Общие сведения о существующих способах заземления нейтрали электроустановок
В настоящей лабораторной работе рассматриваются встречающиеся на практике способы соединения нейтральной точки (далее - нейтрали) источников электрической энергии (генераторов, трансформаторов и др. устройств) в 3-х фазных электрических сетях переменного тока с землей.
К числу таких систем относятся:
1) система с изолированной нейтралью, т.е. нейтраль нормально не соединенная с землей (рис. 1а);
2) резонансно-заземленная (компенсированная) система, т.е. система, заземленная через дугогасящую катушку без сердечника (рис. 1б);
3) система с заземленной нейтралью (соединение с землей через активное сопротивление или глухое заземление нейтрали на землю) (рис. 1в, 1г). Короткое замыкание нейтрали на землю принято называть глухим или металлическим замыканием (соединением с землей).
В соответствии с рекомендациями МЭК (Международной электротехнической комиссии) различают:
1) системы с эффективно заземленной нейтралью, когда коэффициент заземления не превышает 80 %;
2) системы с неэффективно заземленной нейтралью, когда коэффициент заземления больше 80 %.
Здесь и далее под коэффициентом заземления понимается отношение наивысшего напряжения, возникающего при однофазном коротком замыкании на землю на неповрежденной (далее – “здоровой”) фазе к междуфазному (линейному) напряжению, выраженное в процентах. Коэффициент заземления определяет выбор того или иного уровня изоляции электроустановок.
Изолированной нейтральюназывается нейтраль трансформатора или генератора не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы или аппараты, имеющие большое сопротивление (приборы сигнализации, измерения, защиты, дугогасящие реакторы, трансформаторы напряжения и другие аппараты).
Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, например, через трансформаторы тока.
Рис. 1. Способы заземления нейтрали:
|
Выбор того или иного режима нейтрали электроустановок является результатом учета многих технико-экономических факторов конкретной системы электроснабжения.
При выборе способа заземления нейтрали должны учитываться следующие общие требования к эксплуатации электросетей высоких напряжений:
1) надежность работы электрических сетей;
2) бесперебойность электроснабжения приемников электроэнергии;
3) экономичность системы;
4) возможность устранения опасных перенапряжений;
5) ограничение электромагнитного влияния на линии связи;
6) безопасность системы;
7) возможность дальнейшего развития системы без значительной реконструкции.
Чтобы определить, в какой степени тот или иной способ заземления нейтрали удовлетворяет указанным выше требованиям рассмотрим нормальный и аварийные режимы работы трехфазной системы при различных способах заземления нейтрали питающего трансформатора.
Наиболее частым видом повреждений в современных системах электроснабжения является однофазное короткое замыкание на землю (около 2/3 всех повреждений) – случайное электрическое соединение с землей находящихся под напряжением частей электроустановки с заземленными конструктивными частями или непосредственно с землей. Ток, проходящий через землю в месте замыкания, называется током однофазного замыкания на землю. В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) /3/ электроустановки напряжением свыше 1000 В подразделяются на: электроустановки с большими токами замыкания на землю, в которых ток однофазного короткого замыкания на землю превышает 500 А, и установки с малым током замыкания на землю, в которых ток однофазного короткого замыкания на землю менее 500 А.
|
Расчетная схема замещения 3-х фазной 4-х проводной (в общем случае) симметричной системы электроснабжения для рабочих и аварийных режимов строится единым образом на основе следующих допущений:
1) система питающих напряжений источника 3-х фазного переменного напряжения рабочей частоты 50 Гц предполагается симметричной, т.е. содержащей лишь первые гармоники (прямая последовательность напряжений);
2) источник напряжения предполагается бесконечно большим по мощности и обладающим малым внутренним сопротивлением, что позволяет не учитывать падения напряжения от токов, протекающих по обмоткам питающего генератора (трансформатора);
3) распределенные активные и реактивные параметры линии (емкость и сопротивление изоляции по отношению к земле) условно могут быть представлены в виде сосредоточенных эквивалентных емкостей и активных сопротивлений фаз;
4) в сетях напряжением до 1 кВ емкостные сопротивления различных элементов электрической системы значительно превышают их индуктивные сопротивления и при расчетах последние обыкновенно не учитывают.
В таком случае полные проводимости проводов 3-х фазной 4-х проводной системы относительно земли в комплексной форме могут быть представлены в виде:
Ya=ga+jwCa
Yb=gb+jwCb
Yc=gc+jwCc (1)
Yo=go+jwCo;
где: ga, gb, gc, gо – активные проводимости изоляции между фазными поводами (a, b, c) нулевым проводом (о) и землей;
Ca ,Cb ,Cc ,Cо -эквивалентные емкости фаз относительно земли и емкость нулевого провода относительно земли соответственно.
Комплексная проводимость нулевой точки трансформатора (генератора) относительно земли в зависимости от способа заземления нейтрали может учитывать:
|
- сопротивление дугогасящей катушки zk = rk+jwLk [Yo=1/(rk+ jwLk)].
Здесь: rk и Lk -соответственно активное сопротивление и индуктивность катушки.
-активное сопротивление;
-реактивное индуктивное сопротивление дугогасящей катушки L(Y0=1/ jwL).
В системе с изолированной нейтралью Yo=0
В системе 3-х фазных напряжений при симметричной нагрузке (ga=gb=gc и Ca=Cb=Cc) в нормальном режиме напряжения фаз относительно земли a,
b и
c симметричны, равны по модулю и равны фазному напряжению
ф, геометрические суммы токов утечки через изоляцию
уa,
уb,
уc емкостных токов
ca,
cb,
cc соответственно образуют токи фаз
a,
b,
c, которые равны по модулю: Ia=Ib=Ic и геометрическая сумма их равна нулю, т.е.
a+
b+
c=0 и
0=0, напряжение смещения нейтрали U00¢=0
При нессиметрии нагрузки по активной (ga¹gb¹gc) или реактивной (Ca ¹Cb¹Cc) составляющим, симметрия фазных напряжений нарушается. Напряжение смещения нейтрали U00' в этом случае определяется формулой:
, (2)
здесь и далее с индексом “ ' ” отмечены величины напряжений для нессиметричных, в том числе аварийных режимов работы системы.
В соответствии с классической теорией нессиметричных режимов 3-х фазных цепей введем оператор a=еj2/3p, учитывающий сдвиг фаз.
Примем, что a=Uф (фаза А – основная), тогда напряжение в фазе В отстает:
b=a2Uф, а напряжение в фазе С опережает:
c=aUф напряжение в фазе А на 2/3p или 120 электрических градусов.
|
Тогда, выражение (2) может быть записано в виде:
(3)
Напряжения фаз относительно земли при нессиметрии системы определяются из выражений:
(4)
Токи в фазах и нулевом проводе при нессиметрии нагрузки определяются исходя из следующих выражений:
(5)
а токи в фазах:
(6)
|
Выражения (3)-(6) являются основными расчетными соотношениями для анализа трехфазных систем во всех возможных нессиметричных режимах.