Трехфазные электрические сети можно рассматривать как совокупа 3-х одинаковых однофазовых цепей, объединенных в единую связанную систему через обмотки электрических машин — генераторов, трансформаторов, движков. Основными методами соединения обмоток в трехфазных сетях являются «звезда» и «треугольник». При соединении обмоток в звезду общую точку трехфазной обмотки именуют нейтралью.
Режимы заземления нейтрали определяют нрав происходящих при однофазовых маленьких замыканиях электромагнитных процессов, степень их угрозы, вреды от их последствий, условия безопасности людей и животных, находящихся поблизости места замыкания на землю, требования к релейной защите.
Зависимо от режима нейтрали Правила устройства электроустановок (ПУЭ) делят электрические сети на три главные группы:
- 1) сети с незаземленными (изолированными от земли) и резонансно заземленными (возмещенными) нейтралями;
- 2) сети с отлично заземленными нейтралями;
- 3) сети с глухозаземленными нейтралями.
К первой группе относятся сети напряжением 3—35 кВ, нейтрали генераторов и трансформаторов в каких изолированы либо заземлены через заземляющие реакторы. Допустимые токи однофазового замыкания на землю (033) в сети с изолированной нейтралью определяются ПУЭ и зависимо от класса напряжения представлены значениями, приведенными в табл. 14.1.
Таблица 14.1
Значения допустимых токов
Напряжение U, кВ
Примечания. * — в сетях с железобетонными и металлическими опорами; ** — в схемах генераторного напряжения.
Ко 2-ой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше, нейтрали которых соединены с землей конкретно либо через маленькое активное либо индуктивное сопротивление.
К третьей группе относятся сети напряжением до 1000 В.
Сети, в каких ток однофазового замыкания на землю наименее 500 А, условно именуют сетями с малыми токами замыкания на землю. В главном это сети с изолированной и возмещенной нейтралью. Токи замыкания на землю более 500 А соответствуют сетям с отлично заземленной нейтралью.
По условиям работы изоляции эффективность заземления нейтрали характеризуется отношением наибольшего напряжения неповрежденной фазы относительно земли при замыкании на землю U^3 к номинальному фазному напряжению 1/ф. Это отношение именуется коэффициентом эффективности заземления нейтрали:
В обычном симметричном режиме работы сети с изолированной нейтралью (рис. 14.3) по фазам протекают токи нагрузки 1И и емкостные (зарядные) токи, обусловленные емкостями фаз на землю, 1с0.
Рис. 14.3. Схема замещения для анализа токов однофазового замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью
Емкостный ток фазы Суммарные токи в фазах:
Из векторной диаграммы обычного режима, приведенной на рис. 14.4, следуют равенства
Рис. 14.4. Векторная диаграмма обычного режима сети с изолированной нейтралью
Таким макаром, при обычном режиме тока в земле нет.
При однофазовом замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью напряжение покоробленной фазы UA = 0. Напряжение неповрежденных фаз относительно земли растет в V3 раз и становится равным междуфазному (линейному) напряжению. Это приводит к искажению симметричной звезды напряжений UA, UB, Uc и превращению ее в несимметричную систему (рис. 14.5):
Рис. 14.5. Векторная диаграмма при однофазовом замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью
При замыкании фазы А на землю емкость этой фазы шунтируется и становится равной нулю. Что касается фаз В и С, то вследствие увеличения потенциалов этих фаз по отношению к земле в V3 раз емкостные токи в них также вырастут в /з раз:
Сейчас сумма значений этих токов не будет равна нулю и в земле появится ток, равный
где заместо 1сВ можно подставить 1сС.
Таким макаром, емкостный ток при замыкании одной фазы на землю равен тройному значению тока одной фазы при обычном режиме. Следует подразумевать, что при однофазовых замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается. Потому потребители, включенные на межфазное напряжение, могут продолжать работу. Допустимая продолжительность работы с заземленной фазой определяется ПТЭ и не должна превосходить 2-ух часов. Но опыт указывает, что нередко однофазовые замыкания очень стремительно перебегают в двух- и трехфазные и покоробленная линия все равно отключается. Не считая того, нужно учесть возможность появления феррорезонансных явлений. При токах замыкания на землю, превосходящих значения, приведенные в табл. 14.1, в месте замыкания появляется перемежающаяся дуга, которая временами угасает и опять загорается при определенной величине емкостного тока.
В контуре, содержащем активные, индуктивные и емкостные сопротивления, она наводит значимые ЭДС. При всем этом появляются перенапряжения, превосходящие номинальные в 2,5—3 раза. Естественно, что работа системы в таких критериях недопустима. В этих случаях применяется заземление нейтрали через настроенные индуктивности (дугогасящие реакторы (ДГР), именуемые катушкой Петерсена, рис. 14.6). Установка такового реактора в нейтрали предутверждает возникновение перемежающихся дуг при огромных емкостных токах замыкания на землю.
Рис. 14.6. Схема замещения для анализа токов однофазового замыкания на землю в сети с возмещенной нейтралью
Таким макаром создается сеть с резонансно заземленной (возмещенной]) нейтралью. Заземление нейтралей делается через дугогасящие реакторы типа ЗРОМ (заземляющий реактор, однофазовый, в масляном выполнении), который имеет 5 ступеней регулирования индуктивности; РЗДСОМ (реактор заземляющий дугогасящий ступенчатого регулирования, однофазовый, масляного выполнения); РЗДПОМ (реактор заземляющий дугогасящий плавного регулирования, однофазовый, масляного выполнения). В обычном симметричном режиме ток через реактор равен нулю. При замыкании на землю одной из фаз реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю вместе с емкостным током протекает индуктивный ток. Токи 1С и IL отличаются по фазе на 180° и компенсируют друг дружку. Если Ic = IL, то 1К = 0, что иллюстрирует рис. 14.7.
Характеристики сетей с глухо заземленной нейтралью и с отлично заземленной нейтралью
В обычном режиме работы заземление нейтрали на работу сети не оказывает влияние. Воздействие режима заземления нейтрали проявляется только при замыканиях на землю.
Разглядим однофазовое куцее замыкание на землю в точке К. Заземленная нейтраль, линия и место замыкания на землю образуют замкнутый контур через землю. При заземлении нейтралей 2-ух трансформаторов, как это показано на рисунке 7,4, будет два замкнутых контура через землю, в каких протекают токи КЗ Iк1 и Iк2. В месте КЗ токи всех контуров суммируются и через место замыкания протекает суммарный ток КЗ. Величина тока КЗ определяется величиной эквивалентного сопротивления схемы замещения относительно точки КЗ. При всем этом суммарный ток в месте однофазового КЗ в всеохватывающей форме определяется по выражению:
где Z1Σ, Z0Σ, — эквивалентные (суммарные) сопротивления, прямой и нулевой последовательности; UФ – фазное напряжение.
Ток при трехфазном маленьком замыкании.
Эквивалентные сопротивления прямой и нулевой последовательности в сетях 110 кВ и выше могут быть соизмеримы по величине. При всем этом токи однофазового недлинного замыкания могут быть близки по величине к токам трехфазного недлинного замыкания. Потому сети 110 кВ и выше именуют сетями с большенными токами замыкания на землю. Огромные токи при КЗ на землю – это главное свойство сетей с глухо заземленными и отлично заземленными нейтралями.
Это и преимущество, и недочет таких сетей. Преимущество: при большенном токе недлинного замыкания можно сравнимо просто выявить покоробленную линию, сравнимо просто найти место КЗ и стремительно отключить (изолировать) покоробленный элемент.
Недочет: при большенном токе недлинного замыкания усложняется работа оборудования. Увеличиваются требования к тепловой и динамической стойкости.
Сети 110 кВ и сети напряжением 220 кВ и выше имеют одно принципиальное отличие: воздушные полосы напряжением 220 кВ и выше производятся без ответвлений и не имеют промежных отборов мощности. Воздушные полосы 110 кВ, в отличие от линий напряжением 220 кВ и выше, имеют бессчетные ответвления к подстанциям промышленных компаний. При всем этом от ВЛ-110 кВ через ответвительные подстанции (ПС-3 на рисунке 7.5) получают питание потребители, территориально удаленные от узловых подстанций энергосистемы (ПС-1 и ПС-2 на рисунке 7.5). К одной ВЛ-110 кВ может быть подключено до 5 ответвительных подстанций.
Набросок 7.5 – Сеть с отлично заземленной нейтралью
При всем этом число трансформаторов в сети 110 кВ может быть в пару раз больше, чем в сетях напряжением 220 кВ и выше. Если в сети 110 кВ нейтрали всех трансформаторов заземлить, то при однофазовом КЗ на землю будет несколько контуров для токов КЗ. Это приведет к резкому понижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности Z0Σ. Если сопротивление нулевой последовательности снизится до сопротивления прямой последовательности и будет выполнено равенство Z1Σ = Z0Σ, то, в согласовании с (7.1) и (7.2), ток однофазового недлинного замыкания будет равен току трехфазного недлинного замыкания. Если сопротивление нулевой последовательности станет меньше сопротивления прямой последовательности Z0Σ <Z1Σ, то ток однофазового недлинного замыкания в согласовании с (7.1) и (7.2) станет больше тока трехфазного недлинного замыкания: Это небезопасно для тепловой и динамической стойкости сети и этого стараются не допускать. Для того, дабы ток однофазового недлинного замыкания не превосходил тока трехфазного недлинного замыкания, у части трансформаторов (Т3 и Т4 на рисунке 7.5) нейтрали разземляют. При всем этом миниатюризируется число параллельных контуров и возрастает эквивалентное сопротивление Z0Σ. Для способности разземления нейтрали в цепи нейтралей инсталлируются разъединители QS. Сети, в каких часть нейтралей изолированы от земли, а часть заземлены, именуют сети с отлично заземленной нейтралью (это допускается исключительно в сетях 110 кВ).
Разземляют, обычно, нейтрали на ответвительных подстанциях, другими словами на ГПП. Принимать решение о разземлении нейтрали на той либо другой ГПП могут только диспетчеры районной энергосистемы. Число трансформаторов, нейтрали которых следует разземлить, определяется расчетом.
На рисунке 7.5 приведены векторные диаграммы напряжений в точке однофазового КЗ.
Набросок 7.6 – Векторные диаграммы напряжений в точке КЗ
На рисунке 7.5, а показаны векторы фазных напряжений UА, UВ и UС по отношению к нейтрали трансформатора N. В обычном режиме потенциал нейтрали по отношению к земле равен нулю. При КЗ на землю фаза А через землю от точки З земли (набросок 7.4) к нейтрали трансформатора потечет ток КЗ Iк, который отстает от напряжения фазы на угол φ. От тока КЗ в сопротивлении земли между точкой в земле Зв месте замыкания и заземленной нейтралью N появится падение напряжения UЗN. При всем этом фазные напряжения UВЗ и UСЗ неповрежденных фаз В и С по отношению к земле будут отличаться от фазных напряжений по отношению к нейтрали: UВЗ не равно UВ и UСЗ не равно UС.
Отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей при ЗНЗ к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыканияназывается коэффициентом замыкания (ПУЭ п.1.2.4). Для электрической сети с отлично заземленной нейтралью коэффициент замыкания на землю не должен превосходить 1,4 (kз ≤ 1,4). Число трансформаторов с разземленной нейтралью выбирается так, дабы производилось условие:
Если разъединитель в нейтрали отключен, то при однофазовом КЗ на изолированной от земли нейтрали может показаться фазное напряжение. В обычном режиме напряжение на нейтрали трансформатора по отношению к земле равно нулю. Потому для удешевления трансформатора изоляция нейтралей трансформаторов класса 110 кВ осуществляется обычно ослабленной. Фазное напряжение на нейтрали п отношению к земле для ослабленной изоляции нейтрали является небезопасным и может вызвать ее пробой. Схемы защиты нейтрали трансформаторов от перенапряжений приведены на рисунке 7.7. В качестве защитных средств FV используются разрядники (набросок 7.7, а) либо ограничители перенапряжений (набросок 7.7, б). Для способности заземления нейтрали (по мере надобности) параллельно разряднику инсталлируются разъединитель QS. Номинальное напряжение разрядника выбирается на класс ниже номинального напряжения сети. К примеру, если сеть напряжением 110 кВ, то разрядник устанавливают на 55 кВ. Для этого включают последовательно два разрядника на 20 и 35 кВ.
