Пояснения к работе. Режим работы нейтрали трансформатора
Режим работы нейтрали трансформатора. В настоящее время в промышленности применяют в основном трехфазные сети с изолированной и глухо-заземленной нейтралью трансформатора.
При применении сети с изолированной нейтралью, при прикосновении человека к одной из фаз или к корпусу электрооборудования, находящегося под напряжением, ток, протекающий через тело человека будет меньше, чем в сетях о глухо-заземленной нейтралью. Он зависит от сопротивления изоляции двух других фаз относительно земли, а в сетях с глухо-заземленной нейтралью не зависит. Рассмотрим рис.1. Изоляция каждого провода относительно земли имеет электрическое сопротивление хотя и большого, но конечного значения, так что через изоляцию и землю всегда протекает некоторый весьма малый ток, называемый током утечки. Условно сопротивления изоляции трех фаз R1, R2 , R3 изображены присоединенными к проводам, каждое в одной точке. На самом деле в исправной сети токи утечки распределяются равномерно по всей длине провода. Кроме активных сопротивлений изоляции, есть реактивные сопротивления изоляции из-за некоторой электрической емкости между жилой каждого провода и землей. Через эти сопротивления X1 , Х2 , ХЗ при переменном напряжении в сети протекают емкостные токи, которые тоже равномерно распределены по длине проводов.
Рис.1. Схема прикосновения к проводу в трехфазной сети с изолированной нейтралью.
Если в какой-либо точке любого провода произойдёт повреждение изоляции, то возникающее электрическое соединение с землей в сети с изолированной нейтралью называется однофазным замыканием на землю. Такое соединение с землей не является замыканием на землю и не является коротким замыканием, потому что на пути тока от провода с поврежденной изоляцией к токоведущим жилам проводов других фаз будет активное сопротивление изоляции и емкостное сопротивление этих проводов относительно земли.
Ток однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью значительно меньше тока короткого замыкания между проводами или между проводами и землей в сети с заземленной нейтралью. Если замыкание на землю произойдет через тело человека, то в сети с изолированной нейтралью ток через человека будет значительно меньше, чем в сети с заземленной нейтралью. По этой причине в шахтах и на торфоразработках электрические сети напряжением до 1000 В работают с изолированной нейтралью.
Основной защитные мероприятиями от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью является применение защитного заземления, а также защитного отключения с помощью реле утечки. В сетях с глухо-заземленной нейтралью для защиты от поражения электротоком применяется защитное зануление и защитное отключение с помощью плавких вставок предохранителей, расцепителей тепловой защиты или электромагнитного расцепителя.
Защитное заземление. С целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала при возникновении корпусных потенциалов в системе с изолированной нейтралью применяется защитное заземление. Оно представляет собой преднамеренное соединение с землей металлических частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением посредством заземляющих проводников и заземлителей. Сопротивление защитного заземления не должно превышать величины, предусмотренной "Правилами устройства электроустановок". Для электроустановок напряжением до 1000В с изолированной нейтралью сопротивление защитного заземления
При суммарной мощности 100 кВА и менее генераторов или трансформаторов, работающих параллельно, заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом.
Действие защитного заземления заключается в следующем. При прикосновении человека к корпусу заземленного оборудования, случайно оказавшегося под напряжением ток замыкания разветвляется по параллельно включенные сопротивлениям защитного заземления R3 и тела человека Rчел (см. рис.1). Ток, проходящий через тело человека, определяется формулой.
Как видно из приведенной формулы, ток, проходящий через тело человека, уменьшается при снижении величины сопротивления защитного заземления, т.е.
Таким образом при малых значениях сопротивлений защитных заземлений R3 , шунтирующих тело человеке, величина тока 
может быть безопасной для поражения человека.
Компенсация емкостных токов. Сети с изолированной нейтралью при нормальном состоянии изоляции являются менее опасными при однополюсном прикосновении человека, чем с глухо-заземленной нейтралью. Однако при наличии большой емкости между фазными проводами и землей сети с изолированной нейтралью теряют это преимущество. Особенно большой емкостью обладают кабельные сети большой протяженности.
Для снижения емкостного тока в сетях с изолированной нейтралью между нейтралью трансформатора и землей включают индуктивное сопротивление (рис..2). В результате чего ток через тело человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов, будет значительно меньше из-за происходящих резонансных процессов. Расчет компенсации емкостных токов - вопрос довольно сложный выходит за пределы программы.
Защитное зануление. С целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала электроустановки от опасного напряжения прикосновения при замыкании фазы на корпус в системе с глухо-заземленной нейтралью напряжением до 1000 В устраивается защитное зануление. Для осуществления такой защиты все металлические части установки, которые нормально не находятся под напряжением, соединяются металлической связью с нейтралью трансформатора, которая заземлена (рис.3). Основное назначение зануления заключается в обеспечении быстрого автоматического отключения участка сети с однополюсным замыканием тока на корпус или нулевой провод с помощью автоматических выключателей, плавных вставок предохранителей и т.д.
Рис.2. Схема трехфазной сети с изолированной нейтралью и включенным индуктивным сопротивлением
Для достижения кратковременности аварийного режима необходимо так подобрать сечение нулевого провода ( 
), чтобы при однофазном замыкании на корпус на любом участке сети возникал ток короткого замыкания, превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя, в 3 раза номинальный ток расцепителя тепловой защиты и в 2,25-2,4 раза ток уставки электромагнитного расцепителя (отсечки) автоматического выключателя. Ток короткого замыкания определяется по формуле
где UФ - фазное напряжение сети. В; Zn- полное сопротивление петли короткого замыкания, включающее сопротивление фазного и нулевого проводов, Ом; ZT- полное сопротивление фазной обмотки трансформатора Ом.
Если величина тока короткого замыкания Iкз не будет удовлетворять вышеуказанным величинам превышений отключающего тока, то защита не обеспечит быстрого отключения поврежденного электрооборудования, а следовательно, возникнет опасность для обслуживающего персонала.
Рис.3. Схема трехфазной сети с
глухозаземленной нейтралью
На Рис.3. показан стрелками путь движения тока Iкз по контуру, в котором возникает короткое замыкание. При этом происходит размыкание за счет расплавления плавкой вставки предохранителя ПрЗ.
Контрольные вопросы
1. Какие вы знаете режимы работы нейтрали трансформатора?
2. Что такое защитное заземление и как оно осуществляется?
3. Объясните принцип работы защитного заземления.
4. Что такое компенсация ёмкостных токов, как она срабатывает?
5. Что такое зануление оборудования, как оно осуществляется?
6. Объясните принцип защиты зануления.