2.2.2. Критерии выбора режима нейтрали

При определении критериев выбора способа заземления нейтрали электрической сети учитывают многие аспекты [5]:

1. Надежность электроснабжения потребителей, а именно, возможность или невозможность работы электрической сети во время первого возникшего и сохраняющегося повреждения изоляции между одной из фаз и землей.

2. Технологические условия (напряжение питающей сети, величина тока в месте повреждения, наличие перенапряжений и т.д.).

3. Условия электробезопасности – значения напряжений прикосновения и шага, возникающие при протекании токов в месте повреждения.

4. Сложность построения и обеспечения селективности защит, выявляющих место повреждения (поврежденный участок сети).

5. Экономические факторы (инвестиционные затраты, эксплуатационные расходы, в том числе необходимость в квалифицированном персонале).

6. Национальная и историческая специфика построения и эксплуатации электрических сетей.

При выборе способа заземления нейтрали электрической сети существует противоречие между двумя важными задачами технического характера:

А. Снижение уровня перенапряжений. Значительные перенапряжения вызывают диэлектрический пробой электроизоляционных материалов между фазой и землёй, в результате чего возникают короткие замыкания. Перенапряжения возникают по разным причинам:

1. Грозовые перенапряжения, которым подвержены все воздушные сети вплоть до распределительного пункта потребителей.

2. Внутренние перенапряжения в сетях, вызванные операциями с коммутационными аппаратами и какими-либо критическими состояниями (например, резонанс).

3. Перенапряжения, возникшие в результате горения заземляющей дуги между фазой и землёй.

Б. Снижение тока замыкания на землю I_З (рис. 2.6,б). Слишком большой ток повреждения вызывает ряд последствий:

1. Термические повреждения, вызываемые дугой в точке замыкания, в частности, разрушение изоляции кабелей и воздушных линий, плавление магнитопроводов трансформаторов, вращающихся машин.

2. Опасность для людей в связи с растеканием тока замыкания по земле и оборудованию.

3. Индукция перенапряжений в соседние линии электропередачи и телекоммуникационные цепи (наведенное напряжение).

К сожалению, оптимизация одного из этих показателей автоматически приводит к ухудшению другого. Сравнение двух типичных способов заземления нейтрали показывает этот контраст:

1. В случае с изолированной нейтралью имеют место малые токи, протекающие через место повреждения, но возникают значительные перенапряжения.

2. В случае с глухо заземленной нейтралью перенапряжения сокращаются до минимума, но возникает большие токи в месте повреждения.

Рассмотрим последовательно разные способы заземления нейтрали и их характерные режимы работы.

2.2.3. Электрическая сеть с изолированной нейтралью

В электрической сети с изолированной нейтралью нет никакого специального электрического соединения между нейтралью и землей (рис. 2.7,а). В этих сетях ток, протекающий через место повреждения между фазой и землей I_З, определяется емкостями (С_А, С_В, С_С) и активными (R_А, R_В, R_С) сопротивлениями фаз относительно земли. Емкостные сопротивления во много раз меньше активных сопротивлений (Х_С/r = 0,02–0,05) и определяют емкостный характер тока I_З. Иногда с целью упрощения анализа протекающих процессов активной составляющей тока замыкания пренебрегают. В нормаль­ном режиме работы (рис. 2.7,б) под действием напряжений источника питания сети проходят емкостные то­ки I_АЕ = jωC_АU_А; I_ВЕ = jωC_ВU_В; I_СЕ = jωС_СU_С, опережающие соответ­ствующие напряжения на угол π/2 и в сумме дающие I_АЕ + I_ВЕ + I_СЕ = 0. Напряжения фаз относительно земли в симметричной электрической сети равны фазным напряжениям источника питания U_Аt = U_А, U_Вt = U_В, U_Сt = U_С (см. рис. 2.6,а), а напряжение нейтрали относительно земли – U_N = 0.

Рис. 2.7. Нормальный режим работы сети с изолированной нейтралью

При однофазном замыкании на землю, например, фазы А (рис. 2.8) напряжение на поврежденной фазе относительно земли становится равным нулю U_Аt = 0, напряжения здоровых фаз относительно земли U_Вt и U_Сt возрастают в √3 раза, достигая линейных значений, а напряжение нейтрали увеличивается до фазного значения U_N = U_А [6]. Ток I_АЕ, протекающий через емкость фазы А, уменьшается до нуля, а токи I_ВЕ и I_СЕ, протекающие через емкости здоровых фаз, возрастают в √3 раза и протекают через место замыкания на землю. При этом емкостные токи, обусловленные емкостными сопротивлениями фаз сети относительно земли, формируют ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ)

IЗ = IОЗЗ = IВЕ + IСЕ = jωCΣUА,

(2.1)

где C_Σ = С_А + С_В + С_С – суммарная емкость фаз сети относительно земли.

Рис. 2.8. Режим однофазного замыкания на землю

электрической сети с изолированной нейтралью

Величина тока ОЗЗ I_ОЗЗ измеряется единицами, десятками и довольно редко сотнями ампер. Так, один километр кабельной линии напряжением 10 кВ и сечением 95–120 мм² дает удельный ток примерно 1–2 А/км в зависимости от вида изоляции кабеля (бумажная изоляция или сшитый полиэтилен). В реальной сети ток ОЗЗ I_ОЗЗ состоит из двух составляющих (рис. 2.8,б) емкостной I_Е и активной I_RЕ, между которыми имеется уже названное соотношение I_RЕ / I_Е = 0,02–0,05.

Таким образом, нет необходимости в немедленном устранении этого повреждения и это обстоятельство составляет основное преимущество для электрической сети с изолированной нейтралью – сохранение и обеспечение бесперебойной работы сети и, следовательно, электроснабжения потребителей.

О терминологии. Поскольку при повреждении изоляции между одной фазой и землей не возникает ток короткого замыкания, то его принято называть током однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). Этот же термин применяется в аналогичных случаях и для электрических сетей с резистивным заземлением нейтрали или с компенсированной нейтралью.

При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения предварительную оценку значения емкостного тока проводят с использованием следующей формулы

,

(2.2)

где L_КЛi – длина i-ой кабельной линии; I_УДi – удельный емкостный ток, А/км. В разделе 18 приведены удельные емкостные токи для некоторых типов кабелей.

Недостатки данного метода заземления нейтрали.

1. В случае заземления одной фазы на других фазах напряжения относительно земли возрастают до линейного значения, кроме того, существует вероятность развития дуговых перенапряжений при горении заземляющей дуги в месте повреждения, величина которых может достигать 3–3,5 U_Ф. В результате чего возрастает вероятность возникновения пробоя изоляции здоровых фаз в другом месте сети и возникновения двойного замыкания на землю, которое уже является коротким замыканием, требующим немедленного отключения поврежденного участка сети. В связи с этим, изоляция электрических сетей с изолированной нейтралью выполняется усиленной и становится более дорогостоящей. Например, для электрической сети напряжением 10 кВ изоляция силовых кабелей испытывается выпрямленным напряжением 60 кВ, силовых трансформаторов – напряжением промышленной частоты 30–35 кВ, электродвигателей – напряжением промышленной частоты 16 кВ.

2. Необходимо осуществлять постоянный контроль за состоянием изоляции электрической сети и должен выдаваться сигнал о наличии повреждения.

3. Сложность построения селективной защиты (сигнализации) для поиска повреждённого участка сети (поврежденной линии). Это, в свою очередь, требует повышенного уровня квалификации персонала для обслуживания и эксплуатации этой защиты.

4. Риск возникновения феррорезонансных перенапряжений.

Применение. Данный способ заземления нейтрали часто используется в промышленных, коммунальных городских и сельских электрических сетях напряжением 3–6–10–35 кВ, для которых требуется обеспечить бесперебойную работу. Такой режим работы нейтрали кроме России применяется также в Испании, Италии, Японии и ряде других стран.