Свойства сетей с глухо заземленной нейтралью и с эффективно заземленной нейтралью

С глухозаземленной нейтралью работают электрические сети напряжением 220 кВ и выше Сети напряжением 110 кВ работают с эффективно зазем­ленной нейтралью.

Рассмотрим свойства таких сетей.

В сетях напряжением 220 кВ и выше заземляют нейтрали всех трансформаторов (рисунок 7.4). Разъединители в цепи нейтралей трансформаторов класса 220 кВ и выше не устанавливаются

 

Рисунок 7.4 – Сеть с глухо заземлёнными нейтралями

 

В нормальном режиме работы заземление нейтрали на работу сети не влияет. Влияние режима заземления нейтрали проявляется только при замыканиях на землю.

Рассмотрим однофазное короткое замыкание на землю в точке К. Заземленная нейтраль, линия и место замыкания на землю образуют замкнутый контур через землю. При заземлении нейтралей двух трансформаторов, как это показано на рисунке 7,4, будет два замкнутых контура через землю, в которых протекают токи КЗ I_к1 и I_к2. 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 этом суммарный ток в месте однофазного КЗ в комплексной форме определяется по выражению:

(7.1)

где Z_1Σ, Z_0Σ, - эквивалентные (суммарные) сопротивления, прямой и нулевой последовательности; U_Ф – фазное напряжение.

Ток при трехфазном коротком замыкании.

. (7.2)

 

Эквивалентные сопротивления прямой и нулевой последовательности в сетях 110 кВ и выше могут быть соизмеримы по величине. При этом токи однофазного короткого замыкания могут быть близки по величине к токам трехфазного короткого замыкания. Поэтому сети 110 кВ и выше называют сетями с большими токами замыкания на землю. Большие токи при КЗ на землю – это главное свойство сетей с глухо заземленными и эффективно заземленными нейтралями.

Это и преимущество, и недостаток таких сетей. Преимущество: при большом токе короткого замыкания можно сравнительно просто выявить поврежденную линию, сравнительно просто определить место КЗ и быстро отключить (изолировать) поврежденный элемент.

Недостаток: при большом токе короткого замыкания усложняется работа оборудования. Повышаются требования к термической и динамической стойкости.

Сети 110 кВ и сети напряжением 220 кВ и выше имеют одно важное отличие: воздушные линии напряжением 220 кВ и выше выполняются без ответвлений и не имеют промежуточных отборов мощности. Воздушные линии 110 кВ, в отличие от линий напряжением 220 кВ и выше, имеют многочисленные ответвления к подстанциям промышленных предприятий. При 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 пяти ответвительных подстанций.

Рисунок 7.5 – Сеть с эффективно заземленной нейтралью

 

При этом число трансформаторов в сети 110 кВ может быть в несколько раз больше, чем в сетях напряжением 220 кВ и выше. Если в сети 110 кВ нейтрали всех трансформаторов заземлить, то при однофазном КЗ на землю будет несколько контуров для токов КЗ. Это приведет к резкому снижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности Z_0Σ. Если сопротивление нулевой последовательности снизится до сопротивления прямой последовательности и будет выполнено равенство Z_1Σ = Z_0Σ, то, в соответствии с (7.1) и (7.2), ток однофазного короткого замыкания будет равен току трехфазного короткого замыкания. Если сопротивление нулевой последовательности станет меньше сопротивления прямой последовательности Z_0Σ <Z_1Σ, то ток однофазного короткого замыкания в соответствии с (7.1) и (7.2) станет больше тока трехфазного короткого замыкания: Это опасно для термической и динамической стойкости сети и этого стараются не допускать. Для того, чтобы ток однофазного короткого замыкания не превышал тока трехфазного короткого замыкания, у части трансформаторов (Т3 и Т4 на рисунке 7.5) нейтрали разземляют. При этом уменьшается число параллельных контуров и увеличивается эквивалентное сопротивление Z_0Σ. Для возможности разземления нейтрали в цепи нейтралей устанавливаются разъединители QS. Сети, в которых часть нейтралей изолированы от земли, а часть заземлены, называют сети с эффективно заземленной нейтралью (это допускается только в сетях 110 кВ).

Разземляют, обычно, нейтрали на ответвительных подстанциях, то есть на ГПП. Принимать решение о разземлении нейтрали на той или иной ГПП могут только диспетчеры районной энергосистемы. Число трансформаторов, нейтрали которых следует разземлить, определяется расчетом.

На рисунке 7.5 приведены векторные диаграммы напряжений в точке однофазного КЗ.

Рисунок 7.6 – Векторные диаграммы напряжений в точке КЗ

 

На рисунке 7.5, а показаны векторы фазных напряжений U_А, U_В и U_С по отношению к нейтрали трансформатора N. В нормальном режиме потенциал нейтрали по отношению к земле равен нулю. При КЗ на землю фаза А через землю от точки З земли (рисунок 7.4) к нейтрали трансформатора потечет ток КЗ I_к, 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 U_ЗN. При этом фазные напряжения U_ВЗ и U_СЗ неповрежденных фаз В и С по отношению к земле будут отличаться от фазных напряжений по отношению к нейтрали: U_ВЗ не равно U_В и U_СЗ не равно U_С.

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 эффективно заземленной нейтралью коэффициент замыкания на землю не должен превышать 1,4 (k_з ≤ 1,4). Число трансформаторов с разземленной нейтралью выбирается так, чтобы выполнялось условие:

 

. (7.2)

 

Если разъединитель в нейтрали отключен, то при однофазном КЗ на изолированной от земли нейтрали может появиться фазное напряжение. В нормальном режиме напряжение на нейтрали трансформатора по отношению к земле равно нулю. Поэтому для удешевления трансформатора изоляция нейтралей трансформаторов класса 110 кВ выполняется обычно ослабленной. Фазное напряжение на нейтрали п отношению к земле для ослабленной изоляции нейтрали является опасным и может вызвать ее пробой. Схемы защиты нейтрали трансформаторов от перенапряжений приведены на рисунке 7.7. В качестве защитных средств FV применяются разрядники (рисунок 7.7, а) или ограничители перенапряжений (рисунок 7.7, б). Для возможности заземления нейтрали (при необходимости) параллельно разряднику устанавливаются разъединитель QS. Номинальное напряжение разрядника выбирается на класс ниже номинального напряжения сети. Например, если сеть напряжением 110 кВ, то разрядник устанавливают на 55 кВ. Для этого включают последовательно два разрядника на 20 и 35 кВ.

Рисунок 7.7 – Схемы защиты нейтрали трансформатора