Режим нейтрали

Нейтралями электроустановок называют общие точки трехфазных обмоток генераторов или трансформаторов, соединенных в звезду. В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы: 1) сети с незаземленными (изолированными) нейтралями; 2) сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями; 3) сети с эффективно заземленными нейтралями; 4) сети с глухозаземленными нейтралями. Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ, гл. 1.2).    Сети с номинальным напряжением до 1 кВ, питающиеся от понижающих трансформаторов, присоединенных к сетям с Uном > 1 кВ, выполняются с глухим заземлением нейтрали.    Сети с Uном до 1 кВ, питающиеся от автономного источника или разделительного трансформатора (по условию обеспечения максимальной электробезопасности при замыканиях на землю), выполняются с незаземленной нейтралью.    Сети с Uном = 110 кВ и выше выполняются с эффективным заземлением нейтрали (нейтраль заземляется непосредственно или через небольшое сопротивление).    Сети 3 — 35 кВ, выполненные кабелями, при любых токах замыкания на землю выполняются с заземлением нейтрали через резистор.    Сети 3—35 кВ, имеющие воздушные линии, при токе замыкания не более 30 А выполняются с заземлением нейтрали через резистор. Компенсация емкостного тока на землю необходима при значениях этого тока в нормальных условиях: -    в сетях 3 - 20 кВ с железобетонными и металлическими опорами ВЛ и во всех сетях 35 кВ - более 10 А; -    в сетях, не имеющих железобетонных или металлических опор ВЛ:      при напряжении 3 - 6 кВ - более 30 А;      при 10 кВ - более 20 А;      при 15 - 20 кВ - более 15 А; -   в схемах 6 - 20 кВ блоков генератор - трансформатор - более 5А.  При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется установка не менее двух заземляющих дугогасящих реакторов.   Электротехнические установки напряжением выше 1 кВ согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) разделяются на установки с большими токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю превышает 500 А) и установки с малыми токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю меньше или равна 500 А). В установках с большими токами замыкания на землю нейтрали присоединены к заземляющим устройствам непосредственно или через малые сопротивления. Такие установки называются установками с глухозаземленной нейтралью. В установках, имеющих малые токи замыкания на землю, нейтрали присоединены к заземляющим устройствам через элементы с большими сопротивлениями. Такие установки называются установками с изолированной нейтралью. В установках с глухозаземленной нейтралью всякое замыкание на землю является коротким замыканием и сопровождается большим током. В установках с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не является коротким замыканием (КЗ). Прохождение тока через место замыкания обусловлено проводимостями (в основном, емкостными) фаз относительно земли. Выбор режима нейтрали в установках напряжением выше 1 кВ производится при учете следующих факторов: экономических, возможности перехода однофазного замыкания в междуфазное, влияние на отключающую способность выключателей, возможности повреждения оборудования током замыкания на землю, релейной защиты и др. В электрических сетях приняты следующие режимы работы нейтрали: • электрические сети с номинальными напряжениями 6...35 кВ работают с малыми токами • замыкания на землю; • при небольших емкостных токах замыкания на землю - с изолированными нейтралями; • при определенных превышениях значений емкостных токов - с нейтралью, заземленной • через дугогасящий реактор. Если в одной из фаз трехфазной системы, работающей с изолированной нейтралью, произошло замыкание на землю, то напряжение ее по отношению к земле станет равным нулю, а напряжение остальных фаз по отношению к земле станет равным линейному, т. е. увеличится в 3 раз.  Ток замыкания на землю будет небольшим,  поскольку вследствие изоляции нейтрали отсутствует замкнутый контур для его прохождения.  Ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью будет небольшим и не вызовет аварийного отключения линии.  Таким образом, изоляция нейтрали источника питания обеспечивает надежность электроснабжения, так как не отражается на работе потребителей. Однако в сетях с большими емкостными токами на землю (особенно в кабельных сетях) в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и вновь зажигается, что наводит в контуре с активными, индуктивными и емкостными элементами э.д.с, превышающие номинальные напряжения в 2,5...3 раза. Такие напряжения в системе при однофазном замыкании на землю недопустимы. Чтобы предотвратить возникновение перемежающихся дуг между нейтралью и землей включают индуктивную катушку с регулируемым сопротивлением. Повышение напряжения по отношению к земле в неповрежденных фазах при наличии слабых мест в изоляции этих фаз может вызвать междуфазное короткое замыкание,. Кроме того, напряжение в неповрежденных фазах повышается в 3 раз, следовательно, требуется выполнять изоляцию всех фаз на линейное напряжение, что приводит к удорожанию машин и аппаратов. Поэтому, хотя и разрешается работа сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, его требуется немедленно обнаружить и устранить. Электрические сети с номинальным напряжением 110 кВ и выше работают с большими токами замыкания на землю (с эффективно заземленными нейтралями).   Для автономных передвижных установок нейтраль выбирается изолированной. Согласно "Правил устройств электроустановок" при питании стационарных электроприемников от автономных источников питания режим нейтрали источника питания и защитные меры должны соответствовать режиму нейтрали и защитным мерам, принятым в сетях стационарных электроприемников. Поэтому, для дизель-генераторов, используемых в качестве "резерва промышленной сети", нейтраль выбирается глухозаземленной. Типы режимов нейтрали электрических сетей Различают пять типов сетей трёхфазного переменного тока: 1. Трёхпроводная сеть с изолированной от земли нейтралью. В качестве защитного мероприятия применяют заземление корпусов электрооборудования. Буквенное обозначение IT. I – от французского слова isole, T – от французского слова terre – земля. 2. Трёхпроводная сеть с глухо заземлённой нейтралью с местным защитным заземлением корпусов. 1-я Т – заземление нейтрали, 2-я Т –заземление корпусов оборудования. 3. Четырёхпроводная сеть с глухо заземлённой нейтралью с использованием нейтрали для зануления корпусов электрооборудования.  1-я Т – заземление нейтрали, 2-я  N – заземление корпусов через нейтральный проводник (N от neutre – нейтральный), 3-я С – что этот проводник является одновременно рабочим и защитным (С от combine – комбинированный, совместный).   4. Пятипроводная сеть с глухо заземлённой нейтралью и отдельными рабочим и защитным нейтральным (нулевым) проводниками –сеть TN-S. Буква S – от слова separate – «раздельный». 5. Частично четырёх -, и частично пятипроводная сеть с глухо заземлённой нейтралью – сеть TN – C – S.        Важным при работе электрической сети является режим ее нейтрали, а также возможность иметь линейные (междуфазные) и фазные напряжения для электроприемников до 1 кВ. Под нейтралью электрической сети понимается совокупность нейтральных точек обмоток трансформатора (нулевой потенциал обмоток, соединенных в звезду) и соединяющих их проводников. Нейтраль может быть изолирована от земли, соединена с землей через активные или реактивные сопротивления, а также глухо заземленной. Выбор режима работы нейтрали определяется надежностью и экономичностью работы электроустановок, безопасностью их обслуживания. Электроустановки напряжением до 1 кВ выполняются с изолированной или глухозаземленной нейтралью. Глухое заземление нейтрали может выполняться на напряжении 220/ 127, 380/220, реже — 660/380 В. Нулевой провод в четырехпроводной сети обеспечивает равенство фазных напряжений при неравномерной загрузке фаз от однофазных электроприемников. Трехфазные сети с заземленной нейтралью позволяют питать совместно трех- и однофазные нагрузки, например, трехфазные — на линейном напряжении 380 В, однофазные — на фазном напряжении 220 В. : Установки с изолированной нейтралью применяются в условиях с повышенными требованиями к безопасности (торфяные разработки, угольные шахты, передвижные электроустановки),  Электроустановки напряжением выше 1 кВ по виду режима нейтрали подразделяются на: электроустановки в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю); в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).       В электрических сетях напряжением 110 кВ и выше используется эффективное заземление нейтрали. Электрической сетью с эффективно заземленной нейтралью называется трехфазная электрическая сеть выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Коэффициентом замыкания на землю называется отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю другой (или двух других) фазы к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания.       Электрические сети напряжением 6—35 кВ выполняются с изолированной или компенсированной, т.е. соединенной, например, через индуктивность (дугогасящую катушку), нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю через место повреждения будут проходить емкостные токи, обусловленные напряжением и емкостью неповрежденных фаз. Включение в нейтраль активных или реактивных сопротивлений вызвано необходимостью ограничения емкостных токов на землю. Так, эти токи не должны превышать в нормальных режимах: в сетях 3—20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях, и во всех сетях 35 кВ — 10 А; в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях: при напряжении 3—6 кВ — 30 А, при 10 кВ — 20 А, при 15—20 кВ — 15 А.       В сетях с изолированной нейтралью необходимо учитывать следующее. 1.При неравномерной загрузке фаз трехпроводной электрической сети имеет место напряжение смещения нейтрали, при этом каждая из фаз будет находиться под напряжением, отличным от фазного. Особенно это важно учитывать для сетей напряжением до 1 кВ. 2.Замыкание одной фазы на землю считается не аварийным, а лишь анормальным режимом. При его возникновении сеть и поврежденная линия могут оставаться включенными и в течение некоторого времени продолжать работу. Замыкание на землю практически не влияет на систему междуфазных напряжений и режим работы электроприемников. Таким образом увеличивается надежность электроснабжения потребителей. 3.При замыкании на землю одной фазы напряжение двух других фаз относительно земли увеличивается в л/3 раз. В связи с этим изоляция всех фаз предусмотрена на линейное напряжение. При напряжении до 35 кВ это не вызывает существенного удорожания сети. 4.При больших токах однофазного замыкания дуга в месте короткого замыкания устойчиво и длительно горит, вызывая перенапряжения, опасные для изоляции неповрежденных фаз, и переход однофазного короткого замыкания в междуфазное. При глухом заземлении нейтрали всякое замыкание одной фазы на землю является однофазным коротким замыканием и должно привести к срабатыванию защитных аппаратов, отключающих поврежденный участок от сети.       Системы электроснабжения сооружаются на нескольких напряжениях. Критерием оптимально принятой системы электроснабжения служит минимум приведенных затрат на ее сооружение и последующую эксплуатацию. Затраты на сооружение системы электроснабжения во многом определяются количеством трансформаций напряжения и используемыми номинальными напряжениями. Обычно в системах электроснабжения применяется 2— 3 трансформации напряжения. Способ заземления нейтрали сети является достаточно важной характеристикой. Он определяет: • ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании; • схему построения релейной защиты от замыканий на землю; • уровень изоляции электрооборудования; • выбор аппаратов для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений (ограничителей перенапряжений); • бесперебойность электроснабжения; • допустимое сопротивление контура заземления подстанции; • безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях. В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (термин «среднее напряжение» используется в зарубежных странах для сетей с диапазоном рабочих напряжений 1-69 кВ): • изолированная (незаземленная); • глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру); • заземленная через дугогасящий реактор; • заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный). Изолированная нейтраль ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока). Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах: • более 30 А при напряжении 3-6 кВ; • более 20 А при напряжении 10 кВ; • более 15 А при напряжении 15-20 кВ; • более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ; • более 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор–трансформатор». Вместо компенсации тока замыкания на землю может применяться заземление нейтрали через резистор (резистивное) с соответствующим изменением логики действия релейной защиты. Исторически режим изолированной нейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения. Его достоинствами являются: • отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю; • малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю). Недостатками этого режима заземления нейтрали являются: • возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю; • возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями; • возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы; • необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение; • сложность обнаружения места повреждения; • опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; • сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений). Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор Она также достаточно часто применяется в России. Этот способ заземления нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор (рис.2). Рис.1. Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью. Рис.2. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются: • отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю; • малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); • возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); • исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов. Недостатками этого режима заземления нейтрали являются: • возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации; • возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети; • возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации; • возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов; • возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях; • сложность обнаружения места повреждения; • опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; • сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен. В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует. При дуговом характере однофазного замыкания скважность воздействия перенапряжений на изоляцию сети ниже, чем при изолированной нейтрали, но и здесь существует возможность возникновения многоместных повреждений. В последние десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а мощность компенсирующих устройств на подстанциях осталась той же, соответственно значительная доля сетей среднего напряжения сейчас работает с существенной недокомпенсацией. Это ведет к исчезновению всех положительных свойств сетей с компенсированной нейтралью. Отметим дополнительно, что дугогасящий реактор компенсирует только составляющую промышленной частоты тока однофазного замыкания. При наличии в сети источников высших гармоник последние могут содержаться в токе замыкания и в некоторых случаях даже усиливаться. Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный) Этот режим заземления используется в России очень редко, только в некоторых сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций. В то же время, если оценивать мировую практику, то резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ Резистор в отечественных сетях 6-10 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора (рис. 3). Возможны и другие варианты включения резистора, когда нейтраль заземляющего трансформатора наглухо присоединяется к контуру заземления, а резистор включается во вторичную обмотку, собранную в разомкнутый треугольник (рис. 4б), либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг (рис. 4в). Рис.3. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор. Рис.4. Варианты включения резистора в нейтраль сети 6-10 кВ. Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный. При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Например, согласно нормам французской сетевой компании Electricite de France, ток, создаваемый резистором, должен быть в два раза больше емкостного тока сети. Это гарантирует отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее однофазное замыкание немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5-7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали. При низкоомном заземлении нейтрали используется резистор, создающий ток в пределах 10-2000 А. Отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях и возможность организации селективной релейной защиты являются неоспоримыми преимуществами режима резистивного заземления нейтрали. Именно эти преимущества способствовали широкому распространению такого режима заземления нейтрали в разных странах. Глухозаземленная нейтраль Как уже было сказано, в отечественных сетях 6-35 кВ не используется. Все отечественные линии 6-35 кВ трехпроводные, а трансформаторы потребителей трехфазные, то есть сам подход к построению сети существенно отличается от зарубежного. Литература 1.1. Федоров А.А. Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М. ЭАИ 1984. Стр 88-123 1.2. Ермилов А.А. Электроснабжение промышленных предприятий. М. Э 1990г 1.3. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок М.ВШ 1990 стр. 42-78 1.4. Ю. Л. Мукосеев Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия 1.5. Э. М. Ристхейн Электроснабжение промышленных установок, М. ЭАИ, 1991 стр. 121-158 1.6. А. А. Федоров, Э.М. Ристхейн Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия, 1981 стр 70-91 Контрольные вопросы. 1. Какие требования предъявляются к электрическим сетям до 1000В? 2. Какие виды схем распределения электроэнергии вы знаете? 3. Условия выбора предохранителя. 4. Условия выбора автоматических выключателей . 5. Почему строим карту селективности ? Как его строить? 6. Недостатки и преимущества магистральной схемы. 7. Как выполняется радиальная схема? 8. Какой вид схемы можно использовать, в зависимости от категории приемников?