Системы с глухозаземленной нейтралью

Однофазные замыкания на землю (например фазы А) в системах с глухозаземленной нейтралью (см. рис. 6) представляют собой однофазное короткое замыкание, т.к. поврежденная фаза оказывается коротко замкнутой через землю и нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями линий и внутренним сопротивлением источника питания и поэтому является током к.з. Данный ток практически не зависит от величины сопротивления изоляции и емкости системы относительно земли, т.к. Y₀>>Yа; Y₀>>Y_b; Y₀>>Y_c, Y₀=1/r_з.

Поэтому ток короткого замыкания на землю, например фазы А, определяется выражением:

I_з.а.=U_A/r_з=U_А Y₀ (9)

т.е. при глухом заземлении нейтрали (r_з ® 0; Y₀ ® ¥) величина I_з.А. может достигать очень больших значений (сотни ампер).

Рис. 6. Система с глухозаземленной нейтралью:

а) расчетная схема замещения в аварийном режиме; б) векторная диаграмма напряжений

Напряжение «здоровых» фаз относительно земли (см. рис. 6б) определяются геометрической суммой нормальных фазных напряжений небольших дополнительных составляющих, обусловленных падениями напряжений в соответствующих фазных обмотках трансформаторов (или генераторов) и подводящих проводов. Однако, величины менее 0,8 U_л. В контуре, изображенном на рис.6 течет ток I_з.а., приводящий в действие релейную защиту, которая отключает поврежденный элемент.

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали заключаются в следующем:

1) устраняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и связанные с ними последствия;

2) облегчается работа изоляции при замыканиях на землю и переходных и переходных процессах, что дает возможность либо снижения уровня изоляции (а следовательно, экономии в затратах), либо повышения надежности работы установок вследствие большего запаса прочности в изоляции, при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали;

3) обеспечивается выполнение четкой, надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты;

4) облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет некоторые недостатки, которые заключаются в следующем:

1) любое однофазное замыкание на землю является полным однофазным коротким замыканием и релейная защита немедленно отключает поврежденный коротким замыканием участок т.е. нарушает бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бестоковых пауз применения быстродействующих устройств АПВ и выполнения систем с резервированием для наиболее ответственных потребителей (повышение затрат, дополнительные капиталовложения и т.п.);

2) значительное электромагнитное влияние на линии связи, что приводит к увеличению затрат на защиту последних;

3) некоторое удорожание релейной защиты в связи с устройством её в трёхфазном исполнении;

4) токи к.з. могут достигать очень больших значений (превышать токи трехфазных к.з.) при замыканиях на землю, и являться причиной динамических разрушающих усилий, распространяющихся на значительную часть системы (разрывы оболочек кабелей, разрушение гирлянд изоляторов на воздушных ЛЭП и т.п.);

5) при больших токах к.з. уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работающие станции – выйти из синхронизма);

6) опасность поражения людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из-за токов к.з. при однофазном замыкании на землю;

7) значительное увеличение затрат на заземления.

Уменьшение токов однофазного к.з. в системе с глухозаземленной нейтралью достигается за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы, либо введения в нейтраль токоограничивающего сопротивления (активного R или индуктивного wL).

Разземление нейтралей у части трансформаторов системы преследует цель уменьшить ток однофазного к.з. до величины тока трехфазного к.з., определяющего необходимую отключающую способность выключателей.

При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление х_р (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкостного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин, ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замыкания на землю. Напряжение неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8¸1,0) U_л (уровень изоляции, как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повышают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.

При заземлении нейтрали через активное сопротивление R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю ( но меньше, чем при заземлении нейтрали через х_р), а напряжения «здоровых» фаз относительно земли могут быть выше, чем в системе с изолированной нейтралью (1,73¸1,9) U_ф. При правильно выбранной величине R устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземленной ней-

трали. С точки зрения коммутационных перенапряжений системы с нейтралью, заземленной через R, аналогичны системам с глухозаземленной нейтралью. Заземление нейтрали через активное сопротивление (см. рис. 1) является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процессах на землю, т.к. R шунтирует емкость фазы обмотки генератора (трансформатора), обуславливая апериодический разряд с постоянной времени T=RC. Наилучшие результаты здесь могут быть получены при величине R равной или близкой к x_c=1/3wC.

Токоограничивающие активное и реактивное сопротивление, заземляющие нейтраль выбирают такой величины, при которой ток замыкания фазы на землю превышает возможный максимальный ток нагрузки.

Система с нейтралью, заземленной через активное сопротивление по сравнению с системой, нейтраль которой заземлена через x_p, имеет следующие недостатки:

1) для достижения одной и той же степени ограничения тока замыкания на землю требуется большая величина сопротивления (R), т.к. сопротивление реактора (x_p) складывается арифметически с индуктивным сопротивлением системы, а, следовательно, и напряжения в системе и потери мощности при коротких замыканиях больше;

2) конструктивно выполнение (подбор) токоограничивающего, активного сопротивления R сложнее, особенно в системах высоких напряжений и больших мощностей, и стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняются вопросы охлаждения).

Введение в нейтраль реактора для ограничения тока однофазного к.з. является, более экономически целесообразным мероприятием, получившим соответствующее распространение. Область применения способа заземления нейтрали через активное сопротивление ограничена в основном генераторами и сетями генераторного напряжения.