Режимы работы нейтралей в электроустановках
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:
- сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;
- сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;
- сети с эффективно-заземленными нейтралями;
- сети с глухозаземленными нейтралями.
В России к первой и второй группам относятся сети напряжением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы.
Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряжение выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Коэффициентом замыкания на землю называют отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю поврежденной фазы к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания. В соответствии с рекомендациями Международного электротехнического комитета (МЭК) к эффективно-заземленным сетям относят сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землей непосредственно или через небольшое активное сопротивление. В Советском Союзе к этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше.
К четвертой группе относятся сети напряжением 220, 380 и 660 В.
Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями). Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (это сети с эффективно-заземленными нейтралями).
Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями
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.1). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.
Рис.1. Трехфазная сеть с незаземленной нейтралью
а – нормальный режим;
б – режим замыкания фазы А на землю;
в – устройство для обнаружения замыканий на землю
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.1,а). Емкостный ток фазы
(1)
где С – емкость фазы относительно земли.
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 √з раз и становятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис.1,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 √3 раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта емкость оказывается закороченной.
Для тока в месте повреждения можно записать:
(2)
т.е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток IС оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:
(3)
Согласно (1.3) ток IС зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции линий сети и их протяженности.
Приближенно ток Iс, А, можно определить по следующим формулам:
для воздушных сетей
(4)
для кабельных сетей
(5)
где U – междуфазное напряжение, кВ; l – длина электрически связанной сети данного напряжения, км.
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.
При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.
Вследствие того что при замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в √з 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.
В то же время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через землю (рис.2). Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение. Например, в случае, показанном на рис.2, могут отключиться сразу две линии.
Рис.2. Двойные замыкания на землю в сети с незаземленной нейтралью
В связи с изложенным в сетях с незаземленными нейтралями обязательно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.
Так, на рис.1, в показан способ контроля изоляции в сети с незаземленной нейтралью. Устройства контроля подключаются к сети через измерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типа ЗНОМ.
Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис.1,в) соединяются по схемам: одна (I) – звезда, вторая (II) – разомкнутый треугольник. Обмотка I позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка II предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.
Нормально на зажимах обмотки II напряжение равно нулю, поскольку равна нулю геометрическая сумма фазных напряжений всех трех фаз в сети с незаземленной нейтралью. При металлическом замыкании одной фазы в сети первичного напряжения на землю на зажимах обмотки II появляется напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух неповрежденных фаз (рис.1,б) Число витков обмотки II подбирается так, чтобы напряжение на ее выводах при металлическом замыкании фазы первичной сети на землю равнялось 100 В. При замыкании на землю через переходное сопротивление напряжение на обмотке II в зависимости от сопротивления в месте замыкания будет 0-100 В.
Реле напряжения, подключаемое к обмотке II, будет при соответствующей настройке реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, табло).
Персонал электроустановки может проконтролировать напряжение небаланса (вольтметром V2) и установить поврежденную фазу (вольтметром V1). Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.
Отыскание места замыкания на землю после получения сигнала должно начинаться немедленно, и повреждение должно устраняться в кратчайший срок. Допустимая длительность работы с заземленной 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). Особенно опасны дуги внутри машин и аппаратов, возникающие при однофазных замыканиях на заземленные корпуса или сердечники.
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 Uф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и образование КЗ в частях установки с ослабленной изоляцией.
Наиболее вероятно возникновение перемежающихся дуг при емкостном токе замыкания на землю более 5-10 А, причем опасность дуговых перенапряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допустимые значения тока нормируются и не должны превышать следующих значений:
В сетях 3-20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается Ic не более 10 А. В блочных схемах генератор-трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5А.
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 следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений, в нейтрали или фазе каждого трансформатора устанавливается пробивной предохранитель.
Трехфазные сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями
В сетях 3-35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм 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 IC также индуктивный ток реактора IL (рис. 3). Так как индуктивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если IC=IL (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.
Рис.3. Трехфазная сеть с резонансно-заземленной нейтралью
Суммарная мощность дугогасящих реакторов для сетей определяется из выражения
Q = n IC UФ, (6)
где n – коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять n = 1,25; IC – полный ток замыкания на землю, А; UФ – фазное напряжение сети, кВ.
По рассчитанному значению Q в каталоге подбираются реакторы требуемой номинальной мощности. При этом необходимо учитывать, что регулировочный диапазон реакторов должен быть достаточным для обеспечения возможно более полной компенсации емкостного тока при вероятных изменениях схемы сети (например, при отключении линий и т.п.). При IC ≥ 50 А устанавливают два дугогасящих реактора с суммарной мощностью по (6).
Рис. 4. Устройство дугогасящих реакторов
а – типа РЗДСОМ, б – типа РЗДПОМ
В России применяют дугогасящие реакторы разных типов. Наиболее распространены реакторы типа РЗДСОМ (рис.4,а) мощностью до 1520 кВ А на напряжение до 35 кВ с диапазоном регулирования 1:2. Обмотки этих реакторов располагаются на составном магнитопроводе с чередующимися воздушными зазорами и имеют отпайки для регулирования тока компенсации. Реакторы имеют масляное охлаждение.
Более точно, плавно и автоматически можно производить настройку компенсации в реакторах РЗДПОМ, индуктивность которых изменяется с изменением немагнитного зазора в сердечнике (рис.4,б) или путем подмагничивания стали магнитопровода от источника постоянного тока.
Дугогасящие реакторы должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации сетей генераторного напряжения реакторы располагают обычно вблизи генераторов. Наиболее характерные способы присоединения дугогасящих реакторов показаны на рис.5.
Рис.5. Размещение дугогасящих реакторов в сети
На рис.5,а показаны два дугогасящих реактора, подключенных в нейтрали трансформаторов подстанции, на рис.5.б – реактор, подключенный к нейтрали генератора, работающего в блоке с трансформатором. В схеме на рис.5, в показано подключение дугогасящего реактора к нейтрали одного из двух генераторов, работающих на общие сборные шины. Следует отметить, что при этом цепь подключения реактора должна проходить через окно сердечника трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП), что необходимо для обеспечения правильной работы защиты генератора от замыканий на землю.
При подключении дугогасящих реакторов через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, по мощности соизмеримые с мощностью реакторов, необходимо учитывать их взаимное влияние.
В первую очередь это влияние сказывается в уменьшении действительного тока компенсации по сравнению с номинальным из-за наличия последовательно включенного с реактором сопротивления обмоток трансформатора
(7)
где Iном,р – номинальный ток дугогасящего реактора; Uк% – напряжение КЗ трансформатора; Sном,т – номинальная мощность трансформатора.
Особенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора сказывается при использовании схемы соединения обмоток звезда-звезда, так как при однофазных замыканиях на землю индуктивное сопротивление у них примерно в 10 раз больше, чем при междуфазных КЗ. По этой причине для подключения реакторов предпочтительнее трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда-треугольник. В свою очередь наличие дугогасящего реактора в нейтрали трансформатора обусловливает при однофазных замыканиях на землю дополнительную нагрузку на его обмотки, что приводит к повышенному нагреву. Это особенно важно учитывать при использовании для подключения реактора трансформаторов, имеющих нагрузку на стороне низшего напряжения, например трансформаторов собственных нужд электростанций и подстанций. Допустимая мощность реактора, подключаемого к нагруженному трансформатору, определяется из выражения
(8)
где Sном,т – номинальная мощность трансформатора; Smax – максимальная мощность нагрузки.
Выражение (8) справедливо с учетом того, что значение cosφ нагрузки обычно близко к единице, а активное сопротивление реактора мало.
С учетом перегрузки трансформатора, допустимой на время работы сети с заземленной фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности kпер, допустимая мощность реактора, подключаемого к данному трансформатору, равна
(9)
При подключении реактора к специальному ненагруженному трансформатору необходимо выдержать условие 
(если перегрузка трансформатора допустима).
В сетях с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью, так же как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится возможность произвести необходимые переключения для отделения поврежденного участка. При этом следует учитывать также допустимое время продолжительной работы реактора 6ч.
Наличие дугогасящих реакторов особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет и линия не отключается. В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящий реактор, при однофазных замыканиях на землю напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли увеличиваются в √3 раз, т.е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейтралями.
Трехфазные сети с эффективно-заземленными нейтралями
В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Здесь применяется эффективное заземление нейтралей, при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах относительно земли равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали.
Рис.6. Трехфазная сеть с эффективно-заземленной нейтралью
Однако рассматриваемый режим нейтрали имеет и ряд недостатков. Так, при замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена ЭДС фазы (рис.6). 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.
Второй недостаток – 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.
Третий недостаток – 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, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в сетях 110-220 кВ). Возможно применение для тех же целей токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали трансформаторов.
Сети с глухозаземленными нейтралями
Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные напряжения (рис.7). 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.7) повреждение изоляции вызовет опасный потенциал на корпусе. Целость нулевого проводника нужно контролировать, так как его случайный разрыв может вызвать перекос напряжений по фазам (снижение его на загруженных фазах и повышение на незагруженных). Может быть принято при необходимости раздельное выполнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.
Рис.7. Трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью
Заземление. Режимы работы нейтрали
Контрольная
работа
Электроснабжение
промышленных предприятий
Тема
3. Заземление. Режимы работы нейтрали
Содержание
Введение
Назначение
и виды заземлений
Рабочее
заземление
Защитное
заземление
Грунт,
его структура и электропроводность
Заземление
грозозащиты
Расчёт
заземлителей
Введение
При проектировании и эксплуатации системы
электроснабжения предприятия одним из важнейших вопросов является вопрос о
заземлении. По большому счёту без рассмотрения данного вопроса разговор об электроснабжении
становится бессмысленным, поскольку в зависимости от системы заземления
нейтрали выбирается защитная аппаратура, изоляция электрооборудования. Поэтому
к рассмотрению данного вопроса необходимо подойти наиболее серьёзно.
Назначение и виды заземлений
Заземление какой-либо части установки называется
преднамеренное соединение её с заземляющим устройством с целью сохранения на
установке низкого потенциала и обеспечения нормальной работы системы или её
элементов в выбранном для них режиме.
Различают три вида заземлений:
рабочее заземление,
защитное заземление для безопасности людей,
заземление грозозащиты установки.
К рабочему заземлению относится заземление
нейтралей силовых трансформаторов и генераторов, глухое, либо через дугогасящий
реактор для гашения дуги замыкания на землю, трансформаторов напряжения,
реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи и заземление
фазы при использовании земли в качестве рабочего провода.
Защитное заземление выполняется для обеспечения
безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путём заземления
металлических частей установки, которые в рабочем режиме не находятся под
напряжением, но могут оказаться под напряжением при перекрытии, либо пробое
изоляции.
Заземление грозозащиты служит для отвода тока
молнии в землю от защитных разрядников и ограничителей перенапряжения, а также
стержневых или тросовых молниеотводов.
Рабочее и защитное заземление должны выполнять
своё назначение в течение всего года, тогда как заземление грозозащиты лишь в
грозовой сезон.
Для реализации любого вида заземления требуется
заземляющее устройство, состоящее из заземлителя, располагаемого в земле и
заземляющего проводника, соединяющего оборудование с заземлителем.
Заземлители подразделяются на естественные и
искусственные. Естественными заземлителями считаются проложенные в земле
конструкции не предназначенные для целей заземления, но используемые как
заземлители. К естественным заземлителям относятся металлические трубопроводы,
обсадные трубы, арматура железобетонных конструкций сооружений и т. п.
Искусственные заземлители выполняются только для
заземления. Искусственный заземлитель может состоять из одного или многих
вертикальных и горизонтальных электродов и характеризуется значением
сопротивления от поверхности заземлителя до уровня нулевого потенциала, которое
окружающая земля оказывает стекающему с него току. Сопротивление заземлителя
определяется отношением потенциала на заземлителе к стекающему с него току.
Рабочее заземление
Нейтрали трансформаторов трёхфазных
электрических установок, к обмоткам которых подключены электрические сети,
могут быть заземлены непосредственно, либо через индуктивные или активные
сопротивления, либо изолированы от земли.
Если нейтраль обмотки трансформатора
присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое
сопротивление, то такая нейтраль называется глухозаземлённой, а сети,
подсоединённые к ней, соответственно, – сетями с глухозаземлённой нейтралью.
Нейтраль, не соединённая с заземляющим устройством называется изолированной
нейтралью. Сети, нейтраль которых соединена с заземляющим устройством через
реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий ёмкостной ток сети,
называются сетями с резонанснозаземлённой либо компенсированной нейтралью.
Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (активное сопротивление)
называется сеть с резистивнозаземлённой нейтралью. Электрическая сеть,
напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает
1,4 (коэффициент замыкания на землю – отношение разности потенциалов между
неповреждённой фазой и землёй в точке замыкания на землю другой или двух других
фаз к разности потенциалов между фазой и землёй в этой точке до замыкания 
) называется
сеть с эффективнозаземлённой нейтралью.
При однофазном замыкании на землю
нарушается симметрия электрической системы: изменяются напряжения фаз
относительно земли, появляются токи замыкания на землю, возникают
перенапряжения в сетях. Степень изменения симметрии зависит от режима нейтрали.
Выбор режима нейтрали в
электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения
потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и
экономичностью электроустановок.
Сети с глухозаземлённой нейтралью
(рис. 3.1). Такое заземление нейтрали применяется в четырёхпроводных сетях
напряжением до 1000В, а так же в сетях 220кВ и выше. Такой режим нейтрали
исключает превышение номинального напряжения сети по отношению к земле.
Все корпусы электрооборудования,
присоединённого к четырёхпроводной сети до 1000В, каркасы распределительных
щитов должны иметь металлическую связь с заземлённой нейтралью установки. При
этом, замыкание на корпус любой фазы приведёт к короткому замыканию с
достаточно большим током, предохранитель повреждённой фазы перегорит и сеть
будет продолжать работу в неполнофазном режиме. Напряжение по отношению к земле
двух других фаз, оставшихся в работе, не превысит фазного.
При коротких замыканиях на землю в
сетях 220кВ и выше в месте повреждения возникает электрическая дуга с большим
током, которая гасится отключением линии электропередачи с последующим её
включением (АПВ). В переходном режиме и при коммутации в сети возникают
внутренние перенапряжения, наибольшая величина которых относительно земли
характеризуется их кратностью к номинальному фазному напряжению:
. (3.1)
Рис. 3.1 Сеть с глухозаземлённой
нейтралью
Сеть с изолированной нейтралью (рис.
3.2). Данный вид заземления нейтрали получил широкое распространение в России
после Великой Отечественной войны, когда необходимо было обеспечить
безаварийную работу потребителей разрушенных предприятий, а так же с малыми
затратами. При этом снижается стоимость заземляющих устройств, сокращается
количество оборудования (трансформаторы тока, аппараты защиты). Данный вид
заземления применяется в распределительных сетях 3-35 кВ.
В сетях с изолированной нейтралью
замыкание одной фазы, а такого вида повреждения составляет до 80% всех повреждений,
на землю не нарушает режим работы потребителей. Сеть будет продолжать работать
в полнофазном режиме, но при этом напряжение двух неповреждённых фаз по
отношению к земле увеличиваются до линейных значений. Поэтому изоляция
электрооборудования должна быть рассчитана на величину линейной изоляции.
Ток однофазного замыкания на землю
определяется частичными ёмкостями неповреждённых фаз сети по отношению к земле
и зависит от напряжения, конструкции и протяжённость сети. При однофазном
замыкании напряжение повреждённой фазы становится равным нулю (UA=0) по
отношению к земле, а напряжение двух других фаз становится равным междуфазным
(UВ=UС=
Uф).
Ток замыкания на землю:
Iкз=Uф jω3C0. (3.2)
Данный вид заземления следует
использовать при условии надёжного контроля изоляции сети.
При замыкании на землю одной фазы,
например фазы «А», напряжение этой фазы по отношению к земле будет равно нулю,
а напряжение двух других фаз увеличится в раз, и угол сдвига между векторами
этих напряжений будет 60○. Ёмкостный ток повреждённой фазы будет равен
нулю, а ёмкостные токи каждой неповреждённой фазы увеличатся пропорционально
увеличению напряжения на ёмкости и соответственно будут равны IСВ и IСС.
Суммарный ток через ёмкости неповреждённых фаз 3IС, равный геометрической сумме
токов этих фаз, будет проходить через место замыкания фазы С на землю,
замыкаясь через источник питания. Ориентировочно, ток при замыкании на землю в
зависимости от длины линий l можно оценить: для кабельных линий:
, (3.3)
для воздушных линий:
. (3.4)
б)
Рис. 3.2 Сеть с изолированной
нейтралью: а) – схема протекания ёмкостных токов в сети при замыкании фазы на
землю, б) – векторная диаграмма напряжений и токов при замыкании фазы «А» на
землю.
При неметаллическом замыкании на
землю в месте замыкания возникает перемежающая дуга, сопровождающаяся
повторными гашениями и зажиганиями. Между ёмкостью и индуктивностью сети в этом
случае появляются свободные электрические колебания высокой частоты, вследствие
чего в сети возникают перенапряжения. Амплитуда дуговых перенапряжений может
достигать максимальных значений 3,2Uф на неповреждённых фазах.
Сеть с резонанснозаземлённой
нейтралью (рис. 3.3). При небольших ёмкостных токах дуга в месте замыкания
оказывается неустойчивой и быстро самопагасает. Предельные значения ёмкостного
тока замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, при которых ещё
обеспечивается самопагасание дуги в месте повреждения или величины которого не
являются опасными по напряжению прикосновения к опорам при длительном
протекании тока установлены опытом эксплуатации. Для сети 6кВ предельное
значение ёмкостного тока составляет 30 А, для сети 10 кВ – 10 А.
В мощных энергосистемах, когда
ёмкостный ток превышает указанные значения дуга может гореть длительное время,
вызывая перенапряжения и повреждения изоляции. Кроме того, однофазное замыкание
при длительном горении может перейти в междуфазное. Указанные последствия
длительного горения дуги могут быть устранены включением в нейтраль
трансформатора индуктивности L.
а) б)
Рис. 3.3 Сеть с
резонанснозаземлённой нейтралью. а – схема протекания токов в сети при
замыкании одной фазы на землю, б – векторная диаграмма токов в месте замыкания.
Сопротивление катушки подбирают
таким образом, чтобы индуктивный ток IL, проходящий через катушку, был по
величине равен суммарному ёмкостному току 3IC, проходящему через фазовые
ёмкости сети. В этом случае ток в месте замыкания фазы на землю, представляющий
собой геометрическую сумму этих двух токов, будет равен нулю и, следовательно,
возникшая дуга будет гаснуть:
. (3.5)
Однако через место замыкания
протекает остаточный ток, состоящий из активной и реактивной составляющих.
Первая из них обязана своим существованием активному сопротивлению катушки
сети, а вторая – неточной настройке катушки. Этот остаточный ток мал по
величине и находится в фазе или же составляет небольшой угол по отношению к
напряжению на нейтрали U0.
Резонансная настройка индуктивности
составляет практически сложную задачу, поэтому сети работают, обычно, в режиме
перекомпенсации.
Сеть с эффективно заземлённой
нейтралью. Чтобы повышение напряжения по отношению к земле на неповреждённых
фазах в сети с глухозаземлённой нейтралью в установившемся режиме не превышало
0,8Uлин (линейного напряжения), величина тока однофазного замыкания в любой
точке сети должна быть не менее 60% тока трёхфазного короткого замыкания в той
же точке (Х0=3Х1). Такой ток замыкания на землю обеспечивается заземлением
необходимого количества нейтралей трансформаторов и автотрансформаторов
электрической сети данного напряжения, а сеть, работающая при таких условиях,
называется сетью с эффективным заземлением нейтрали. В переходных режимах в
системах с эффективно заземлённой нейтралью кратность внутренних перенапряжений
по оценкам исследований не превышает 2,5.
Чем больше число заземлённых
нейтралей, тем меньше величина внутренних перенапряжений. Поэтому в сетях
напряжением 330 кВ и выше применяют глухое заземление всех трансформаторов.
Рис. 3.4 Сеть с заземлением нейтрали
через резистор.
Заземление всех или очень большого
количества нейтралей трансформаторов приводит к значительному увеличению тока
однофазного короткого замыкания, чего следует избегать в тех случаях, когда это
возможно (например, в сетях 110 кВ). Поэтому в сетях 110 кВ заземляют такое
количество нейтралей, которое обеспечивает упомянутую эффективность заземления.
В первую очередь заземляют нейтрали всех или части трансформаторов на узловых
подстанциях, а затем уже нейтрали трансформаторов в других точках сети.
Сеть с заземлением нейтрали через
резистор (рис. 3.4). Опыт эксплуатации показывает, что уменьшить величину дуговых
перенапряжений и число замыканий на землю без значительного искусственного
увеличения тока замыкания на землю, сохранив тем самым возможность работы сети
без автоматического отключения однофазных повреждений, можно за счёт включения
в нейтраль сети высокоомного резистора.
Высокоомный резистор в нейтрали
системы обеспечивает стекание заряда нулевой последовательности за время Т
между двумя замыканиями, составляющее полупериод промышленной частоты.
Имея выражение для постоянной
времени:
и полагая практически полное
стекание заряда за время t=0,01 сек, получаем выражение для сопротивления 
. Резистор,
выбранный из этого условия, создаёт в месте повреждения активную составляющую
тока, равную ёмкостной. Действительно, ёмкостной ток замыкания равен: Ic=3ωCUф, а ток
резистора IRN=Uф/RN . Из условия IC=IRN получаем выражение:
. (3.7)
При чисто ёмкостной цепи замыкания
на землю резистор, выбранный таким образом, увеличивает ток замыкания в 
раз.
Важной особенностью применения
высокоомного резистивного заземления нейтрали является то, что при снижении
ёмкости сети постоянная времени стекания заряда нулевой последовательности
через выбранный резистор уменьшится, и, следовательно, стекание заряда будет
происходить ещё быстрее.
Защитное заземление
В качестве электродов заземлителя используются
как вертикальные стержни различной формы сечения (уголок, труба и др.), так и
горизонтальные полосы, которые могут иметь большую длину. Наиболее просто
рассчитывается сопротивление заземлителя полушаровой формы. Предположим, что
такой заземлитель присоединён к корпусу электрооборудования, и отводит в землю
ток частотой 50 Гц в случае пробоя изоляции (рис. 3.5).
Рис. 3.5 К расчёту сопротивления полушарового
электрода
Сопротивление элементарного слоя
земли между эквипотенциальными поверхностями (полусферами) с радиусами r и r+dr
в грунте с удельным сопротивлением ρ 
и всё
сопротивление растекания тока с заземлителя-полушара радиусом r0 составит:
(3.8)
Потенциал точек земли на расстоянии
r от центра заземлителя
, (3.9)
где I – ток замыкания на землю
установки, стекающий с заземлителя при нарушении изоляции.
Если во время протекания тока I
человек касается корпуса электрооборудования, то к нему оказывается приложенным
напряжение, равное разности потенциалов корпуса U0 и земли в месте расположения
ног человека Ur, называемое напряжением прикосновения Uпр= U0 – Ur
Напряжение на теле человека с
сопротивлением RT:
, (3.10)
где Ucт – падение напряжение в
сопротивлении растекания с двух ступней человека в землю Rст/2.
Человек, идущий к трансформатору,
оказывается под шаговым напряжением Uш , которое зависит от длины шага и
расстояния человека до заземлителя. Во всех случаях напряжение на теле человека
UТ при шаге будет меньше, чем при прикосновении, так как всегда 
, а
относительное сопротивление пути тока через человека при шаге меньше, чем при
прикосновении.
Для обеспечения безопасности
обслуживающего персонала заземляющее устройство электрической установки следует
проектировать таким образом, чтобы напряжение на теле человека от Uпр и Uш в
любых условиях не превосходило допустимых или безопасных для человека значений.
Достигнуть этого можно снижением сопротивления заземлителя, выравниванием
кривой распределения потенциала заземлителя по поверхности земли вблизи
заземлённых объектов, а также увеличением удельного сопротивления верхнего слоя
земли, например, путём подсыпки гравия или путём использования изолирующих
площадок и бот.
Снижение сопротивления заземлителя
достигается прокладкой в земле горизонтальных и вертикальных проводников.
Сопротивление заземляющего устройства при этом не должно превосходить
определённого нормируемого значения.
В целях выравнивания электрических
потенциалов между электрооборудованием и землёй и для обеспечения присоединения
этого оборудования к заземлителю на глубине 0,5-0,7 метров от поверхности земли
на территории, занятой оборудованием, прокладывают продольные и поперечные
проводники, называемые горизонтальными заземлителями, и соединяют их между
собой в заземляющую сетку.
С целью экономии металла и более
равномерного распределения потенциалов расстояния между поперечными
заземлителями принимают увеличивающимися от периферии к центру.
В качестве вертикальных электродов
используются стальные трубы, угловая и круглая сталь длиной 2-10 м. Наименьшие
поперечные размеры электродов диктуются необходимостью надёжной работы
заземлителя при коррозии и могут быть увеличены из условий достаточной
механической прочности при погружении их в грунт.
Горизонтальные полосовые заземлители
в виде лучей или контуров используются как самостоятельные заземлители, либо
как элементы сложного заземлителя из горизонтальных и вертикальных электродов. Толщина
элементов для вертикальных и горизонтальных заземлителей принимается не менее 4
мм2.
При увеличении урбанизации, дефицита
земли в городах, а так же для уменьшения монтажных работ в последнее время
используются глубинные заземлители: от одного до десяти вертикальных
заземлителей, забиваемых на глубину до 50 м. Такие глубинные заземлители, как
правило, выполняют в виде составного стального стержня, покрытого медью.
Для расчёта сопротивления
заземлителя одним из параметров, необходимых для расчёта являются свойства
грунта.
Грунт, его структура и
электропроводность
Земля, в которой происходит
растекание тока с заземлителя, является средой весьма сложной и неоднородной по
составу, структуре, так и по глубине. Основными составными частями земли
являются твёрдые частицы неорганического и органического происхождения и вода.
Электропроводность твёрдой основы грунта минерального происхождения в сухом
состоянии ничтожна. Химически чистая вода также обладает весьма высоким
удельным сопротивлением. Однако содержащиеся в грунте различные соли и кислоты
при наличии влаги, являющейся хорошим растворителем, создают электролиты,
которые и определяют электропроводность земли. Таким образом, удельное
сопротивление грунта зависит от его химического состава и влажности.
Влажность грунта зависит не только
от количества осадков и близости грунтовых вод, но и от структуры грунта.
Отдельные частицы грунта окружены гигроскопической водой, адсорбированной
частицами грунта из водяных паров воздуха. Эта вода обволакивает частицы слоем
различной толщины, в зависимости от их размеров, находится под молекулярным
притяжением и может перемещаться только при переходе в парообразное состояние.
Поверх гигроскопической воды
образуется относительно тонкий слой плёночной воды, удерживаемой в грунте также
силами молекулярного притяжения. Эти силы меньше, чем для гигроскопической
воды, но значительно больше силы тяжести частиц плёночной воды. Эта вода может
передвигаться очень медленно только под влиянием молекулярных сил, переходя от
частиц с более толстой водяной плёнкой к частицам с более тонкой.
Максимальное количество воды,
удерживаемое грунтом в виде гигроскопической и плёночной воды, увеличивается с
уменьшением размера частиц и возрастанием сил поверхностного притяжения.
Осадки, просачиваясь в грунт, частично удерживаются как плёночная вода, либо,
при насыщении грунта водой, просачиваются к грунтовым водам.
Наиболее часто встречающиеся грунты
– песчаный, глинистый и перегнойный – сильно отличаются между собой по
структуре и составу. Песок и глина являются продуктом разрушения и выветривания
горных пород, перегнойный грунт в основном органического происхождения.
Увлажнение песка, бедного
электролитами, увеличивает его проводимость за счёт воды, проводимость которой
значительно больше, чем у твёрдой основы грунта. Увлажнение глины и перегноя,
богатых электролитами, ведёт к возрастанию их проводимости не только за счёт
проводимости воды, но и из-за увеличения диссоциации раствора электролита.
Значения удельных сопротивлений
различных грунтов могут быть названы лишь очень приближённо, так как сильно
зависят не только от вида грунта, но и от его влажности и атмосферных условий
(табл.3.1).
Таблица 3.1
|
Грунт |
Удельное |
Грунт |
Удельное |
|
Песок |
>400 |
Торф |
20-80 |
|
Супесок |
300-500 |
Гранит |
103-106 |
|
Суглинок |
100-200 |
Известняк |
102-103 |
|
Глина |
60-80 |
Мрамор |
103-108 |
|
Чернозём |
50-200 |
Речная |
10-30 |
Наиболее высокими удельными сопротивлениями
отличаются скальные породы, которыми так богат грунт в нашей местности. На величину
удельного сопротивления скальных пород решающее влияние оказывают такие факторы
как трещиноватость и выветрелость.
В общем случае грунт, в котором располагаются
заземлители, является неоднородным по глубине вследствие своего геологического
строения, залегания вод и пр. Кроме того, в течение года в связи с изменением
атмосферных условий меняются температуры земли, содержание и физическое
состояние влаги в земле, насыщенность её различных слоёв. Поэтому удельное
сопротивление земли на глубине до нескольких метров от поверхности земли, в так
называемом слое сезонных изменений сильно колеблется, увеличиваясь из-за
высыхания к концу лета и из-за промерзания зимой. Возможность высушивания
грунта, при расчёте удельного сопротивления земли, учитывается коэффициентом
сезонности:
, (3.11)
где ψ –
коэффициент сезонности, равный 1,4-1,8 для горизонтальных заземлителей,
уложенных на глубине 0,5 м и 1,2-1,4 для вертикальных заземлителей длиной до 3
м. Причём, если во время измерения земля сухая (мёрзлая), то принимается
меньшее значение, а если почва влажная – большая величина.
Проектирование заземляющих устройств
должно вестись с учётом неоднородности грунта. На основании результатов
непосредственных измерений по методу вертикального электрического зондирования
определяется удельное сопротивление различных слоёв грунта по глубине.
Заземление грозозащиты
Заземлители молниеотводов служат для
отвода тока молнии в землю. Массовое устройство заземлителей (например, на
воздушных ЛЭП с тросами) ставит задачу выбора наиболее экономичных
заземлителей, обеспечивающих малое сопротивление растеканию тока при минимуме
затраты металла.
Рис. 3.6 Характер процессов в грунте при
прохождении через заземлитель импульсного тока
Основным назначением заземления
грозозащиты является эффективное отведение тока молнии. Сопротивление
заземлителя при протекании импульсного тока Rи отличается от сопротивления
переменного тока 
, они
связаны соотношением:
, (3.12)
Особенностями тока молнии являются
его большая амплитуда и кратковременность. Обе эти особенности оказывают
влияние на величину коэффициента импульса. При стекании с заземлителя тока
плотностью δ
в
грунте возникает электрическое поле напряжённостью Еи= δρи , где ρи – удельное
сопротивление грунта при стекании импульсного тока. С увеличением δ возрастает
и напряжённость поля. Установлено, что с ростом напряжённости поля удельное
сопротивление грунтов плавно падает. Этот эффект связан с явлением нелинейной
проводимости, свойственным всем полупроводникам. При дальнейшем возрастании
плотности стекающего с заземлителя тока напряжённость электрического поля
вблизи заземлителя достигает пробивной напряжённости грунта 10-12 кВ/см.
Искрообразование приводит к резкому
снижению падения напряжения вблизи заземлителя, что эквивалентно резкому
падению ρи.. В
расчётах заземлителей обычно пренебрегают падением напряжения в искровом
разряде. Однако в искровой зоне градиенты достигают 1,2-1,4 кВ/см.
При дальнейшем повышении напряжения
и с течением времени искровой разряд переходит в дуговой с очень малыми
градиентами в дуговой зоне. Так как ток молнии достаточно велик, то около
заземлителя возникают все возможные зоны: полупроводниковая, искровая, дуговая.
Чем меньше линейные размеры
заземлителя, тем при заданном токе больше плотность стекающего тока δ. Поэтому
коэффициент импульса α
снижается
с уменьшением размера сосредоточенного заземлителя. Коэффициент импульса
снижается также при возрастании тока. Однако, очевидно, что напряжение на
заземлителе U=IRи всё же растёт с ростом ρ, I, хотя кривая этого роста
резко нелинейна.
Падение ρ вследствие
искрообразования в грунте эквивалентно увеличению размеров заземлителя.
Соответственно происходит как бы относительное сближение индивидуальных
заземлителей в составной конструкции и снижения её коэффициента использования.
Тогда, сопротивление составного заземлителя:
, (3.13)
где ηи –
коэффициент использования заземлителя в импульсном режиме.
Импульсное искрообразование в грунте
происходит с довольно большим запаздыванием. Вследствие этого импульсные
коэффициенты заземлителей оказываются зависимыми от времени.
Импульсный характер воздействия
напряжения приводит к необходимости подразделять заземлители на сосредоточенные
и протяжённые. К первым принадлежат заземлители, протяжённость которых
достаточно мала, чтобы можно было считать потенциалы во всех точках заземлителя
одинаковыми. Протяжёнными называются заземлители, вдоль которых необходимо
учитывать волновой процесс распространения напряжения и тока. Обычно это
заземлители горизонтального типа. Каждый из лучей такого заземлителя может быть
представлен цепочечной схемой замещения длинной линии с удельными
индуктивностью L0 и нелинейной проводимостью g0 (рис.3.7) . В первые моменты
приложения импульсной волны напряжение на дальних участках заземлителя мало. В
эти моменты времени отвод тока с заземлителя осуществляется только на начальных
его участках. Затем напряжение вдоль заземлителя выравнивается и весь
заземлитель используется для отвода тока молнии. Использование луча заземлителя
в заданный момент времени может быть охарактеризовано отношением Ul/U0 , где Ul
и U0 – напряжение в конце и начале луча. Чем ближе Ul/U0 к единице, тем лучше
использование заземлителя. Чем меньше Ul/U0 , тем протяжённее заземлитель.
Рис. 3.7 Цепочечная схема замещения
протяжённого заземлителя
заземление
электропроводность грунт нейтраль
Так как соотношение Ul/U0 всегда
растёт с уменьшением длины луча заземлителя, то с точки зрения экономии металла
выгоднее заземлитель выполнять трёх и четырёхлучевым. При дальнейшем увеличении
числа лучей снижается коэффициент использования заземлителя вследствие
взаимного экранирования лучей, кроме того, осложняются земляные и монтажные
работы. Длина лучей в заземлителе выбирается по условиям обеспечения
необходимого Rи.
Как и сосредоточенные заземлители,
протяжённые заземлители характеризуется импульсным коэффициентом использования α, который
по-прежнему падает с увеличением тока и удельного сопротивления почвы. Однако
вследствие резкого спада напряжения вдоль протяжённого заземлителя большой
длины коэффициент α
может
оказаться больше единицы. Такое недоиспользование длины является характерной
особенностью протяжённого заземлителя.
Расчёт заземлителей
Расчёт заземляющего устройства носит поверочный
характер в том случае, когда схема заземления задана, либо носит чисто
расчётный характер по заданной величине нормированного сопротивления создаётся
его схема. Во всех случаях при расчёте необходимой величиной является удельное
сопротивление грунта, причём наиболее желательными являются результаты
непосредственных измерений. Величины удельных сопротивлений подвержены сезонным
изменениям, причём наибольшее влияние оказывают влажность, температура, степень
промерзания, наличие солей.
Чем глубже расположен заземлитель, тем
стабильнее оказывается сопротивление грунта и лучше условия для растекания
тока. Чтобы исключить вероятность повышения удельного сопротивления, в расчётах
используется удельное сопротивление, полученное непосредственным измерением ρизм
на данном участке, умноженное на коэффициент сезонности ψ
,
учитывающий возможность высыхания и замерзания грунта: ρрасч=ρизм
ψ.
При конструировании заземляющих устройств, как
правило, используются стандартные элементы: трубы, уголковая и полосовая сталь.
Для всех этих элементов выведены расчётные формулы сопротивления растеканию
тока промышленной частоты, учитывающие линейные размеры элементов и глубину их
заложения. Следует оговориться, что при расчёте заземляющих устройств могут
использоваться различные расчётные формулы, полученные разными исследователями.
В данной работе приведён один из возможных вариантов расчёта заземляющего
устройства, который нисколько не умаляет правильность других методов.
Для всех элементов выведены расчётные формулы
сопротивления растеканию тока промышленной частоты, учитывающие линейные
размеры элементов и глубину их заложения, которые указаны в таблице 3.2.
Требования, предъявляемые к заземляющему
устройству в отношении величины сопротивления, в большинстве случаев не могут
быть удовлетворены одиночным заземлителем.
Практически для получения приемлемых величин
сопротивления создают сложный заземлитель, состоящий из n параллельно
соединённых одиночных заземлителей. Можно было бы предположить, что общее
сопротивление такого сложного заземлителя будет в n раз меньше сопротивления
каждого элемента.
На самом деле, при использовании сложного
заземлителя поля растекания токов с отдельных электродов перекрывают друг друга
и сопротивление всего заземлителя оказывается больше предполагаемого.
Увеличение сопротивления сложных заземлителей учитывается коэффициентом
использования η.
Значения коэффициентов использования зависят от
конструктивного выполнения сложного заземлителя и для горизонтальных и
вертикальных заземлителей приведены в таблицах 3.3, 3.4.
Расчётная формула для сложного заземлителя из
полосовых однотипных заземлителей с учётом взаимного экранирования имеет вид:
. (3.14)
Для сложного заземлителя, состоящего
из n вертикальных электродов и объединяющих их горизонтальных:
, (3.15)
где 
– принимается для конкретной схемы
всего заземлителя.
Не менее важным следствием
использования сложных заземлителей, кроме снижения общего сопротивления, является
повышение потенциала на участках между электродами. Общее выравнивание
потенциала значительно снижает шаговое напряжение и напряжение прикосновения в
зоне наиболее вероятного нахождения обслуживающего персонала.
Как видно из рис. 8, вокруг сложного
заземлителя происходит своеобразное распределение потенциалов: между
параллельно соединёнными одиночными заземлителями потенциалы во всех точках
земли выше, чем они были бы для каждого заземлителя в отдельности, и величины
этих потенциалов нигде не опускаются до нуля.
Рис. 3.8 Характер потенциальной кривой для
сложного заземлителя.
Такое свойство сложного заземлителя: повышать
потенциал земли при сближении параллельно соединённых одиночных заземлителей,
даёт возможность удерживать напряжение прикосновения и шага в защищаемой зоне
на безопасном уровне. Это свойство используется в контурном заземлении,
представляющем собой замкнутый контур, охватывающий участок, на котором
находятся заземлённые части установок. При контурном заземлении заземлители
располагаются по периметру защищаемой территории, а при большой ширине её –
закладывают так же внутри неё.
Таблица 3.2
|
№ |
Схема |
Расчётная |
Примечание |
|
1 |
|
||
|
2 |
|
||
|
3 |
|
Горизонтально
Вертикальный
Вертикальный4
Кольцо
|
|
Таким образом, расчёт сопротивления заземления с
учётом импульсных свойств рекомендуется производить в следующей
последовательности:
принимается конкретная схема соединения
элементов заземления;
по известной величине удельного сопротивления
грунта (обычно измеряется на месте) находят его расчётную величину умножением
на коэффициент сезонности;
определяют сопротивление заземления для каждого
типа электродов, применительно к стационарному режиму;
по принятой величине импульсного тока находят
ток, стекающий с каждой ветви, учитывая, что ток распределяется обратно
пропорционально сопротивлениям заземлителей;
по найденной величине тока в каждом заземлителе
и расчётной величине удельного сопротивления грунта находят коэффициент
импульса и импульсную величину сопротивления растеканию;
находят импульсное сопротивление сложной
системы, вводя в расчёт импульсное сопротивление заземлителей и коэффициент
использования для заданной схемы.
Литература
Морозова
И.М., Кузнецов Ю.В. Проектирование схем энергоснабжения промышленных
предприятий и городов: Учеб. Пособие. Екатеринбург. 2004. Рос. гос. проф.-пед.
ун-т, 200. 86 с.
Сибикин
Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок – М.: В.Ш., 2006.
Шеховцов
В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Метод. пособие для
курсового проектирования. М.: «Инфра – М, Форум», 2003.
Конюхова
Е.А. Электроснабжение объектов. Учебное пособие для студентов. – М.:изд-во
«Мастерство», 2007.
Бороздин
И.В. Электроснабжение предприятий. Практикум. «Дизайн ПРО», 2000.
Назмеев
Ю.Г. Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий. М.:
МЭИ, 2003.
Соколов
Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: МЭИ, 2008.
Правила
устройства электроустановок. Минэнерго – М.: «Энергоатомиздат», 2003.
Арсеньев
Г.В. Энергетические установки: Учеб. для вузов по спец.
«Электроснабжение».-М.:Высш.шк.,2001.-336 с.ил.
Нейтралями электроустановокназывают общие точки обмоток генераторов
или трансформаторов, соединенных в
звезду.
Вид связи нейтралей машин и трансформаторов
с землей в значительной степени определяет
уровень изоляции электроустановок и
выбор коммутационной аппаратуры,
величину перенапряжений и способы их
ограничения, токи при однофазных коротких
замыканиях на землю, условия работы
релейной защиты, безопасность в
электрических сетях, электромагнитное
влияние на линии связи и т.д. [2].
В зависимости от режима работы нейтрали
электрические сети делятся на 4 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.
Режим нейтрали определяет ток однофазного
короткого замыкания, и в зависимости
от его величины сети делятся на сети с
малыми токами замыкания на землю (менее
500 А),в основном это сети 1-й и 2-й
групп, и сети с большими токами замыкания
на землю (более 500А).
3.1. Работа сети с изолированной нейтралью
На рис. 3.1 представлена трехлинейная
схема замещения трехфазной сети с
изолированной от земли нейтралью. Все
источники питания сети заменены одним
эквивалентным, соединенным в звезду
источником, все линии одной эквивалентной линией, все приемникиодним эквивалентным
приемником. С достаточно высокой
достоверностью можно считать, что все
фазы схемы замещения имеют одинаковые
параметры (схема симметрична). Из
параметров эквивалентной линии при
анализе режима нейтрали имеют значение
только зарядные токи и емкостные
проводимости относительно земли, которые
и изображены на рис. 3.1.
Расчетная емкостная проводимость одной
фазы сети равна
,
где В емкостная проводимость сети,См;
b0i,
удельная емкостная
проводимость линииi(на единицу длины).См/км;
li
эквивалентная
длина линииiс учетом
параллельных ветвей,км.
В
ис. 3.1.
Схема
замещения сети с изолированной нейтралью:
а)
нормальный режим работы; б) режим
однофазного замыкания на землю в фазе
с,
1
– эквивалентный источник питания сети;
2 – эквивалентная линия.
3
– эквивалентный приемник, подключенный
к сети
сетях 6 –
35кВудельная емкостная
проводимостьb0у кабельных линий при
сечениях жил 10-300мм2находится в пределах (60-180)•10–6См/кми определяется
конструкцией кабеля [3]. У
воздушных линий со сталеалюминиевыми
проводами сечением 25150
мм2и
среднегеометрическим расстоянием между
проводами 13мудельная емкостная проводимость
находится в пределах(2,73,6)•10–6
См/км.
При отсутствии
данных о длине и емкостной проводимости
каждой линии сети для расчета зарядного
тока обычно пользуются усредненными
коэффициентами емкостной проводимости:
где Iззарядный ток,
А;Uномноминальное фазное напряжение сети,кВ;bксредний
коэффициент емкостной проводимости
кабельных линий,См/км; lк
суммарная
эквивалентная длина кабельных линий
сети,км; bв
средний коэффициент
емкостной проводимости воздушных линий,См/км; lвсуммарная
эквивалентная длина воздушных линий,км.
При напряжениях до 10 кВэта формула
имеет вид
В
Рис.
3.2.
Векторные диаграммы напряжения
относительно земли и зарядных токов
сети с изолированной нейтралью
действующих сетях наиболее
достоверные данные о зарядном токе
получают путем измерений.
Векторная диаграмма напряжений
относительно земли и зарядных токов
сети приведена на рис. 3.2, а.По
сравнению с током нагрузки зарядный
ток очень мал и в нормальных режимах
работы заметного влияния на работу сети
не оказывает.
При нарушении изоляции одной фазы
возникает однофазное замыкание на землю
(см. рис. 3.1, б). Напряжение этой
фазы (фазас) относительно земли
становится равным нулю, напряжение
остальных фаз относительно землимеждуфазному напряжению, а зарядные
токи этих двух фаз увеличиваются в
раз (рис. 3.2,б).
В сети с
изолированной нейтралью коэффициентом
замыкания на землю называют отношение
,
в котором
напряжение неповрежденной фазы при
коротком замыкании в другой фазе (других
фазах);Uнпнапряжение той же фазы в нормальном
режиме). Для рассматриваемого случаяkз.з=
.
Сумма зарядных токов фаз и тока замыкания
на землю Iз.здолжна равняться нулю. Учитывая сдвиг
фазы между зарядными токами двух
неповрежденных фаз, можно заключить,
что
.
ЗдесьIззарядный ток одной фазы в нормальном
режиме работы;
то же в неповрежденной
фазе при замыкании на землю в другой
фазе). ТокIз.з по сравнению с нагрузочным током сети
или ее отдельных линий относительно
мал и может вызывать заметную перегрузку
линий только при очень малых сечениях
проводников поврежденной линии.
Замыкание на землю практически не влияет
на систему междуфазных напряжений и
режимы работы приемников, включенных
на линейное напряжение, так как поверхность
земли в точке заземления (повреждения)
приобретает потенциал фазы (на рис. 3.2
фазыс), а
напряжение здоровых фазаиbотносительно земли (и фазыс)
становится линейным (междуфазным).
В связи с этим замыкание на землю в сетях
с изолированной нейтралью считается
не аварийным, а лишь анормальным режимом,
при возникновении которого сеть и
поврежденная линия могут оставаться
включенными и в течение некоторого
времени продолжать работу; при этом
питание потребителей не прерывается.
Время, за которое требуется отыскать и
отключить возникающее в сети замыкание
на землю, обычно принимают равным 2 ч.Поскольку из всех видов нарушения
изоляции однофазные замыкания на землю
составляют около 7585%,
то это обстоятельство существенно для
обеспечения надежности питания
потребителей. Другим преимуществом
рассматриваемого вида сетей является
отсутствие устройств заземления
нейтрали, что снижает стоимость сети.
При работе в сетях с изолированной
нейтралью следует обращать внимание
на следующие обстоятельства:
1) повышение напряжения двух фаз
относительно земли во время замыкания
на землю третьей приводит к тому, что
изоляцию всех фаз относительно земли
необходимо рассчитывать не на фазное,
а на междуфазное напряжение. Только при
напряжениях до 35 кВэто не вызывает
существенного удорожания сети;
2) возможность образования в месте
замыкания на землю перемежающейся
электрической дуги обусловливает
возникновение коммутационных
перенапряжении с амплитудой 46Uном.
Эти перенапряжения могут нарушить
работу некоторых приемников и привести
к пробою изоляции в других местах и
других фазах сети;
3) тепловое
действие дуги на изоляцию фаз сети в
месте замыкания на землю может привести
к переходу однофазного замыкания на
землю в двух или трехфазное (в кабельных
линиях и в других случаях близкого
расположения фазных проводников друг
к другу);
4) возникновение в сети и в источниках
питания при замыкании на землю системы
токов обратной последовательности
может привести к индуцированию в роторах
синхронных генераторов токов двойной
частоты и к существенному дополнительному
нагреву роторов.
Из-за
приведенных выше нежелательных явлений
работа сети с изолированной нейтралью
допускается, если токи замыкания на
землю не превышают некоторых максимально
допустимых значений, находящихся обычно
в пределах 1030А(табл. 3.1). Величины максимально допустимых
токов замыкания на землю зависят от
типа используемых опор.
Таблица 3.1.
Допустимый ток замыкания на землю в
сетях высокого напряжения с изолированной
нейтралью напряжением до 35 кВ
|
Тип опор |
Напряжение сети, |
Максимально |
|
Деревянные |
З и 6 10 1520 35 |
30 20 15 10 |
|
Железобетонные, |
335 |
10 |
В России
с изолированной нейтралью работают
следующие сети:
1)
трехфазные сети 6-35 кВ,в которых
токи замыкания на землю не превышают
допустимых значений;
2)
трехфазные трехпроводные сети до 1 кВ
(например, сети 220 и 660 В);
3)
двухпроводные сети постоянного тока;
4) все
сети низких напряжений, в которых для
обеспечения безопасности людей
предусматривают защитные мероприятия,
не связанные с применением заземлений
(защитная изоляция, разделяющие
трансформаторы и др.).
Соседние файлы в папке met-snabgenie
- #
- #
- #
- #
- #
10.06.2015247 б40readme.txt
- #
10.06.20151.28 Кб42soderj.txt
- #
10.06.201582 б43Электронная электротехническая библиотека.url