Период зарождения трехфазных систем

Введение

В период зарождения трехфазных систем имелись попытки использовать несвязанную систему, в которой  фазы обмотки генератора не были электрически соединены между собой и каждая фаза соединялась со своим приемником двумя проводами. Такие системы не получили применения вследствие их неэкономичности: для соединения генератора с приемником требовалось шесть проводов.

Более совершенными и экономичными являются связанные цепи, в которых  фазы обмотки электрически соединены  между собой. Существуют различные  способы соединения фаз трехфазных источников питания и трехфазных потребителей электроэнергии. Наиболее распространенными являются соединения "звезда" и "треугольник".

 

Общие сведения

Электроустановки могут  входить в системы с глухозаземленной или изолированной нейтралью генератора или трансформатора. Нейтраль представляет собой общую точку соединенных обмоток генератора или трансформатора, потенциал которой в нормальных условиях нагрузки равен нулю, поэтому она также называется нулевой точкой.

Глухозаземленная нейтраль получается тогда, когда она соединяется с землей системой проводников и электродов, находящихся в земле около места установки генератора или трансформатора. От нейтрали идет провод, называемый нулевым, который соединяется с корпусом каждого приемника энергии. Системы с глухозаземленной нейтралью применяются для питания большинства производственных и бытовых электроприемников.

           Если напряжение фазы А по отношению к земле становится равным нулю, можно принять, что пути токов утечки и емкости этой фазы на землю шунтируются через место замыкания фазы А на землю током замыкания. Через место замыкания на землю фазы А будет проходить ток, равный геометрической сумме токов утечки и емкостных других фаз.

           Как следует из диаграмм, линейные напряжения во всех рассмотренных случаях остаются неизменными, и замыкание на землю одной фазы не влияет на работу электроприемников.

           Чем больше проводимость изоляции  утечки и емкостная по отношению  к земле, тем большую опасность  представляет прикосновение человека  к токоведущей части. Если одна  фаза имеет замыкание на землю,  то прикосновение человека к  другим фазам представляет наибольшую  опасность, так как при этом  человек оказывается под линейным  напряжением.

В системе с заземленной  нейтралью при замыкании провода на землю создается путь тока от места замыкания через землю и нулевую точку к обмоткам других фаз генератора или трансформатора, и защита срабатывает. В случае касания провода человеком он оказывается под фазным напряжением и не может оказаться под линейным напряжением.

С точки зрения опасности  прикосновения человека к токоведущей  части система с изолированной  нейтралью представляется более опасной по величине напряжения, под которым может оказаться человек, если не надежно работают устройства защиты.

 

 

 

 

 

 

Режимы работы нейтралей в электроустановках

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 = 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.

В электрических сетях  РАО ЕЭС России 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.

 

Изолированная нейтраль

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник, поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

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).

Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а

такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий. Такое развитие событий в эксплуатации не так редко, как кажется на первый взгляд. Именно по этой причине во многих странах, таких, как США, Канада, Англия, Австралия, Бельгия, Португалия, Франция и другие, отказ от режима изолированной нейтрали произошел еще в 40–50-х годах прошлого века. Как видно из таблицы, в настоящее время из промышленно развитых стран режим изолированной нейтрали применяют только Италия, Япония и Финляндия. Причем в Италии сейчас рассматривается возможность перехода к работе с заземлением через дугогасящий реактор, а в Японии – с заземлением через резистор. В России до последнего времени режим изолированной нейтрали был закреплен в ПУЭ. Именно этим объясняется сложившееся положение, когда даже в сетях с высоковольтными электродвигателями, где защита от однофазных замыканий выполнена с действием на отключение без выдержки времени, применяется режим изолированной нейтрали.  
 

 

 

 

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.

С точки зрения исторической последовательности возникновения  этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена). 

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.
• подавление дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

• 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.

В сетях среднего напряжения зарубежных промышленных предприятий  используется резистивное заземление нейтрали.

 

 

 

 

 

 

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.

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, либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг.

Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный.