Система с изолированной нейтралью

В системе с изолированной нейтралью замыкание на землю одной фазы не является КЗ и практически не отражается на работе потребителей.

Однако этот вид повреждения создает ненормальный режим, вызывая перенапряжения, которые могут привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповрежденных фаз и переходу однофазного замыкания на землю в междуфазное КЗ.

Рассмотрим характер изменения токов и напряжений в системе и их векторные диаграммы при однофазных замыканиях на землю, принимая для упрощения, что нагрузка системы отключена.

Каждая фаза системы обладает относительно земли емкостной и активной проводимостями.

На рисунке а) приведена схема замещения системы с изолированной нейтралью, на которой емкости и сопротивления утечки фаз показаны условно сосредоточенными. В нормальном режиме работы системы напряжения фаз относительно земли симметричны и численно равны фазному напряжению, геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю, а активные утечки по изоляции пренебрежимо малы. Емкостные токи между фазами можно не учитывать, так как при однофазных замыканиях на землю междуфазные напряжения не изменяются, а следовательно, не меняются и емкостные токи.

Система с изолированной нейтралью

Уравнения, связывающие фазные напряжения и емкостные токи фаз, имеют вид:
Ia=y1*(Ua+Uн); Ib=y2*(Ub+Uн); Ic=y3*(Uc+Uн); Ia+Ib+Ic=0.
Uн — напряжение между нейтралью и землей;
Ua; Ub; Uc — фазные напряжения системы;
y1; y2; y3 — полные проводимости фаз по отношению к земле.
Отсюда следует:
Uн = (- (y1*Ua+y2*Ub+y3*Uc)) / (y1+y2+y3)
Поскольку векторы фазных напряжений образуют симметричную звезду, а их сумма равна нулю, то Uн=0.
При наличии асимметрии системы:
Uн = -(Uо+δаUа+δbUb),
где:
δα = (2*y1-y2-y3) / 2*(y1+y2+y3);
δβ = (√3*(y2-y3)) / (2*(y1+y2+y3)) — коэффициенты асимметрии системы;
Uо = (Uа + Ub + Uc) / 3;
Uα = Uа + Uо; Uβ = Ub — Uc / √3 — соответственно 0, α и β — составляющие фазного напряжения трехфазной системы питания.
При металлическом замыкании на землю одной фазы, например фазы А (рисунок б)), ее напряжение относительно земли снижается до нуля, а напряжение на двух других фазах увеличивается в √3 раз. Действительно, как видно на рисунке б), напряжение фазы В относительно земли равно напряжению между линией В и точкой К, следовательно Ub равно междуфазному напряжению. емкостный ток фазы А будет равен нулю, а емкостные токи неповрежденных фаз можно определить из выражений:
Ib’ = √3*Ub*ω*Сe^(-jπ/3); Ic’ = √3*Uc*ω*Сe^(-j2π/3), где: С=С1=С2=С3 — емкости фаз по отношению к земле.
Ток замыкания на землю:
Iз = (3*Uа) / (z1+z2+z3)= -(Ia+Ib+Iс) = j*3*ω*С*Uа, где:
z0 = 1/(j*ω*С); z1 = r1+jx1; z2 = r2+jx2 — входные сопротивления трехфазной системы относительно точки К соответственно для нулевой, прямой и обратной последовательностей фаз.

 

Таким образом, емкостный ток однофазного замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю неповрежденной фазы при нормальном режиме и зависит от напряжения электроустановки, частоты и емкости фаз относительно земли. Практически ток Iз составляет единицы или десятки ампер.

Изменение напряжений фаз по отношению к земле можно рассматривать как результат наложения на напряжения фаз (Uа; Ub; Uc) напряжений нулевой последовательности Uао; Ubо; Ucо (рисунок в), равных по значению и противоположных по знаку фазному напряжению поврежденной фазы. При этом напряжения всех фаз относительно земли будут определяться геометрической суммой напряжений Uа; Ub; Uc в нормальном режиме работы системы и напряжений нулевой последовательности. Так, при полном замыкании на землю фазы L1 получим Uc’ = Uc + Ucj; Ub’ = Ub + Ubо; Uа’ = Uа + Uао.

Из векторной диаграммы (рисунок в)) видно, что Uc’ = Ub’ = √3*Ua, а угол между Uc’ и Ub’ равен 60°.

При однофазных замыканиях на землю междуфазные напряжения не изменяются по значению и остаются сдвинутыми по фазе на 120°, что видно из векторной диаграммы на рисунке (рисунок в)). Благодаря этому не нарушается электроснабжение потребителей, включенных на междуфазное напряжение, а система может продолжать работать с одной заземленной фазой, пока не будет найдено место повреждения, но не более 2 часов. Это является главным достоинством систем с изолированной нейтралью. Длительная работа системы в этом режиме недопустима, так как может привести к двойному замыканию на землю, возникающему вследствие повышенных напряжений неповрежденных фаз относительно земли и сопровождающегося прохождением значительного тока КЗ.

При неметаллическом замыкании на землю в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, сопровождающаяся повторными гашениями и зажиганиями. В колебательном контуре, образованном емкостью и индуктивностью системы, в этом случае возникают свободные электрические высокочастотные колебания, приводящие к возникновению перенапряжений, которые распространяются на всю электрически связанную сеть.

Значение перенапряжений может достигать 2,2 Uф (фазного напряжения) на поврежденной фазе и 3,2 Uф на неповрежденных фазах. При продолжительном горении как устойчивой, так и перемежающейся дуг перенапряжения, воздействующие на ослабленную изоляцию фаз, могут привести к двух- и трехфазным КЗ в системе и к отключению потребителей. поэтому в системах с изолированной нейтралью должны предусматриваться сигнализация и релейная защита от однофазных замыканий на землю.

Многолетний опыт эксплуатации незаземленных систем позволил установить критические значения емкостных токов замыкания на землю, которые в зависимости от номинального напряжения системы составляют 30 А при 3-6 кВ, 20 А при 10 кВ, 15 А при 15-20 кВ, 10 А при 35 кВ и 5 А в схемах блок генератор — трансформатор при напряжении генератора 6-20 кВ. если ток замыкания превышает указанные значения, то используют компенсацию его с помощью дугогасящих реакторов.

От Aleksandr