Системы с изолированной нейтралью

Рассмотрим режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе с рабочим напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью.

В большинстве случаев емкостные проводимости фаз относительно земли можно полагать одинаковыми, т.е. , где С_А=С_В=С_С - емкость фазы относительно земли. Расчетная схема замещения системы для нормального симметричного режима работы представлена на рис. 2а.

Данная расчетная схема характерезуется следующими значениями линейных и фазных напряжений:

U_A=U_В=U_C=U_ф; U₀=0

I_СА=I_CВ=I_CC=I_C

В случае повреждения изоляции и последующем полном (металлическом) замыкании, например фазы А на землю (см. рис. 2б) через место аварии К проходит ток, который замыкается через емкостные проводимости относительно земли «здоровых» фазных проводов, т.е. через Y_BC и Y_CC. Емкостная проводимость поврежденной фазы Y_CA шунтируется собственно замыканием и ток в фазе А справа от места замыкания равен нулю, если пренебречь очень малым током, который наводится токами I_CB I_CC на данном участке линии.

Рис. 2. Система с изолированной нетралью:

а) расчетная схема замещения в нормальном режиме работы; б) расчетная схема замещения при однофазном коротком замыкании на землю

Режим однофазного короткого замыкания на землю в трехфазной системе можно представить в виде наложения двух состояний:

первое - нормальный режим работы, обуславливающий нормальную систему напряжений и токов;

второе - приложенное в месте замыкания ко всем фазам напряжения, равное по величине, но обратное по знаку напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, т.е. - .

Фиктивная система напряжений (- ) вызывает фиктивный емкостный ток , который, стекая в землю у места аварии, тремя ветвями распределяется между емкостями и возвращается по неповрежденным проводам через обмотки трансформатора или генератора. Таким образом, ток, налагаясь на нормальные емкостные токи системы, усиливает их в неповрежденных фазах и компенсирует в поврежденной, создавая однофазную перегрузку трансформаторов и генераторов, и, следовательно, резкую асимметрию системы токов и напряжений.

Изложенное в предыдущем абзаце можно ясно представить по векторной диаграмме напряжений и токов при замыкания на землю фазы А (см.рис.3).

Напряжения всех фаз относительно земли при замыкании на землю фазы А определяются геометрической суммой напряжений фаз относительно земли в нормальном режиме работы и напряжения смещения нейтрали , т.е.

Согласно векторной диаграмме:

и а угол между векторами равен 60°. Следовательно, напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в раз и становятся равными междуфазному напряжению системы, а напряжение поврежденной фазы А - нулю.

Рис. 3. Векторная диаграмма токов и напряжений в системе с изолированной нейтралью в аварийном режиме

Емкостные токи фаз при замыкании на землю фазы А также определяются геометрической суммой емкостных токов фаз в нормальном режиме и током смещения нейтрали , т.е.

Из векторной диаграммы следует, что а угол между векторами равен 60°. Емкостный ток замыкания на землю I_за равен геометрической сумме емкостных токов «здоровых» фаз в аварийном режиме, т.е. согласно векторной диаграмме

т.к. здесь

Таким образом, емкостный ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю ”здоровой” фазы при нормальном режиме:

(7)

и зависит от напряжения установки (системы), частоты и емкости фазы относительно земли.

В случае неполного замыкания на землю (через некоторое переходное сопротивление, например дуги – r_g) напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз - больше фазного, но меньше линейного, ток однофазного короткого замыкания на землю будет меньше, чем при полном замыкании.

Токи однофазного короткого замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью малы по сравнению с токами нагрузки и сами по себе неопасны для системы. Кроме того, в аварийном режиме работа приемников электроэнергии не нарушается, так как треугольник линейных напряжений остается без изменений и лишь перемещается параллельно самому себе в положение, определяемое напряжением смещения нейтрали.

Возможность бесперебойного электроснабжения приемников в аварийном режиме однофазного замыкания на землю является основным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Однако это преимущество можно использовать без ущерба для срока

службы изоляции лишь в тех случаях, когда работа установки с замыканием на землю ограничена сравнительно небольшим периодом времени, необходимым для отыскания и устранения повреждения (не более двух часов), а ток замыкания на землю невелик. Длительная работа системы с замкнутой на землю фазой недопустима. Кроме того, при повреждении изоляции какой-либо другой фазы, возникает двухфазное короткое замыкание на землю, вызывающее протекание большого тока к.з., могущего привести к значительным повреждениям электроустановок. Потому в системах с изолированной нейтралью предусматривают специальные устройства контроля изоляции, а также специальные защитные и сигнальные устройства, работающие на отключение поврежденного участка, что также проводит к дополнительным, капитальным затратам.

Основными недостатками систем с изолированной нейтралью являются:

1) повышенные капитальные вложения, вызываемые требуемым уровнем изоляции электроустановок (увеличение напряжения неповрежденных фаз относительно земли до величины линейного напряжения);

2) возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появление перемежающихся дуг, имеющих при определенных условиях устойчивый характер и вызывающих перенапряжения, превосходящие в 2,5 ¸3,2 раза нормальное фазное напряжение, которое распространяется на всю электрически связанную сеть.

Возникновение электрической дуги в месте замыкания на землю может повредить электрооборудование и вызвать двухфазные и даже трехфазные короткие замыкания, а перенапряжения могут привести к пробою изоляции и образованию к.з. в частях установок с ослабленной изоляцией. Следствием этого является неизбежность действия релейной защиты, что влечет за собой увеличение числа аварийных отключений (в том числе и неповрежденных участков), приводящих иногда к полному “развалу” системы электроснабжения. Кроме этого, возникает опасное электромагнитное влияние на линии связи, значительно возрастают градиенты напряженности электромагнитного поля вблизи места повреждения и, следовательно, напряжения прикосновения и шага, на что система с изолированной нейтралью, обычно не рассчитывается.

Рассмотренные недостатки, значительно усложняют эксплуатацию систем с изолированной нейтралью, ограничивают область их применения системами, где емкостный ток однофазного короткого замыкания на землю не может привести к появлению устойчивых перемежающихся дуг. В соответствии со сказанным выше, согласно ПУЭ, системы с изолированной нейтралью рекомендуются при емкостных токах однофазного к.з. на землю не более 10 А при напряжении сетей 35 кВ; 15 А – для сетей от 15 до 20 кВ; 20 А – для сетей 10 кВ; 30 А – для сетей 6 кВ и 5 А в блоках «генератор – трансформатор» (на генераторном напряжении 6-20 кВ).

Если токи однофазного к.з. на землю превышают указанные выше значения, то применяют либо компенсацию емкостных токов путем введения в нейтраль дугогасящей катушки, либо заземление нейтрали.