Сравнение и выбор режимов нейтрали электрических сетей

1 Лекция №7 Сравнение и выбор режимов нейтрали электрических сетей Рассмотренные в лекциях № 5-6 свойства электрических сетей (на примере трехфазных сетей напряжением ниже 1000 В) позволяют отметить следующие достоинства и недостатки электрических сетей с различными режимами работы нейтрали силовых трансформаторов: Достоинства электрических сетей с изолированной нейтралью: 1. Ток, протекающий через тело человека при однофазном прикосновении, во многом зависит от параметров изоляции фаз сети относительно земли. В исправной электрической сети сопротивления изоляции фаз, находящихся под рабочим напряжением) составляют десятки и сотни кОм, а ток через тело человека при однофазном прикосновении, как правило, не превышает 30 мА. В связи с этим в сетях с изолированной нейтралью имеется возможность повышения условий электробезопасности путем воздействия на параметры изоляции сети. 2. В таких сетях имеется возможность осуществлять постоянный (непрерывный) контроль состояния изоляции фаз сети относительно земли с помощью специальных устройств (в сетях напряжением ниже 1000 В эти устройства называют реле утечки). 3. Применение устройств защитного отключения и реле утечки позволяет автоматически ограничить длительность протекания тока через тело человека при прикосновении к фазе сети. В соответствии с отраслевыми нормативно-техническими документами (НТД) быстродействие устройств защитного отключения в сетях напряжением до 660 В включительно должно быть не более 0,2 секунды, а в сетях напряжением 1140 В – не более 0,12 секунды. 4. При пробое изоляции сети на корпус электрооборудования ток, протекающий через защитное заземление мал и составляет, как правило, 30 – 50 мА в сетях напряжением ниже 1000 В и 10 – 30 А в сетях напряжением 6 – 35 кВ. Токи такой величины не могут вызвать перегрева заземляющих проводников и их разрушения. 5. Замыкание одной фазы сети с изолированной нейтралью на землю не нарушает нормальный режим работы электроустановок, так как в трехфазной сети режим работы электроустановок определяется линейным Uл 2 и фазным Uф напряжениями, которые остаются неизменными, так как определяются параметрами источника питания (параметрами силового трансформатора). При замыкании одной фазы на землю изменяются напряжения фаз сети относительно земли. Это позволяет в электрических сетях напряжением 6 (10) кВ выполнять защиту от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) выполнять с действием на сигнал (см. п. 3.2.2 ПУЭ-7 издания). На горных предприятиях защиту от ОЗЗ с действием на сигнал применяют для технологических сблокированных между собой электроустановок (например, электродвигатели конвейерных линий, состоящих из нескольких грузовых конвейеров). Аварийное отключение даже одного конвейера такой линии приводит к значительным трудовым затратам и потерям времени для восстановления нормальной работы. Поэтому для таких электроустановок аварийное отключение при возникновении единичного замыкания на землю является недопустимым. На этот случай в отраслевом документе РД 06-572-03 «Инструкция по безопасной эксплуатации электроустановок в горнорудной промышленности» имеется п. 174, в котором отмечено следующее: «174. При защите от однофазных замыканий с действием на сигнал разрешается эксплуатировать сеть с однофазным замыканием на землю в течение времени, необходимого для проведения соответствующих переключений, обеспечивающих резервное питание, безаварийного останова и т. п., но не более двух часов, если потенциалы на заземляющей сети (корпусах электрооборудования) не превышают длительно допустимых значений.» Недостатки электрических сетей с изолированной нейтралью: 1. Замыкание одной фазы на землю может оставаться необнаруженным в течение длительного промежутка времени. При этом напряжение неповрежденных фаз по отношению к земле возрастает до линейного Uл, что приводит к снижению условий электробезопасности и возможным вторичным пробоям изоляции. При этом могут возникнуть двухфазное короткое замыкание, если вторичный пробой изоляции произойдет на том же участке сети, или двойное замыкание на землю, если вторичный пробой произойдет на другом участке сети. Кроме того, вследствие этого недостатка, изоляцию фаз сети необходимо рассчитывать на линейное напряжение. Следует отметить, что для сетей с изолированной нейтралью напряжением ниже 1000 В отраслевыми НТД предписано обязательное 3 применение устройств защитного отключения (реле утечки) с действием на отключение поврежденной сети (п. 183. РД 06-573-03) за время не более 0,2 секунды. Поэтому отмеченный в этом пункте недостаток для сетей с реле утечки можно считать маловероятным. 2. На одну электрическую сеть напряжением ниже 1000 В с изолированной нейтралью можно установить только одно реле утечки. Поэтому воздействие реле утечки выводится на общесетевой автоматический выключатель. Существующие реле утечки не позволяют определить конкретный участок сети с ослабленной изоляцией, так как сопротивления изоляции всех участков и всех фаз сети подключены между собой параллельно к двум общим точкам: одной общей точкой является нейтраль силового трансформатора, другой общей точкой является общая земля. Эквивалентное сопротивление этого параллельного соединения и контролируют существующие реле утечки. Поэтому при возникновении в каком-либо участке сети недопустимой утечки происходит защитное отключение всей электрической сети. После этого выявить участок сети с ослабленной изоляцией бывает весьма затруднительно. 3. В сети с изолированной нейтралью можно использовать для однофазных электроприемников только одно напряжение Uл- линейное. Поэтому в сети с изолированной нейтралью для дистанционного управления электроприводами требуются магнитные пускатели и контакторы с катушками на 380 В (для сети с напряжением 380 В). Подключить к такой сети установки освещения с лампами на 220 В можно только с использованием понижающего трансформатора 380/220 В. Кроме того, в такой сети использовать однополюсные указатели напряжения не допускается, так как он будут работать некорректно: покажут отсутствие напряжения в сети, находящейся под рабочим напряжением. Для индикации напряжения в сети с изолированной нейтралью необходимо использовать двухполюсные указатели и прикладывать электроды к разным фазам сети. 4. В соответствии с ПУЭ в сетях с изолированной нейтралью должна быть защита от перехода напряжения со стороны ВН (высшего напряжения) на сторону НН (низшего напряжения). Для такой защиты применяют пробивные предохранители, которые присоединяют между нейтралью сети (или фазой сети) и землей. Пробивной предохранитель представляет собой искровой промежуток между двумя дисковыми электродами, изолированными друг от друга слюдяным кольцом толщиной около 1 мм. 4 Диски помещены в пластмассовый или керамический корпус с резьбовым негерметичным соединением. Поэтому внутрь корпуса может попадать из окружающей среды пыль и влага. Такое соединение снижает сопротивление искрового промежутка и вызывает соединение нейтрали сети с землей через малое сопротивление. При этом реле утечки сработает и отключит электрическую сеть. Обнаружить такую причину срабатывания реле утечки весьма сложно. Достоинства электрических сетей с глухозаземленной нейтралью: 1. В сети с глухозаземленной нейтралью при замыкании какой-либо фазы на землю напряжения неповрежденных фаз поддерживаются на уровне, незначительно превышающем фазное напряжение. 2. Однофазное замыкание на землю (или на корпус) электроустановки представляет собой однофазное короткое замыкание, которое селективно устраняется максимальной токовой защитой. 3. В сети с глухозаземленной нейтралью напряжение ниже 1000 В можно использовать два рабочих напряжения: линейное Uл и фазное Uф. Поэтому в такой сети напряжением 380/220 В можно использовать магнитные пускатели и контакторы с катушками на 220 В, а установки освещения подключать на напряжение 220 В напрямую к фазе сети и к рабочему нулевому (N) или совмещенному (PEN) проводнику. Это обусловливает меньшие капитальные затраты на устройство такой системы электроснабжения. 4. Заземление нейтрали трансформатора является надежной защитой от перехода напряжения со стороны ВН на сторону НН. Недостатки электрических сетей с глухозаземленной нейтралью: 1. Ток, протекающий через тело человека при однофазном прикосновении, ограничивается только сопротивлением цепи тока и не зависит от параметров изоляции сети. Этот ток значительно больше, чем в сети с изолированной нейтралью. 2. Аппаратура защиты от замыканий на землю самой распространенной в России системы типа TN – C (трехфазная четырехпроводная система) реагирует только на металлическое замыкание фазы сети на корпус электроустановки. На замыкания фазы на землю через какое-то сопротивление (тем более через сопротивление тела человека) эта защита, выполняемая плавкими предохранителями и автоматическими выключателями, не реагирует. 5 3. При пробое изоляции и замыкании фазы на корпус электроустановки через нулевой защитный проводник PE (или PEN) проходит ток значительной величины (ток однофазного короткого замыкания). В случае длительного протекания этот ток может вызвать, перегрев защитного проводника и его разрушение. Из сравнения режимов нейтрали видно, что наиболее существенным преимуществом сетей с заземленной нейтралью является селективное отключение участка сети с поврежденной изоляцией и замкнутого на землю, что значительно облегчает эксплуатацию электроустановок. Выбор режима нейтрали производится, исходя из требуемого уровня электробезопасности, но с учетом условий эксплуатации электроустановок. На предприятиях и на отдельных производственных участках, где предъявляются повышенные требования к электробезопасности обслуживающего персонала, повышенные требования к пожаробезопасности и взрывобезопасности применяются электрические сети напряжением ниже 1000 В с изолированной нейтралью. На общепромышленных предприятиях и на объектах с большим количеством однофазных электроприемников применяют сети глухозаземленной нейтралью. В связи с этим в подземных выработках шахт и рудников Правилами безопасности запрещается применение сетей с глухозаземленной нейтралью, за исключением специальных трансформаторов, используемых для питания преобразовательных устройств контактных сетей электровозной откатки. На карьерах для питания передвижных и самоходных электроустановок напряжением до 35 кВ включительно, за исключением контактных сетей электрифицированного ж/д транспорта, как правило применяют сети с изолированной нейтралью. Допускается на горных предприятиях применение сетей напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью для питания потребителей, расположенных за пределами горных работ, а также питающихся от отдельных трансформаторов установок освещения стационарных перегрузочных пунктов, отвалов и выездных (въездных) траншей, сете СЦБ. При этом заземляющее устройство этих установок не должно иметь гальванической связи с сетью заземления электроустановок с изолированной нейтралью. Электрические сети напряжением 6, 10 и 35 кВ систем внешнего электроснабжения предприятий (не только горных) выполняются с 6 изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через аппараты, компенсирующие емкостной ток (дугогасящие аппараты). Изолированная нейтраль дает возможность поддерживать в таких сетях требуемый уровень электробезопасности и применять релейную защиту в двухфазном исполении. Компенсация емкостного тока, величина которого пропорциональна напряжению и длине электрически связанных линий, применяется в соответствии с ПУЭ при токах замыкания на землю соответственно 30, 20 и 10 А. Сети напряжением 110 кВ и выше, как правило, выполняются с глухозаземленной (эффекивно заземленной) нейтралью. При таких высоких напряжениях вопросы экономической эффективности и надежности становятся более важными по сравнению с другими требованиями, предъявляемыми к системам электроснабжения. В таких сетях токовую защиту необходимо устанавливать во всех трех фазах, что приводит к некоторому удорожанию системы электроснабжения. Дороже обходится и заземляюшее устройство для электрооборудования ГПП. Но учитывая, что таких установок значительно меньше, чем на напряжение 6 – 35 кВ, что стоимость изоляции для электрических сетей уменьшается, а надежность работы релейной защиты увеличивается, применение глухозаземленной нейтрали в таких сетях экономически оправдано.