Период зарождения трехфазных систем

Введение

В период зарождения трехфазных систем имелись попытки использовать несвязанную систему, в которой  фазы обмотки генератора не были электрически соединены между собой и каждая фаза соединялась со своим приемником двумя проводами. Такие системы не получили применения вследствие их неэкономичности: для соединения генератора с приемником требовалось шесть проводов.

Более совершенными и экономичными являются связанные цепи, в которых  фазы обмотки электрически соединены  между собой. Существуют различные  способы соединения фаз трехфазных источников питания и трехфазных потребителей электроэнергии. Наиболее распространенными являются соединения "звезда" и "треугольник".

Общие сведения

Электроустановки могут  входить в системы с глухозаземленной или изолированной нейтралью генератора или трансформатора. Нейтраль представляет собой общую точку соединенных обмоток генератора или трансформатора, потенциал которой в нормальных условиях нагрузки равен нулю, поэтому она также называется нулевой точкой.

Глухозаземленная нейтраль получается тогда, когда она соединяется с землей системой проводников и электродов, находящихся в земле около места установки генератора или трансформатора. От нейтрали идет провод, называемый нулевым, который соединяется с корпусом каждого приемника энергии. Системы с глухозаземленной нейтралью применяются для питания большинства производственных и бытовых электроприемников.

           Если напряжение фазы А по отношению к земле становится равным нулю, можно принять, что пути токов утечки и емкости этой фазы на землю шунтируются через место замыкания фазы А на землю током замыкания. Через место замыкания на землю фазы А будет проходить ток, равный геометрической сумме токов утечки и емкостных других фаз.

           Как следует из диаграмм, линейные напряжения во всех рассмотренных случаях остаются неизменными, и замыкание на землю одной фазы не влияет на работу электроприемников.

           Чем больше проводимость изоляции  утечки и емкостная по отношению  к земле, тем большую опасность  представляет прикосновение человека  к токоведущей части. Если одна  фаза имеет замыкание на землю,  то прикосновение человека к  другим фазам представляет наибольшую  опасность, так как при этом  человек оказывается под линейным  напряжением.

В системе с заземленной  нейтралью при замыкании провода на землю создается путь тока от места замыкания через землю и нулевую точку к обмоткам других фаз генератора или трансформатора, и защита срабатывает. В случае касания провода человеком он оказывается под фазным напряжением и не может оказаться под линейным напряжением.

С точки зрения опасности  прикосновения человека к токоведущей  части система с изолированной  нейтралью представляется более опасной по величине напряжения, под которым может оказаться человек, если не надежно работают устройства защиты.

Режимы работы нейтралей в электроустановках

Нейтралями электроустановок называют общие точки трехфазных обмоток генераторов или трансформаторов, соединенных в звезду.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре 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.

Согласно требованиям  Правил устройства электроустановок (ПУЭ, гл. 1.2).   

Сети с номинальным  напряжением до 1 кВ, питающиеся от понижающих трансформаторов, присоединенных к  сетям с Uном > 1 кВ, выполняются с глухим заземлением нейтрали.    

Сети с Uном = 110 кВ и выше выполняются с эффективным заземлением нейтрали (нейтраль заземляется непосредственно или через небольшое сопротивление).  
   Сети 3 — 35 кВ, выполненные кабелями, при любых токах замыкания на землю выполняются с заземлением нейтрали через резистор.  
   Сети 3—35 кВ, имеющие воздушные линии, при токе замыкания не более 30 А выполняются с заземлением нейтрали через резистор.

Компенсация емкостного тока на землю необходима при значениях  этого тока в нормальных условиях:

-    в сетях 3 - 20 кВ с железобетонными и металлическими опорами ВЛ и во всех сетях 35 кВ - более 10 А;

-    в сетях, не имеющих железобетонных или металлических опор ВЛ: 
       при напряжении 3 - 6 кВ - более 30 А; 
      при 10 кВ - более 20 А; 
       при 15 - 20 кВ - более 15 А;

-   в схемах 6 - 20 кВ блоков генератор - трансформатор - более 5А.

В электрических сетях  РАО ЕЭС России приняты следующие  режимы работы нейтрали:

• электрические сети с номинальными напряжениями 6...35 кВ работают с малыми токами
• замыкания на землю;
• при небольших емкостных токах замыкания на землю - с изолированными нейтралями;
• при определенных превышениях значений емкостных токов - с нейтралью, заземленной
• через дугогасящий реактор.

Изолированная нейтраль

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник, поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока). Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах:

• более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
• более 20 А при напряжении 10 кВ;
• более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
• более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ;
• более 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор–трансформатор».

Вместо компенсации тока замыкания на землю может применяться  заземление нейтрали через резистор (резистивное) с соответствующим изменением логики действия релейной защиты.

Исторически режим изолированной нейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения. Его достоинствами являются:

• отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;
• малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).
• Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:
• возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю;
• возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;
• возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;
• необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;
• сложность обнаружения места повреждения;
• опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;
• сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а

такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий. Такое развитие событий в эксплуатации не так редко, как кажется на первый взгляд. Именно по этой причине во многих странах, таких, как США, Канада, Англия, Австралия, Бельгия, Португалия, Франция и другие, отказ от режима изолированной нейтрали произошел еще в 40–50-х годах прошлого века. Как видно из таблицы, в настоящее время из промышленно развитых стран режим изолированной нейтрали применяют только Италия, Япония и Финляндия. Причем в Италии сейчас рассматривается возможность перехода к работе с заземлением через дугогасящий реактор, а в Японии – с заземлением через резистор. В России до последнего времени режим изолированной нейтрали был закреплен в ПУЭ. Именно этим объясняется сложившееся положение, когда даже в сетях с высоковольтными электродвигателями, где защита от однофазных замыканий выполнена с действием на отключение без выдержки времени, применяется режим изолированной нейтрали.  
 

Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор

Она также достаточно часто  применяется в России. Этот способ заземления

нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор.

С точки зрения исторической последовательности возникновения  этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена). 

Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются:

• отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;
• малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);
• возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);
• исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.
• подавление дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

• возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;
• возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации;
• возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов;
• возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях;
• сложность обнаружения места повреждения;
• опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;
• сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.

В сетях среднего напряжения зарубежных промышленных предприятий  используется резистивное заземление нейтрали.

Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный)

Этот режим заземления используется в России очень редко, только в некоторых

сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций. В то же время, если оценивать мировую практику, то резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ.

Резистор в отечественных  сетях 6-10 кВ может включаться так  же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора.

Возможны и другие варианты включения резистора, когда нейтраль заземляющего трансформатора наглухо присоединяется к контуру заземления, а резистор включается во вторичную обмотку, собранную в разомкнутый треугольник, либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг.

Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный.

При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Например, согласно нормам французской сетевой компании Electricite de France, ток, создаваемый резистором, должен быть в два раза больше емкостного тока сети. Это гарантирует отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее однофазное замыкание немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5-7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали.

Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются:

• отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети;
• отсутствие необходимости в отключении первого однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали);
• исключение феррорезонансных процессов и повреждений трансформаторов напряжения;
• уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц при однофазном замыкании (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);
• практически полное исключение возможности перехода однофазного замыкания в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);
• простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на токовом принципе.

Недостатками резистивного режима заземления нейтрали являются:

• увеличение тока в месте повреждения;
• необходимость в отключении однофазных замыканий (только для низкоомного заземления);

ограничение на развитие сети (только для высокоомного заземления).

             Отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях и возможность организации селективной релейной защиты являются неоспоримыми преимуществами режима резистивного заземления нейтрали. Именно эти преимущества способствовали широкому распространению такого режима заземления нейтрали в разных странах.

Глухозаземленная нейтраль

Как уже было сказано, в  отечественных сетях 6-35 кВ не используется. Этот режим заземления нейтрали широко распространен в США, Канаде, Австралии, Великобритании и связанных с ними странах. Он находит применение в четырехпроводных воздушных сетях среднего напряжения 4-25 кВ.

Проблема выбора режима нейтрали 
             К сожалению, в России жесткие нормативные требования ПУЭ в отношении применения только изолированной нейтрали не позволяли до последнего времени использовать заземление нейтрали через резистор. Даже сейчас, после внесения изменений в ПУЭ, проектные институты продолжают закладывать в новые объекты старую идеологию. По-видимому, необходимы совместные усилия заказчиков, производителей оборудования и проектных институтов для изменения существующей ситуации. 
В заключение следует отметить, что режим заземления нейтрали в сети среднего напряжения должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом следующих факторов:

• уровня емкостного тока сети;
• допустимого тока однофазного замыкания, исходя из разрушений в месте повреждения;
• безопасности персонала и посторонних лиц;
• допустимости отключения однофазных замыканий с позиций непрерывности технологического цикла;
• наличия резерва;
• типа и характеристик используемых защит.

             Однако в любом случае выбор должен делаться между заземлением нейтрали через дугогасящий реактор, высокоомным или низкоомным заземлением, а режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен.