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:

а) изолированная нейтраль; б) нейтраль, заземленная через дугогасящую катушку Р (резонансное заземление); в) глухо заземлённая нейтраль; г) нейтраль, заземленная через активное сопротивление (эффективно-заземлённая нейтраль)

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.

Однофазное замыкание на землю нарушает симметрию электрической системы, при этом в зависимости от способа заземления нейтрали, системы по-разному реагируют на однофазное замыкание на землю.

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:

Y_a=g_a+jwC_a

Y_b=g_b+jwC_b

Y_c=g_c+jwC_c (1)

Y_o=g_o+jwC_o;

где: g_a, g_b, g_c, g_о – активные проводимости изоляции между фазными поводами (a, b, c) нулевым проводом (о) и землей;

C_a ,C_b ,C_c ,C_о -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 заземляющего устройства r_з (Y_o=1/ r_з);

- сопротивление дугогасящей катушки z_k = r_k+jwL_k [Y_o=1/(r_k+ jwL_k)].

Здесь: r_k и L_k -соответственно активное сопротивление и индуктивность катушки.

-активное сопротивление;

-реактивное индуктивное сопротивление дугогасящей катушки L(Y₀=1/ jwL).

В системе с изолированной нейтралью Y_o=0

В системе 3-х фазных напряжений при симметричной нагрузке (g_a=g_b=g_c и C_a=C_b=C_c) 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: I_a=I_b=I_c и геометрическая сумма их равна нулю, т.е. _a+ _b+ _c=0 и ₀=0, напряжение смещения нейтрали U_00¢=0

При нессиметрии нагрузки по активной (g_a¹g_b¹g_c) или реактивной (C_a ¹C_b¹C_c) составляющим, симметрия фазных напряжений нарушается. Напряжение смещения нейтрали U_00' 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=е^j2/3p, учитывающий сдвиг фаз.

Примем, что _a=U_ф (фаза А – основная), тогда напряжение в фазе В отстает: _b=a²U_ф, а напряжение в фазе С опережает: _c=aU_ф 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.