Системы с компенсированной нейтралью

Для уменьшения емкостных токов однофазного замыкания на землю между нейтралью источников или приемников электроэнергии и землей включаются компенсирующие устройства: заземляющие катушки с настроенной индуктивностью или трехфазные заземляющие трансформаторы. Наибольшее распространение получили заземляющие катушки, называемые также дугогасящими которые состоят из сердечника и обмотки, размещенных в кожухе, заполненной трансформаторным маслом. Индуктивность катушки L_k регулируется изменением числа витков или величины зазора сердечника.

Активное сопротивление катушки r_k по сравнению с индуктивным мало.

Принцип компенсации емкостных токов с помощью дугогасящей катушки и заземляющих трансформаторов практически одинаков. Поэтому, рассмотрим аварийный режим в системе свыше 1кВ с компенсацией емкостных токов однофазного к.з. на землю с помощью дугогасящей катушки /2/. Расчетные схемы в нормальном и аварийном режимах работы приведены на рис. 4.

Рис. 4. Система с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку:

а) расчетная схема замещения в нормальном режиме; б) расчетная схема замещения в аварийном режиме

Условия нормального режима аналогичны приведенным выше для изолированной нейтрали, ток в катушке I_k равен нулю. Как и ранее, рассмотрим замыкание на землю фазы А, напряжения поврежденной и «здоровых» фаз В и С относительно земли и емкостные токи в фазах изменяются также как в системе с изолированной нейтралью, т.е. а углы между векторами , равны 60° (см. векторную диаграмму на рис. 3). При этом, дугогасящая катушка оказывается под фазным напряжением (U_00’=U_ф) и через место замыкания на землю протекает емкостный ток замыкания на землю I_ЗА, и индуктивный ток катушки , которые отличаются по фазе на 180° и, следовательно, компенсируют друг друга. Поэтому при резонансной настройке катушки теоретически результирующий ток в месте замыкания на землю I_З.А.рез должен быть равен нулю, т.е.

(8)

Однако точно выполнить условие (8) очень сложно по следующим причинам:

1) даже при полной компенсации емкостного тока замыкания на землю, через место аварии течет, так называемый остаточный ток I_a.0 обусловленный активной проводимостью катушки, активными токами утечки и прочими причинами, которые в основном зависят от состояния изоляции сети;

2) периодические включения и отключения отдельных линий системы приводят к постоянным изменениям величины емкостного тока сети I_C, что требует постоянной регулировки индуктивности катушки для выполнения условий полной компенсации;

3) для четкого срабатывания устройств релейной защиты, реагирующей на однофазные замыкания на землю необходимо, чтобы величина I_з.рез. была не менее величины тока срабатывания защиты (в противном случае требуется применение более сложных релейных защит, селективно работающих от токов переходного процесса при замыкании на землю в сетях с полной компенсацией установившегося емкостного тока).

Результирующий ток замыкания на землю фазы в системе с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку может быть определен из уравнения:

(9)

а при условии резонанса

Рис. 5. Система с нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку. Векторная диаграмма в аварийном режиме

При хорошей (резонансной или близкой к ней) настройке катушки результирующей ток однофазного замыкания на землю не превосходит предельных значений с точки зрения устойчивой дуги, т.е. исключается возможность существования устойчивой дуги, что является основным преимуществом рассматриваемого способа заземления заземления нейтрали по сравнению с изолированной нейтралью. Кроме того, системы с компенсацией емкостных токов при однофазном замыкании на землю характеризуются следующими положительными факторами:

1) при развитии замыкания на землю предупреждается на ранней стадии развивающийся пробой изоляции электроустановок;

2) переходящие замыкания на землю ликвидируются, причем 70-90% таких замыканий ликвидируются без отключения; медленно возрастает напряжение в месте повреждения до U_ф, что способствует возрастанию электрической прочности изоляции;

3) при устойчивых замыканиях на землю, ток, проходящий через место замыкания, снижается до нескольких процентов емкостного, разрешается работа приемников на период устранения повреждения, т.е. число отключений у потребителя и время перерывов в энергоснабжении минимальны;

4) градиенты напряженности электромагнитного поля вблизи места повреждения значительно снижены, что обеспечивает безопасность людей;

5) отсутствие больших электромагнитных влияний.

К недостаткам систем, заземленных через дугогасящую катушку, можно отнести:

1) повышенные капитальные затраты, вызываемые повышенными требованиями к уровню изоляции электроустановок (аналогично системам с изолированной нейтралью);

2) сложность эксплуатации систем с компенсированной нейтралью из-за необходимости постоянно вести наблюдение за состоянием компенсации и трудности в определении места повреждения, если оно не развилось;

3) возможность повышения напряжения “здоровых” фаз относительно земли больше линейного и существование перенапряжений, если нет точной настройки и дуга устойчива;

4) увеличение капитальных вложений и эксплутационных расходов в связи с установкой дугогасящих аппаратов по сравнению с системой с изолированной нейтралью;

5) сложность релейной защиты и, следовательно, повышенные затраты (капитальные и эксплутационные).

Согласно ПУЭ дугогасящие катушки применяются в установках напряжением 35 кВ при токах однофазного к.з. на землю более 10 А и в установках 6-10 кВ при токах к.з. более 30 А. Во всех сетях

с компенсированной нейтралью с помощью симметрирования емкостей фаз поддерживают значения U_00’ в пределах не более (0.005¸0.0075) U_ф, что позволяет удерживать напряжение между нейтралью и землей в пределах (0,1¸0,15)U_ф.