Эффективно заземленная нейтраль
При эффективном и глухо заземлении нейтрали всякое замыкание одной фазы является однофазным КЗ, сопровождающимся значительным током через место повреждения, и должно привести к срабатыванию защитных устройств, отключающих поврежденный участок от системы. На мощных подстанциях токи замыкания на землю могут достигать десятков килоампер. Чтобы частые отключения линий из-за замыканий на землю не нарушали надежности питания потребителей, на таких линиях применяют однофазное или трехфазное автоматическое повторное включение (АПВ).
Наибольшее распространение среди систем высокого напряжения получили системы с эффективно заземленными нейтралями. У таких систем нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов заземлены наглухо или через реакторы с небольшим индуктивным сопротивлением с таким расчетом, чтобы при замыкании напряжения неповрежденных фаз относительно земли не превышали 1,4 Uф, а однофазный ток КЗ в любой точке системы был не менее 60 % тока трехфазного КЗ в той же точке. В системах с эффективно заземленной нейтралью кратность внутренних перенапряжений (k = Uвн / Uф) в момент замыкания не превышает 2,5.
Глухое и эффективное заземление нейтралей предупреждает возникновение в системе дуговых перенапряжений большого значения и приводит к облегчению их изоляции по отношению к земле, а следовательно, к снижению затрат на их сооружение; причем экономия в затратах увеличивается с ростом напряжения системы.
Системы с эффективно и глухозаземленной нейтралью относят к системам с большими токами замыкания на землю (Iз > 500 А).
Для ограничения токов замыкания на землю искусственно увеличивают сопротивление нулевой последовательности Zо за счет заземления только части нейтралей трансформаторов (одного или двух) на подстанции или заземления нейтралей через сопротивления. Однако такое увеличение приводит к дополнительному повышению напряжения на неповрежденных фазах при несимметрии КЗ.
Рассмотрим систему с глухозаземленной нейтралью при однофазном замыкании на землю фазы (рисунок а)). В этом случае напряжения на неповрежденных фазах определяют из выражений:
Ub’ = — ((3*Zо + j√3*(Zо + 2*Z2) / (2*(Z1+Z2+Zо)) * Еэ;
Uc’ = — ((3*Zо — j√3*(Zо + 2*Z2) / (2*(Z1+Z2+Zо)) * Еэ,
где Еэ — ЭДС эквивалентного генератора, численно равная напряжению в месте КЗ перед его возникновением.
Ток однофазного замыкания определяется суммой токов прямой, обратной и нулевой последовательностей, то есть:
Iз = Ia1+Ia2+Iaо = 3*Ia1,
где Ia1 = Ia2 = Iaо
На рисунке б) представлена векторная диаграмма при КЗ фазы L1 для системы с индуктивными сопротивлениями.
Векторная диаграмма получается симметричной, поскольку IUc’I = IUb’I, а концы векторов Uc’ и Ub’ скользят по прямым, параллельным вектору Uл.
Внутренние перенапряжения в системе зависят от числа заземленных нейтралей трансформаторов. Чем больше это число, тем меньше значения перенапряжений. Однако заземление большого количества нейтралей приводит к значительному увеличению тока однофазного КЗ. Поэтому, например, в системах напряжением 110 В заземляют столько нейтралей трансформаторов, сколько необходимо для создания эффективного режима работы нейтрали в системе. Иногда для уменьшения однофазного тока КЗ нейтрали трансформаторов заземляют через активное или индуктивное сопротивление. При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление ток в месте повреждения будет значительно больше емкостного тока замыкания на землю, но не более допустимых значений, ограниченных появлением устойчивого дугового замыкания на землю. Такое заземление нейтрали повышает устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивает коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.
При заземлении нейтрали через активное сопротивление ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю, но меньше, чем при заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление. Напряжения на неповрежденных фазах при этом достигают значений (1,73 — 1,9) Uф. При правильно выбранном значении активного сопротивления устойчивость системы при однофазных замыканиях выше, чем при глухом заземлении нейтрали. Надежность заземления нейтрали через активное сопротивление выше, чем через индуктивное. Однако введение в нейтраль индуктивного сопротивления (реактора) для ограничения тока однофазного КЗ является более экономичным, чем заземление нейтрали через активное сопротивление. Последнее находит применение при заземлении нейтралей генераторов.
Основными недостатками систем с эффективно и глухозаземленной нейтралью являются: любое однофазное замыкание на землю равносильно КЗ и релейная защита немедленно отключает поврежденный участок (нарушается бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бестоковых пауз применения быстродействующих АПВ и выполнения систем с резервированием для наиболее ответственных потребителей); значительное электромагнитное влияние на линии связи; удорожание релейной защиты в связи с устройством ее в трехфазном исполнении; значительные токи КЗ, приводящие к механическому разрушению электрооборудования; опасность поражения людей из-за больших напряжений прикосновения и шага и токов КЗ при однофазном замыкании на землю; значительное увеличение затрат на ЗУ.
Электрические сети с эффективно заземленной нейтралью
Эффективно заземленной нейтралью называется заземленная нейтраль трехфазной электросети с напряжением более 1 кВ, у которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4.
Что это значит? Напряжение между фазой и землей в случае замыкания одной или двух других фазных проводников на землю нужно разделить на напряжение между фазой и землей в данной точке до момента замыкания на землю, и частное не должно оказаться больше 1,4.
Другими словами, если замыкание фазы на землю происходит в трехфазной сети с изолированной нейтралью, то напряжение между остальными фазами и землей возрастает примерно в 1,73 раза, в то же самое время, для сети с эффективно заземленной нейтралью это значение не превышает 1,4.
Данный аспект важен если речь идет о сетях высокого напряжения, где благодаря эффективно заземленной нейтрали нет необходимости увеличивать количество изоляции в оборудовании и в самих сетях, то есть производство сетей и аппаратов, которые будут работать в условиях с эффективно заземленной нейтралью всегда окажется дешевле.
Международная электротехническая комиссия рекомендует сети сверхвысокого и высокого напряжения, с соединенными с землей нейтралями, либо с нейтралями, соединенными с землей через малое активное сопротивление, относить к сетям с эффективно заземленной нейтралью. В частности в России сети напряжением от 110 кВ относятся к сетям с эффективно заземленной нейтралью.
Согласно правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей, для сетей с эффективно заземленной нейтралью регламентировано максимальное сопротивление заземляющего устройства в 0,5 Ом с учетом естественного заземления, причем искусственное заземляющее устройство не должно иметь сопротивление больше 1 Ом. Это касается электроустановок с напряжением от 1 кВ, у которых ток замыкания на землю превышает 500 А.
Данное положение диктуется необходимостью прохождения через устройство больших токов в случае короткого замыкания на землю, когда напряжение сети является сверхвысоким или высоким, и требованием ограничить напряжение между исправными фазами и землей, дабы понизить в условиях аварии опасные превышения шаговых напряжений и напряжений прикосновения, а также выносов потенциалов за пределы подстанции.
Необходимо равномерное распределение потенциалов на территории подстанции, а также исключение возникновения шаговых напряжений на расстоянии от подстанции, что достигается применением устройств выравнивания потенциалов, являющихся обязательной частью заземляющих устройств для эффективно заземляемых нейтралей.
Важные нюансы и требования при выполнении заземляющих устройств для сетей с эффективно заземленными нейтралями привносят трудности в их расчет и возведение, делают эти сооружения материалоемкими, особенно если грунт обладает высоким удельным сопротивлением, как то скальный, каменистый или песчаный грунт. Условия возведения оказываются стесненными.
Безусловно, некоторые так называемые недостатки свойственны сетям с эффективно заземленной нейтралью, и они типичны. Через заземленную нейтраль трансформатора, при коротком замыкании на землю, возникает значительный ток короткого замыкания, и это должно быстро устраняться отключением, благодаря устройствам релейной защиты.
Главным образом короткие замыкания на землю в высоковольтных сетях от 110 кВ самоустраняются, и благодаря устройствам автоматического повторного включения электроснабжение восстанавливается. Для возможности отвода больших токов сооружают контуры заземления, которые получаются, однако, дорогими.
Токи однофазного короткого замыкания на землю, в случае большого количества заземленных трансформаторных нейтралей, могут превышать ток трехфазного замыкания, и, чтобы устранить такое положение вещей, вводят режим частичного разземления трансформаторных нейтралей, для этого часть трансформаторов (110-220 кВ) не заземляют, их нейтрали изолируют, соединяя с разомкнутыми разъединителями. Либо ограничивают ток короткого замыкания трансформатора на землю путем заземления его нейтрали через специальное активное сопротивление.
Для каждого из участков сети путем расчетов находят минимальное количество заземленных нейтралей. Исходя из требований к релейной защите для поддержания токов замыкания на землю на определенном уровне, и с целью обеспечения защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений, выбирают подходящие точки заземления энергосистемы.
Дело в том, что трансформаторы на 110 — 220 кВ, традиционно для наших производителей, отличаются пониженной изоляцией нейтралей, например для трансформаторов на 110 кВ с регулировкой напряжения под нагрузкой, изоляция нейтрали соответствует 35 кВ, поскольку со стороны нейтрали включаются переключающие устройства с классом изоляции 35 кВ. Это же касается и трансформаторов на 220 кВ. Экономический эффект получается значительным.
Такие трансформаторы предназначены для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, и напряжение при коротком замыкании на землю с таких сетях не превысит трети линейного значения, то есть 42 кВ для 110 кВ.
Для защиты от перенапряжений разземленных нейтралей, для защиты в ненагруженных режимах при неполнофазных включениях или отключениях трансформаторов с изолированными нейтралями, применяют устройства защиты от кратковременных перенапряжений — вентильные разрядники. Нейтрали защищают разрядниками на предельно допустимое напряжение гашения в 50 кВ.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Виды нейтралей в электрических сетях
Система заземления TN
В этой системе нейтраль глухозаземлена, а открытые проводящие части заземлены через эту глухозаземленную нейтраль. Глухозаземленная – это значит, что нейтраль присоединена непосредственно к заземляющему устройству (болтом, сваркой) или через малое сопротивление (трансформатор тока).
В сетях до 1кВ глузозаземленная нейтраль используется для питания однофазных и трехфазных нагрузок.
Система заземления TT
Система TT предполагает, что нейтраль источника питания глухозаземлена, а ОПЧ оборудования заземлены заземляющим устройством электрически несвязанным с нейтралью источника. То есть защитный PE-проводник создается у самого потребителя, а не идет от источника питания.
Система заземления IT
В системе IT нейтраль генератора или трансформатора изолирована или заземлена через устройства, имеющие высокое сопротивление, а ОПЧ заземлены независимо. Эта система не рекомендуется для жилых зданий, используется там, где при первом замыкании на землю не требуется перерыв питания. Это могут быть электроустановки с повышенными требованиями надежности снабжения электроэнергией.
Виды заземления нейтрали в электросетях выше 1кВ
В сетях напряжением выше 1000В используется изолированная (незаземленная) нейтраль, эффективно заземленная нейтраль и резонансно-заземленная нейтраль. Глухозаземленная нейтраль используется только в сетях до 1кВ.
Сети с незаземленной (изолированной) нейтралью
Исторически первая система заземления. Нейтральная точка источника питания не присоединена к заземляющему устройству. Обмотки соединены в треугольник и выходит, что нулевая точка отсутствует. Применяется на напряжение 3-35кВ.
Сети с эффективно-заземленной нейтралью
Этот вид заземления используется в сетях напряжением выше 110кВ. Достоинство заключается в том, что при однофазных замыканиях на неповрежденных фазах напряжение относительно земли будет равно 0,8 междуфазного в нормальном режиме работы. В этой системе сам контур заземления выполняется с учетом протекания больших токов КЗ, что делает его сложным и дорогим.
Сети с нейтралью, заземленной через резистор или реактор
Применяется в сетях 3-35 кВ. Используется для уменьшения величины токов КЗ. Исторически был вторым способом заземления нейтрали. Заземление через резистор используется во всем мире, через реактор – в странах бывшего союза.
Заземление через реактор – при отсутствии замыкания ток через реактор мал. Когда происходит замыкание фазы на землю, то через место повреждения течет емкостной ток КЗ и индуктивный ток реактора. Если их величина равна, то в месте замыкания отсутствует ток (явление резонанса).
Заземление через резистор бывает низкоомным и высокоомным. Разница в величине тока, создаваемым резистором при замыкании на землю. Высокоомное применяется в сетях с малыми емкостными токами, в этом случае замыкание можно не отключать немедленно. Низкоомное заземление наоборот используется при больших емкостных токах.
- величина емкостного тока сети;
- допустимая величина однофазного замыкания;
- возможности отключения однофазного замыкания;
- вида и типа релейных защит;
- безопасности персонала;
- наличия резерва.
Эффективно заземленная нейтраль
Эффективно заземленная нейтраль — при режиме работы с эффективно заземленной нейтралью, часть нейтралей электроустановок присоединяются к контуру заземления также, как и в случае глухозаземленной нейтрали, часть же электроустановок, с целью уменьшения токов коротких замыканий на землю, оказывается целесообразным часть нейтралей трансформаторов оставить незаземленными. Работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью.