Нейтраль сети изолирована от земли

С таким режимом нейтрали работают следующие виды электрических сетей: трехфазные трехпроводные сети напряжением от 6 до 35 кВ, в которых ток замыкания на землю не превышает допустимых правилами устройства электроустановок [2] значений; трехфазные трехпроводные сети напряжением до 1 кВ в электроустановках с повышенной и высокой опасностями поражения человека электрическим током; двухпроводные сети постоянного тока; все сети низкого напряжения, в которых для обеспечения безопасности предусматриваются защитные мероприятия, не связанные с заземлением.

Наиболее широкое применение этот режим нейтрали нашел в электроустановках напряжением 6 и 10 кВ (рис. 3.3).

                            а                                                         б

Рис. 3.3. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) нормального режима работы сети 6÷10 кВ с изолированной нейтралью:

I _ЗА, I _ЗВ, I _ЗС – токи заряда емкостей фаз; U _АО, U _ВО, U _СО – напряжения фаз относительно земли

Ток заряда емкости фазы определяется по формуле:

,                               (3.1)

где – номинальное фазное напряжение сети;  – емкостная проводимость фазы:

,                           (3.2)

где  – удельная (на единицу длины) емкостная проводимость фазы i- й линии электропередачи;  – длина i- й линии; n – количество линий в сети.

Знак приближенного равенства в (3.1) объясняется тем, что фактическое напряжение в каждой точке сети отличается от номинального.

При замыкании на землю одной из фаз токи заряда емкостей изменяются (рис. 3.4).

Ток замыкания фазы С на землю равен векторной сумме:

.                           (3.3)

Векторная диаграмма, иллюстрирующая этот режим, изображена на рис. 3.5.

                                         а                                                    б

Рис 3.4. Схемы замещения сети с изолированной нейтралью
при замыкании на землю фазы С:

,  – токи заряда емкостей фаз при замыкании на землю фазы С;  – ток
 замыкания на землю фазы С;  – эквивалентные фазные ЭДС

рис. 3.5. Векторная диаграмма замыкания фазы С на землю:

– нейтральные точки сети до и после замыкания; – напряжения фаз А
и В при замыкании на землю фазы С;  – линейное напряжение между фазами А и В при замыкании фазы С на землю

С помощью векторной диаграммы можно определить ток замыкания на землю любой из фаз. Для этого необходимо рассмотреть отдельно векторную диаграмму токов (рис. 3.6).

	Рис. 3.6. Векторная диаграмма токов при замыкании фазы С на землю

 

 

Вектор состоит из двух частей, представленных отрезками Е K и KО ′. Эти отрезки равны, потому что фигура DEMO ′является ромбом. Отрезок KО ′представлен выражением:

.                              (3.4)

Из прямоугольного треугольника KО M можно определить катет KО:

.                                (3.5)

Таким образом,  вычисляется с помощью выражения:

.                         (3.6)

Токи заряда емкостей фаз (см. рис. 3.3) одинаковы, поэтому замыкание любой из фаз на землю () имеет вид:

,                    (3.7)

где  – ток заряда емкости любой фазы.

Электрические сети, работающие с изолированной нейтралью, имеют характерные положительные и отрицательные свойства. К числу положительных относятся следующие свойства:

1) ток замыкания фазы на землю значительно меньше, чем ток нагрузки фазы, поэтому этот режим является временно допустимым, а не аварийным. Допустимое время работы сети с замкнувшейся на землю фазой не должно превышать 2 ч;

2) отсутствуют устройства заземления нейтрали и защиты от однофазных коротких замыканий, что снижает стоимость сети;

3) высоковольтные электроприемники не чувствуют замыканий фазы на землю, поскольку линейные напряжения после замыкания не изменяются.

Недостатками этих сетей являются следующие их свойства:

1) фазная изоляция должна быть рассчитана на линейное напряжение. При напряжениях до 35 кВ это не приводит к заметному удорожанию сети;

2) при замыканиях фазы на землю возможно появление перемежающейся электрической дуги, что приводит к четырех- или шестикратному перенапряжению;

3) появление электрической дуги в месте замыкания на землю часто приводит к разрушению изоляции соседних фаз с переходом в режим двух- или трехфазного короткого замыкания;

4) при замыкании одной из фаз на землю возникает несимметричный режим напряжения (см. раздел 2.5).

Указанные недостатки не проявляются в полной мере при токах замыкания, меньших чем .

Нейтраль компенсирована

Токи замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью могут превышать допустимые значения. В этих случаях для предотвращения появления стабильной дуги в месте замыкания нейтраль сети соединяется с землей двумя способами:

1) через токоограничивающие резисторы (рис. 3.7).

                                  а                                                                       б

Рис. 3.7. Схема замещения (а) и эквивалентная схема (б) сети с токо­ограничивающим резистором  в нейтрали

Величина  зависит от степени смещения нейтральной точки сети при замыкании на землю фазы С.

2) токоограничивающие реакторы (рис. 3.8).

                                             а                                                             б

Рис. 3.8. Схема замещения (а) и эквивалентная схема (б) сети
с токоограничивающим реактором  в нейтрали (компенсированная нейтраль)

Наличие индуктивности в цепи емкостного тока замыкания фазы на землю позволяет уменьшить величину последнего за счет компенсации. Векторная диаграмма, поясняющая принцип действия компенсации емкостью тока замыкания на землю, изображена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Векторная диаграмма компенсации тока замыкания на землю с помощью токоограничивающего реактора

Величина тока через реактор определяется с помощью (3.8):

,                           (3.8)

где  – ЭДС фазы источника электроэнергии, в которой произошло замыкание на землю (для рассматриваемого примера – фаза С);  – полное сопротивление реактора;  – полное сопротивление фазы источника (силового трансформатора питающей ТП);  – полное сопротивление линии электропередачи от источника до места замыкания.

Для этого класса сетей можно не учитывать активные сопротивления реактора, источника (трансформатора) и линии электропередачи при определении  с помощью (3.8).

Ток замыкания () с учетом компенсации определяется по формуле:

.                             (3.9)

При использовании управляемого реактора удается достичь полной компенсации, когда .

Электрические сети с нейтралью, заземленной через токо­ограничивающий резистор, и с комбинированной нейтралью имеют несколько преимуществ перед сетями с изолированной нейтралью:

1) уменьшается ток замыкания на землю;

2) снижается скорость изменения тока в цепи замыкания в связи с возрастанием постоянной времени цепи, что исключает появление перемежающейся дуги, снижает возможность перенапряжения и уменьшает вероятность перерастания замыкания на землю в короткое замыкание;

3) уменьшается величина токов обратной последовательности фаз, так как происходит неполное смещение нейтрали.

Сети с изолированной и компенсированной нейтралями относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю.

 

Нейтраль глухо заземлена

Замыкание фазы на землю в цепях с глухо заземленной нейтралью является аварийным режимом, сопровождаемым большим током – током однофазного КЗ.

Такой режим нейтрали применяется для электрических сетей:

1) напряжением 110 кВ и выше (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема замещения сети с глухозаземленной нейтралью
при номинальном напряжении 110 кВ и выше

Эти сети должны иметь устройства заземления нейтрали и защиту от однофазных КЗ, что является причиной их удорожания относительно сетей с изолированной нейтралью. Вместе с этим, уменьшается стоимость их изоляции, поскольку она должна быть рассчитана только на фазное напряжение. Для ограничения токов однофазных КЗ в электрическую цепь заземления нейтрали включают специальные токоограничивающие резисторы;

2) напряжением ниже 1000 В.

В соответствии с международной классификацией существуют пять видов трехфазных сетей переменного тока [5]:

а) IT – нейтраль сети изолирована (ISOLE), корпусы электрооборудования соединены с заземляющим контуром (TERRE) (рис. 3.11);

Рис. 3.11. Трехпроводная сеть с изолированной нейтралью:

PE – защитный проводник (PROTECTION ELECTRIC)

б) TT – нейтраль сети и корпусы электрооборудования соединены с заземляющим контуром (рис. 3.12);

Рис. 3.12. Трехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью

в) TN- C – нейтраль сети заземлена, корпусы электрооборудования заземлены через нейтральный проводник N, совмещены (COMBINE) рабочий и защитный нейтральные проводники PEN (рис. 3.13);

 

Рис. 3.13. Четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью
и использованием нейтрального проводника N для   зануления
корпусов электрооборудования

г) TN- S – нейтраль сети заземлена, отдельно (SEPARETE) существуют рабочий N и защитный PE проводники(рис. 3.14);

Рис. 3.14. Пятипроводная сеть с глухозаземленной нейтралью
и раздельно существующими рабочим и защитным нейтральными
проводниками

д) TN- C- S – нейтраль сети заземлена, совместно существуют рабочий и защитный нейтральные проводники (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Четырех-пятипроводная сеть c глухозаземленной
нейтралью и защитными проводниками

Электрические сети типа IT и TT применяют в тех случаях, когда отсутствуют однофазные электроприемники. Сети типа ТТ более эффективны, чем IT,по условиям обеспечения защиты (защитное заземление и защитное отключение по току утечки). Сети TN- C имеют ограниченное применение в связи с их малой надежностью обеспечения защитных мероприятий. Наиболее широко применяются сети типа TN- S и TN- C- S.