увеличения пропускной способности линии (увеличения передаваемой по ней мощности) при неизменной ее длине и свойствах материала провода необходимо либо увеличивать сечение, что технически и экономически целесообразно до определенной величины, либо увеличивать напряжение, что более выгодно.

Преобразование электрической мощности от уровня генераторного напряжения до напряжения передающей ЛЭП и от уровня напряжения передающей линии до уровня напряжения электроустановок потребителя при постоянной частоте выполняется путем ее трансформации на трансформаторных подстанциях электрических сетей с использованием силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Преобразование уровня напряжений характеризуется коэффициентом трансформации k_т. (Подробнее см. раздел 2.1.1)

В целях снижения потерь в системах электроснабжения количество ступеней трансформации должно быть минимальным. Поэтому следует избегать использования напряжения 35 кВ во внутризаводских сетях, а к центрам питания промышленных объектов подводить напряжение 110(150) кВ или 220 - 330кВ при особо крупных сконцентрированных нагрузках.

1.4 Режим нейтрали электрических сетей

Общая точка соединенных в «звезду» фазных обмоток оборудования трехфазной сети называется нейтралью. Физически это нейтрали трансформаторов, входящих в электрическую сеть и имеющих связь по линиям электропередачи, напряжение которых соответствует классу напряжения их обмоток. Заземлением какой-либо части электроустановки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством. Заземлением нейтрали называется присоединение нулевой точки трансформаторов к заземляющему устройству. По условиям электробезопасности в соответствии с [1] электроустановки разделяются на электроустановки до 1кВ и электроустановки выше 1 кВ. По режиму нейтрали эти электроустановки разделяются на:

- электроустановки выше 1кВ с эффективным заземлением нейтрали (с большими токами замыкания на землю);

- электроустановки выше 1кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);

- электроустановки до 1кВ с глухозаземленной нейтралью;

- электроустановки до 1кВ с изолированной нейтралью.

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и и заземляющих проводников, а заземлителем называется проводник(электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей [1]. Заземлители подразделяют на искусственные, т.е. специально выполненные для целей заземления, и естественные, к которым относятся находящиеся в земле: электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения.Заземление может быть защитным и рабочим. Защитное заземление электроустановки выполняется с целью обеспечения электробезопасности. Рабочее заземление какой-либо точки токоведущих частей электроустановки выполняется для обеспечения работы электроустановки.

На рисунке 1.4 представлены характерные режимы нейтрали электрических сетей. Если в сети одного напряжения заземлить с помощью металлических проводников все нейтрали обмоток трансформаторов данного класса напряжения, то электрическая сеть этого напряжения и будет сетью с заземленной нейтралью, причем такое заземление будет называться глухим (рис.1.4-а).

При разземлении незначительной части нейтралей трансформаторов одной сети получим сеть с эффективным заземлением нейтрали (рис.1.4-б). При определении количества трансформаторов, нейтрали которых разземляются, необходимо исключить возможность работы участка сети в режиме с изолированной нейтралью. Сети с глухим и эффективным замыканием относятся к сетям с большими токами замыкания на землю. В этих сетях при перекрытии изоляции фазы при грозовых перенапряжениях или обрыве провода и падении его на землю возникнет короткозамкнутый контур с малым сопротивлением. Ток, который будет протекать в этом контуре, на порядок превысит ток нормального режима.

г

а

б

в

LR

Рисунок 1.4 - Режимы нейтрали электрических сетей: а - глухое заземление нейтрали; б –эффективное заземление нейтрали; в – изолированная нейтраль; г – компенсированная нейтраль.

Т3

Т2

Т1

ф.А

ф.В

ф.С

В сети с эффективным заземлением нейтрали токи при КЗ на землю будут меньше, чем при глухом заземлении нейтрали, благодаря уменьшению количества параллельных связей в контуре и, соответственно, увеличению его сопротивления. В таких сетях имеет место повышение напряжения на неповрежденных фазах. В соответствии с [1] такое повышение напряжения не должно превышать 1,4 U_ф нормального режима. Эту величину называют коэффициентом замыкания на землю.

К_з.з. = U_зд..ф / U_ф.н. ,

где U_зд..ф – напряжение на неповрежденной фазе после КЗ, U_ф.н. - номинальное фазное напряжение.

Участок сети, на котором возникло короткое замыкание, подлежит немедленному отключению действием защит на выключатель поврежденного присоединения.

При отсутствии связи нейтральной точки обмоток трансформаторов с «землей» имеем сеть с изолированной нейтралью (рис.1.4-в). Если в сети с изолированной нейтралью устанавливаются специальные заземляющие реакторы для снижения уровня емкостных токов, то получим сеть с компенсированной нейтралью (рис.1.4-г). Сети с изолированной нейтралью называются также сетями с малыми токами замыкания на землю. Замыкание на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью не является коротким замыканием. Немедленное отключение оборудования, на котором произошло замыкание, в такой сети не требуется, т.к. отсутствуют большие токи, которые могли бы привести к его повреждению. Тем не менее, такое нарушении нормального режима должно как можно скорее быть устранено, так как на двух других фазах по отношению к земле напряжение повышается до линейного (увеличивается в раз). Длительное воздействие повышенного напряжения может привести к возникновению двухфазного короткого замыкания, сопровождающегося большими токами, при протекании которых может произойти повреждение оборудования. Замыкание на землю также опасно для людей, находящихся вблизи точки замыкания, поскольку в этом месте появляется зона растекания, т.е. опасный потенциал и шаговое напряжение.

Помимо заземления в электроустановках напряжением до 1 кВ используется также зануление – это преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью в сетях трехфазного тока или глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.

Электроустановки до 1кВ могут выполняться с глухозаземленной или с изолированной нейтралью. Установки с изолированной нейтралью применяются при повышенных требованиях безопасности (для передвижных установок, карьерных, торфяных и шахтных разработок и т.п.). в таких установках предусматривается контроль изоляции сети или защитное отключение. Если такая сеть связана через трансформатор с сетью напряжением выше 1 кВ, то она защищается, от повреждений изоляции между обмотками ВН и НН трансформатора пробивным предохранителем, устанавливаемым в нейтрали или фазе низшего напряжения каждого трансформатора.

Во внутризаводских сетях напряжением до 1 кВ на промышленных предприятиях используется, как правило, глухое заземление нейтрали. Это необходимо как по условиям электробезопасности, так и по условиям обеспечения работы однофазных электроприемников.

Заземлению или занулению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, приводы электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока и напряжения, каркасы распределительных щитов, щитов управления, шкафов, щитков, металлические конструкции РУ, металлические кабельные конструкции, кабельные соединительные муфты, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, проводов и т.п. [1].

Из изложенного следует, что во внутризаводских распределительных сетях систем электроснабжения применяются в основном два режима нейтрали: изолированная нейтраль для сети 10(6)кВ и глухое заземление нейтрали для сетей напряжением ниже 1 кВ. Для питающей сети напряжения 110-150 кВ используется режим эффективного заземления нейтрали. Для сетей напряжением 330 кВ и выше используется режим глухого заземления нейтрали.