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.

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли (U_A, U_B, U_C) симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли I_C0A, I_COB и I_COC также симметричны и равны между собой (рис. 1, а). Емкостный ток фазы

где С - емкость фазы относительно земли.

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Ёмкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с заземленной 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.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 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:

т. е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток I _С оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:

I _С зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит, в основном, от конструкции линий сети и их протяженности. Приближенно ток I_{С ,} А, можно определить по следующим формулам:

для воздушных сетей

для кабельных сетей

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 нейтралъю 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 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.

В связи с изложенным в сетях 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 (/) — звезда, вторая (//) — разомкнутый треугольник. Обмотка / позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка // предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.

Нормально на зажимах обмотки // 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 // появляется напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух неповрежденных фаз (рис. 1, б) Число витков обмотки // 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 // в зависимости от сопротивления в месте замыкания будет 0 — 100 В.

Реле напряжения, подключаемое к обмотке //, 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 V_г). 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 длительностьс заземленной фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве 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 (§ 1.2.16 ПУЭ) и не должны превышать следующих значений:

Напряжение сети, кВ..........3 – 6 10 15 – 20 35

Емкостный ток замыкания на землю, А.. 30 20 15 10

В сетях 3 – 20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается I_С не более 10 А. В блочных схемах генератор-трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5 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 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.