Лекция 4 - Режимы работы нейтрали. Режимы работы нейтрали электрических сетей

• Название: Режимы работы нейтрали электрических сетей
• Дата: 10.04.2023
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: Лекция 4 - Режимы работы нейтрали.pptx
• Тип: Документы; #1050177

Режимы работы нейтрали электрических сетей

По распределённым ёмкостям фазных проводников по отношению к земле протекают токи. Эти токи имеют максимальное значение в начале линии и линейно уменьшаются до нуля к её концу. Величина их зависит от суммарной длины проводников в сети и составляет для неразветвленных сетей 6-10 кВ единицы ампер, а для сильно разветвлённых сетей - до ста и более ампер. Ёмкостные токи всегда значительно меньше токов нагрузки электрических сетей, поэтому их влияние на нагрузку не учитывается. Наиболее частым видом повреждений в современных системах электроснабжения является однофазное короткое замыкание на землю случайное электрическое соединение с землёй находящихся под напряжением частей электроустановки с заземлёнными конструктивными частями или непосредственно с землёй. Ток, проходящий через землю в месте замыкания, называется током однофазного замыкания на землю. В распределительных сетях 6-35 кВ эти повреждения составляют не менее 75 % от общего числа повреждений. В сетях 110 и 220 кВ однофазные повреждения изоляции составляют соответственно 80 % и 90 %. Степень опасности замыканий на землю в основном зависит от состояния нейтрали сети, которое имеет непосредственное отношение к проблемам борьбы с авариями и, следовательно, к надёжности обеспечения потребителей электроэнергией. Нейтраль электроустановки - это общая точка обмоток генераторов или трансформаторов, соединённых в звезду и потенциал которой относительно земли при её нормальном режиме работы равен нулю.

• В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на че-тыре группы:
• 1) Сети с изолированной нейтралью, где нейтраль не соединена с землёй

(рис. 1, а). 

• Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или ге-нератора, не присоединённая к заземляющему устройству или присоединённая нему через приборы или аппараты, имеющие большое сопротивление (при-боры сигнализации, измерения, защиты, дугогасящие реакторы, трансформаторы напряжения и другие аппараты).

2. Резонансно-заземлённые (компенсированные) сети, т. е. сети,заземлённые через дугогасящую катушку без сердечника.

3) Сети с глухим заземлением нейтрали на землю.

Короткое замыкание нейтрали на землю принято называть глухим или металлическим замыканием (соединением с землёй).

Глухозаземлённой нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, например, через трансформатор тока.

• 4) Сети с заземлённой нейтралью при соединении с землёй через активное сопротивление (рис. 1, г).

Системы с изолированной нейтралью

В этих сетях нейтраль изолирована от земли. К ней могут быть подключены обладающие большим сопротивлением приборы измерения, сигнализации и защиты, которые не сказываются на особенностях влияния земли на сеть. Расчётная схема замещения системы для нормального симметричного режима работы представлена на рисунке 2, а.

Данная расчётная схема характеризуется следующими значениями линейных и фазных напряжений:

U A = U B = U C = UФ ,

UO =0, 

I C A = I C B = I C C = IC ,

I CA + I CB + I CC = IO =0.

В случае повреждения изоляции и последующего полного замыкания, например, фазы А на землю (рис. 2, б) через место аварии К проходит ток, который замыкается через ёмкостные проводимости относительно земли «здоро-вых» фазных проводов.

В результате получим, что ёмкостной ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному ёмкостному току «здоровой» фазы в нормальном режиме:

I ЗA =3 I C = j 3ωC AU A ,

И зависит от напряжения системы, частоты и ёмкости фазы относительно земли, которая, в свою очередь, зависит от конструкции линий сети и их протяжённости.

Токи однофазного короткого замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью малы по сравнению с токами нагрузки и сами по себе не опасны для системы. При этом работа приёмников электроэнергии в аварийном режиме не нарушается. Возможность бесперебойного электроснабжения приёмников в аварийном режиме однофазного замыкания на землю является основным преимуществом системы с изолированной нейтралью. Однако это преимущество можно использовать без ущерба для срока службы изоляции лишь в тех случаях, когда работа установки с замыканием на землю ограничена сравнительно небольшим периодом времени, необходимым для отыскания и устранения повреждения (не более двух часов), а ток замыкания на землю невелик.

Основными недостатками систем с изолированной нейтралью являются: 

1) повышенные капитальные вложения, вызываемые требуемым уровнем изоляции электроустановок (увеличение напряжения неповреждённых фаз относительно земли до величины линейного напряжения); 2) возможность замыкания фазы на землю через электрическую дугу и появление перемежающихся дуг, имеющих перенапряжения, превосходящие в 2,5–3,2 раза нормальное фазное напряжение, которое распространяется на всю электрически связанную сеть. Рассмотренные недостатки значительно усложняют эксплуатацию систем изолированной нейтралью, ограничивают область их применения системами, где ёмкостной ток однофазного короткого замыкания на землю не может привести к появлению устойчивых перемежающихся дуг.

Согласно ПУЭ системы изолированной нейтралью рекомендуются при ёмкостных токах однофазного КЗ на землю не более:

• 10 А при напряжении сетей 35 кВ;
• 15 А – для сетей от 15 до 20 кВ;
• 20 А – для сетей 10 кВ;
• 30 А – для сетей 6 кВ;
• 5 А – в блоках генератор-трансформатор.

Если токи однофазного КЗ на землю превышают указанные выше значения, то применяют либо компенсацию ёмкостных токов путём введения в нейтраль дугогасящей катушки, либо заземление нейтрали.

Система с нейтралью, заземлённой через дугогасящую катушку:   а – расчётная схема замещения в нормальном режиме работы; б – расчётная схема замещения в аварийном режиме

Для уменьшения ёмкостных токов однофазного замыкания на землю между нейтралью источников или приёмников электроэнергии и землёй вклю-чаются компенсирующие устройства: заземляющие катушки с настроенной ин-дуктивностью или трёхфазные заземляющие трансформаторы. Наибольшее распространение получили заземляющие катушки, называемые также дугогасящими. Расчётные схемы в нормальном и аварийном режимах работы приведены на рисунке 3.
Системы с компенсированной нейтралью

Система с глухозаземлённой нейтралью:  а – расчётная схема замещения в аварийном режиме работы; б – векторная диаграмма напряжений

Однофазное замыкание на землю (например, фазы А) в системе с глухо-заземлённой нейтралью (рис.4) представляет собой однофазное короткое замыкание, так как повреждённая фаза оказывается короткозамкнутой через землю на нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями линий и внутренним сопротивлением источника питания и поэтому является током КЗ. Данный ток практически не зависит от величины сопротивления изоляции и ёмкости системы относительно земли.
Системы с глухозаземлённой нейтралью

При глухом заземлении нейтрали величина тока короткого замыкания может достигать больших значений (сотни ампер).

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали заключаются в следующем: 

• устраняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и связанные с ними последствия;
• облегчается работа изоляции при замыканиях на землю в переходных процессах, что даёт возможность либо снижения уровня изоляции (а следовательно, экономии в затратах), либо повышения надёжности работы установок вследствие большого запаса прочности изоляции при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали; 
• обеспечивается выполнение чёткой, надёжной, селективной и быстро действующей релейной защиты;
• облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет некоторые недостатки, которые заключаются в следующем:

• любое однофазное замыкание на землю является полным однофазным коротким замыканием, и релейная защита немедленно отключает повреждённый коротким замыканием участок, т. е. нарушает бесперебойность электроснабже-ния, что требует для ограничения бестоковых пауз применения быстродей-ствующих устройств автоматического повторного включения (АПВ) и выпол-нения систем с резервированием для наиболее ответственных потребителей (повышение затрат, дополнительные капиталовложения и т. п.);
• значительное электромагнитное влияние на линии связи приводит к увеличению затрат на защиту последнего;
• релейная защита в связи с устройством её в трёхфазном исполнении является более дорогостоящей;
• при больших токах КЗ уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работающие станции – выйти из синхронизма);
• возрастает опасность поражения людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из-за токов КЗ при однофазном замыкании на землю;
• значительно увеличиваются затраты на заземления.

Уменьшение токов однофазного КЗ в системе с глухозаземлённой нейтралью достигается за счёт введения в нейтраль токоограничивающего сопротивления (активного или индуктивного) до величины тока трёхфазного КЗ, определяющего необходимую отключающую способность выключателей.  При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление (реактор) ток месте повреждения будет значительно больше ёмкостного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин, ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замыкания на землю. Напряжение неповреждённых фаз относительно земли в аварийном режиме составляет (0,8–1) UЛ (уровень изоляции, как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повышают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.
Системы с заземлённой нейтралью при соединении с землёй через активное сопротивление
При заземлении нейтрали через активное сопротивление ток в месте по-вреждения будет больше ёмкостного тока замыкания на землю (но меньше, чем при заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление), а напряжения «здоровых» фаз относительно земли могут быть выше, чем в системе с изоли-рованной нейтралью – (1,73–1,9)UФ .  При правильно выбранной величине активного сопротивления устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземлённной нейтрали. Заземление нейтрали через активное сопротивле-ние является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процессах на землю.

Система с нейтралью, заземлённая через активное сопротивление, по сравнению с системой, нейтраль которой заземлена через индуктивное, имеет следующие недостатки; 

• для достижения одной и той же степени ограничения тока замыкания на землю требуется большая величина активного сопротивления, так как индуктивное сопротивление реактора складывается с индуктивным сопротивлением системы, а следовательно, напряжения в системе и потери мощности при коротких замыканиях больше;
• конструктивно подбор токоограничивающего активного сопротивления сложнее, особенно в системах высоких напряжений и больших мощностей, стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняются способы охлаждения).

• Режим нейтрали в сетях напряжением до 1000 В
• Электроустановки напряжением до 1000 В работают как с глухозаземлённой, так и с изолированной нейтралью. При выборе режима нейтрали в сетях напряжением до 1000 В руководствуются соображениями экономии, надёжности и электробезопасности.