Режимы работы нейтралей в электроустановках

Цель работы: изучить на трехфазной модели электрической системы влияние различных режимов заземления нейтрали трансформаторов в сельских электрических сетях 6-35 кВ на величины токов замыкания на землю.

Нейтралями электроустановок называют общие точки обмотки генераторов или трансформаторов, соединенные в звезду. Вид связи нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, значения перенапряжений и способы их ограничения, токи при однофазных замыканиях на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д. В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:

1. Сети с изолированными нейтралами.

2. Сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралами.

3. Сети с эффективно-заземленными нейтралями.

4. Сети с глухозаземленными нейтралями.

В нашей стране к первой и второй группам относятся сети напряжением 6-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы. К третьей группе – сети напряжением 110 кВ и выше. И к четвертой группе относятся сети ниже 1000 В (напряжением 220, 380 и 660 В).

В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий (рис. 4.3). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли также симметричны и равны между собой (рис. 4.3, а).

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер и практически не влияет на загрузку генераторов.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают в раз и становятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис. 4.3, б) поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям. Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта емкость оказывается закороченной, а геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток замыкания на землю, протекающий через место повреждения Ι_з=Ι΄_св+Ι΄_сс оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме. В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз – больше фазного, но меньше линейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

1. При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.
2. Небольшая величина тока однофазного замыкания на землю (нет короткозамкнутого контура), который не превышает трехкратное значение емкостного тока нормального режима.

Рис. 4.3. Трехфазная сеть с изолированной нейтралью: а – нормальный режим; б – режим замыкания фазы А на землю

1. Вследствие того, что при замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Это ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряжением 35 кВ и ниже, где стоимость изоляции электроустановок не является определяющей и некоторое ее увеличение компенсируется повышенной надежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65 % всех нарушений изоляции.

2. При работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через землю. Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение (например, могут отключиться сразу две линии). Допустимая длительность работы с замкнутой на землю фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч.

Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и вызвать двух- или трехфазное КЗ (последнее часто наблюдается при однофазных замыканиях на землю одной из жил трехфазного кабеля). При определенных условиях в месте замыкания на землю может возникать так называемая перемежающаяся дуга, т. е. дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Перемежающаяся дуга сопровождается возникновением перенапряжений на фазах относительно земли, которые могут достигать 3,5 U_ф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и возникновение КЗ в установках с ослабленной изоляцией.

Вероятность возникновения перемежающихся дуг увеличивается с ростом емкостного тока замыкания на землю, причем опасность дуговых перенапряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допустимые значения тока замыкания нормируются ПУЭ и не должны превышать следующих значений:

В сетях 6-20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается I_З не более 10 А.

Работа сети с незаземленной (изолированной) нейтралью применяется и при напряжении до 1 кВ. При этом основные свойства сетей с незаземленной нейтралью сохраняются и при этом напряжении. Кроме того, эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их применяют для передвижных установок.

В сетях 6-35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью уменьшения емкостных токов замыкания на землю до значений регламентируемых ПУЭ применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы.

В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной фазы дугогасящий реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I_с также индуктивный ток реактора I_l (рис. 4.4). Так как индуктивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если I_c=I_l (резонанс), то через место замыкания на землю ток протекать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает, и устраняются связанные с нею опасные последствия.

В сетях с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью, так же как и в сетях с изолированными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой.

Наличие дугогасящих реакторов особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет, и линия не отключается.

Рис. 4.4. Трехфазная сеть с резонансно-заземленной нейтралью

В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящий реактор, при однофазных замыканиях на землю напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли увеличиваются в раз, т. е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейтралями.

Ток замыкания на землю, в общем случае при С_Ф=C_А=C_B=C_C, определяется:

(4.40)

где I=A;B;C;

K_L – степень компенсации емкостного тока на землю;

.

(4.41)

В сети с изолированной нейтралью (K_L=0) и при сопротивлении дуги, примерно равном нулю (металлическое замыкание)

(4.42)

т.е. ток замыкания на землю чисто емкостный и опережает Е_i на 90^о.

В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Поэтому в них применяется эффективное заземление нейтралей (рис. 4.5), при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах относительно земли почти не изменяется от напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали.

Недостатки сетей с эффективно-заземленными нейтралями:

1. При замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена ЭДС фазы (рис. 4.5). Возникает режим КЗ, сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное протекание больших токов недопустимо, поэтому КЗ быстро отключаются релейной защитой. Правда, значительная часть однофазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относится к самоустраняющимся, т. е. исчезающим после снятия напряжения. В таких случаях эффективны устройства автоматического повторного включения (АПВ), которые, действуя после работы устройств релейной защиты, восстанавливают питание потребителей за минимальное время.

2. Значительное удорожание выполняемого в распределительных устройствах контура заземления, который должен отвести на землю большие токи КЗ и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооружение.

3. Значительный ток однофазного КЗ, который при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов, а также в сетях с автотрансформаторами может превышать токи трехфазного КЗ. Для уменьшения токов однофазного КЗ применяют частичное разземление нейтралей трансформаторов (в основном в сетях 110-220 кВ).

Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные напряжения (рис. 4.6). В них нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока). Для фиксации фазного напряжения при наличии однофазных нагрузок применяют нулевой проводник, связанный с нейтралью трансформатора (генератора). Этот проводник служит для выполнения также и функции зануления, т. е. к нему преднамеренно присоединяют металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением. При наличии зануления пробой изоляции на корпус вызовет однофазное КЗ и срабатывание защиты с отключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса (второй двигатель на рис. 4.6) повреждение изоляции вызовет опасный потенциал на корпусе. Целость нулевого проводника нужно контролировать, так как его случайный разрыв может вызвать перекос напряжений по фазам (сни жение его на загруженных фазах и повышение на незагруженных). Может быть принято при необходимости раздельное выполнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.

Рис. 4.6. Трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью

Экспериментальная часть работы производится на модели трехфазной системы (рис. 4.7). Напряжение питания стенда 220 В при частоте 50 Гц, напряжение на модели 100 В. Емкости C_A, C_B, C_C, представляющие собой емкости проводов линии электропередачи, подключают к соответствующим фазам и изменяют в диапазоне 0,5-7,5 мкФ. Для компенсации емкостного тока предусмотрена катушка, которую включают между нейтралью трансформатора TV и землей. Катушка имеет отпайки, выведенные на клеммную колодку, позволяющие менять индуктивность от 0,34 до 5,4 Гн, согласно табл. 4.4. Для выполнения необходимых измерений на стенде установлены вольтметры и амперметры.

Включение и отключение наборных емкостей C1…C15 и подключение переносных миллиамперметров pmA1 и pmA5 во избежание подгорания контактов производить только при снятом напряжении со стенда.

1. Собрать схему сети с изолированной нейтралью в соответствии с рисунком 4.7. Автоматический выключатель нейтрали QF2 установить в положение "отключено".

2. Измерить токи и напряжения фаз в нормальном (симметричном) режиме трехфазной модели при емкостях С_А=С_В=С_С=0,5-7,5 мкФ. Результаты измерений занести в таблицу 4.5.

3. Включением автоматического выключателя QF3 смоделировать замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью фазы “А” при симметричных емкостях фаз сети, указанных преподавателем. Переключения QF3 выполнять при отключенном питании стенда. Результаты измерений занести в таблицу 4.6.

4. Рассчитать токи однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью при заданных значениях фазных емкостей и сравнить с данными измерений. По результатам опыта построить векторную диаграмму токов и напряжений при замыкании на землю фазы “А”.

5. При симметричных емкостях фаз сети (С_А=С_В=С_С) включить в нейтраль трансформатора “дугогасящий реактор”, создать аварийный режим замыкания фазы “А” на землю включением автоматического выключателя QF3 и измерить ток замыкания на землю и ток в нейтрали при различных значениях ее индуктивности.

Данные измерений занести в таблицу 4.7. По результатам измерений построить зависимость I_З=f (К_L)

Таблица 4.4

Таблица 4.5

Рис. 4.7. Принципиальная схема лабораторной установки

Данные измерений и расчетов при замыкании в сети с компенсированной нейтралью

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Схемы сетей с различным режимом работы нейтрали.

3. Схему лабораторного стенда.

4. Таблицы с результатами измерений.

5. Векторные диаграммы токов и напряжений.

6. Зависимость I_З=ƒ(К_L).

7. Выводы.

1. Что такое нейтраль электроустановки?

2. Преимущества и недостатки применяемых в настоящее время режимов работы нейтралей электрических сетей.

3. Область применения различных режимов работы нейтралей.

4. Как влияет дугогасительный реактор на величину тока замыкания на землю?

5. Что такое недокомпенсация, точная настройка, перекомпенсация?