Заземление нейтрали 220 кв

Трансформаторы имеют нейтрали, режим работы или способ рабочего заземления которых обусловлен:

• требованиями техники безопасности и охраны труда персонала,

• допустимыми токами замыкания на землю,

• перенапряжениями, возникающими при замыканиях на землю, а также рабочим напряжением неповрежденных фаз электроустановки по отношению к земле, определяющих уровень изоляции электротехнических устройств,

• необходимостью обеспечения надежной работы релейной защиты от замыкания на землю,

• возможностью применения простейших схем электрических сетей.

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 .

Режим нейтрали оказывает существенное влияние на режимы работы электроприемников, схемные решения системы электроснабжения, параметры выбираемого оборудования.

Нейтраль сети — это совокупность соединенных между собой нейтральных точек и проводников, которая может быть изолирована от сети либо соединена с землей через малые или большие сопротивления.

Используются следующие режимы нейтрали:

эффективно заземленная нейтраль.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надёжностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и экономичностью электроустановок.

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 .

Электроустановки в зависимости от мер электробезопасности разделяются на 4 группы:

• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективнозаземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю),

• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю),

• электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью,

• электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Режимы нейтрали трехфазных систем

Системы с глухозаземленной нейтралью – это системы с большим током короткого замыкания на землю. При коротком замыкании место замыкания отключается автоматически. В системах 0,23 кВ и 0,4 кВ это отключение диктуется требованиями техники безопасности. Одновременно заземляются все корпуса оборудования.

Системы 110 и 220 кВ и выше выполняются с эффективно заземленной нейтралью . При коротком замыкании место замыкания также отключается автоматически. Здесь заземление нейтрали приводит к снижению расчетного напряжения изоляции. Оно равно фазному напряжению неповрежденных фаз относительно земли. Для ограничения величины токов короткого замыкания на землю заземляются не все нейтрали трансформаторов (эффективное заземление).

Режимы нейтрали трехфазных систем: а – заземленная нейтраль, б – изолированная нейтраль

Изолированной нейтралью называется нейтраль, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкостный ток в сети, трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление.

Система с изолированной нейтралью применяется для повышения надежности электроснабжения. Характеризуется тем, что при замыкании одной фазы на землю возрастает напряжение фазных проводов относительно земли до линейного напряжения, и симметрия напряжений нарушается. Между линией и нейтралью протекает емкостной ток. Если он меньше 5А, то допускается продолжение работы до 2 ч для турбогенераторов мощностью до 150 МВт и для гидрогенераторов – до 50 МВт. Если установлено, что замыкание произошло не в обмотке генератора, а в сети, то допускается работа в течение 6 ч.

Сети от 1 до 10 кВ — это сети генераторного напряжения электрических станций и местные распределительные сети. При замыкании на землю одной фазы в такой системе напряжение неповрежденных фаз относительно земли возрастает до величины линейного напряжения. Поэтому изоляция должна быть рассчитана на это напряжение.

Основное преимущество режима изолированной нейтрали — способность подавать энергию электроприемникам и потребителям при однофазном замыкании на землю.

Недостатком этого режима являются трудности о обнаружении места замыкания на землю.

Повышенная надежность режима (т.е. возможность нормальной работы при однофазных замыканиях на землю, которые составляют значительную часть повреждений электрооборудования) изолированной нейтрали обуславливает обязательное его применение при напряжении выше 1 кВ до 35 кВ включительно, поскольку эти сети питают большие группы электроприемников и потребителей.

С напряжения 110 кВ и выше применение режима изолированной нейтрали становится экономически невыгодным, так как повышение напряжения относительно земли с фазного до линейного требует существенного усиления фазной изоляции. Применение режима изолированной нейтрали до 1 кВ допускается и оправданно при повышенных требованиях к электробезопасности.

В подавляющем большинстве электросетей (до 1 кВ) применяется глухозаземленная нейтраль, поскольку такое исполнение наиболее оптимально для действующих требований электробезопасности. Учитывая распространенность этой схемы заземления нейтрали, имеет смысл подробно ознакомиться с ее устройством, принципом работы и техническими особенностями, а также основными требованиями ПУЭ к электроустановкам до 1 кВ.

Что такое глухозаземленная нейтраль?

Начнем с определения нейтрали, в электротехнике под этим термином подразумевается точка в месте соединения всех фазных обмоток трансформаторов и генераторов, когда применяется тип подключения «Звезда». Соответственно, при включении «Треугольником» нейтрали быть не может.

Включение обмоток: а) «звездой»; б) «треугольником»

Если нейтраль обмоток генератора или трансформатора заземлить, то такая система получит название глухозаземленной, с ее организацией можно ознакомиться ниже.

Рис. 2. Сеть с глухозаземленной нейтралью

Устройство сетей с голухозаземленной нейтралью

Как видно из рисунка 2, характерной особенностью электросетей TN типа является заземление нейтрали. Заметим, что в данном случае речь идет не о защитном заземлении, а о рабочем соединении между нейтралью и заземляющим контуром. Согласно действующим нормам, максимальное сопротивление такого соединения — 4-е Ома (для сетей 0,4 кВ). При этом нулевой провод, идущий от глухозаземленной средней точки, должен сохранять свою целостность, то есть, не коммутироваться и не оборудоваться защитными устройствами, например, предохранителями или автоматическими выключателями.

В ВЛ до 1-го кВ, используемых в системах с глухозаземленной нейтралью, нулевые провода прокладываются на опорах, как и фазные. В местах, где делается отвод от ЛЭП, а также через каждые 200,0 метров магистрали, положено повторно заземлять нулевые линии.

Пример устройства сети TN-C-S

Если от трансформаторных подстанций отводятся кабели к потребителю, то при использовании схемы с глухозаземленной нейтралью, длина такой магистрали не может превышать 200,0 метров. На вводных РУ также следует подключать шину РЕ к контуру заземления, что касается нулевого провода, то необходимость в его подключении к «земле» зависит от схемы исполнения.

Технические особенности

В данной системе, где используется общая средняя точка, помимо межфазного присутствует и фазное напряжение. Последнее образуется между рабочим нулем и линейными проводами. Наглядно отличие первого от второго продемонстрировано ниже.

Разница между фазным и линейным напряжением

Разность потенциалов U_F1, U_F2 и U_F3 принято называть фазными, а величины U_L1, U_L2 и U_L3 – линейными или межфазными. Характерно, что U_L превышает U_F примерно в 1,72 раза.

В идеально сбалансированной сети трехфазного электрического тока должны выполняться поддерживаться следующие соотношения:

На практике добиться такого результата невозможно по ряду причин, например из-за неравномерной нагрузки, токов утечки, плохой изоляции фазных проводников и т.д. Когда нейтраль заземлена, дисбаланс линейных и фазных характеристик энергосистемы существенно снижается, то есть, рабочий ноль позволяет выравнивать потенциалы.

Обрыв нулевого провода считается серьезной аварией, которая с большой вероятностью приведет к нарушению симметрии нагрузки, более известной под термином «перекос фаз». В таких случаях в сетях однофазных потребителей произойдет резкое увеличение амплитуды электрического тока, что с большой вероятностью выведет из строя оборудование, рассчитанное на напряжение 220 В. Получить более подробную информацию о перекосе фаз и способах защиты от него, можно на страницах нашего сайта.

Принцип действия сетей с глухозаземленной нейтралью

Теперь рассмотрим подробно, с какой целью заземляется нейтраль и как подобная реализация обеспечивает должный уровень электробезопасности, для этого перечислим обстоятельства, которые могут привести к поражению электротоком:

• Непосредственное прикосновение к токоведущим элементам. В данном случае никакое заземление не поможет. Необходимо ограничивать доступ к таким участкам и быть внимательным при приближении к ним.
• Образование зон с шаговым напряжением в результате аварий на ВЛ или других видах электрохозяйства.
• Повреждения внутренней изоляции может привести к «пробою» на корпус электроустановки, то есть, на нем появляется опасное для жизни напряжение.
• В результате нарушения электроизоляции токоведущих линий под напряжением могут оказаться кабельные каналы, короба и другие металлические конструкции, используемые при трассировке.

В идеале между нейтралью и землей разность потенциалов должна стремиться к нулю. Подключение к заземляющему контуру на вводе потребителя существенно способствует выполнению этого условия, в тех случаях, когда ТП находится на значительном удалении. При правильной организации заземления такая особенность может спасти человеческую жизнь, как минимум, в двух последних случаях из указанного выше списка.

Чтобы избежать пагубного воздействия электротока необходимо заземлять корпуса электроприборов, а также и других металлических частей электроустановок зданий. Это приведет к тому, что при «пробое» возникнет замыкание фазы на землю. В результате произойдет автоматическое отключение снабжения питанием электроприемников, вызванное срабатыванием устройства защиты от токов КЗ.

Даже если защита не сработает, а кто-либо прикоснется к металлическому элементу, все равно ток будет течь по заземляющему проводнику, поскольку в этой цепи будет меньшее сопротивление.

Движение тока при КЗ на корпус

Говоря о принципе работы защиты заземленной нейтрали нельзя не отметить быстрый выход в аварийный режим, когда один из фазных проводов замыкается на шину PEN. По сути, это КЗ на нейтраль, следствием которого является резкое возрастание тока, приводящее к защитному отключению энергоустановки или проблемного участка цепи.

При определенных условиях можно даже организовать защиту от образования опасных зон с шаговым напряжением. Для этого на пол в потенциально опасном помещении стелют (если необходимо, то замуровывают в бетон) металлическую сеть, подключенную к общему заземляющему контуру.

Отличия глухозаземленной нейтрали от изолированной

Чтобы дать объяснить различие необходимо, кратко рассказать об основных особенностях изолированной нейтрали, пример такого исполнения приведен ниже.

Рис. 6. Электроустановка с изолированной нейтралью

Как видно из рисунка при данном способе нейтраль изолирована от контура заземления (в случае соединения обмоток «треугольником» она вообще отсутствует), поэтому открытые проводящие части (далее по тексту ОПЧ) электроустановок заземляются независимо от сети. Основное преимущество такой системы заключается в том, что при первом однофазном замыкании можно не производить защитное отключение. Это несомненный плюс для высоковольтных линий, поскольку обеспечивается более высокая надежность электроснабжения. К сожалению, такой режим заземления не удовлетворяет требования электробезопасности для сетей конечных потребителей.

Низкий уровень электробезопасности основной, но не единственный недостаток изолированной нейтрали, с их полным списком, а также другими особенностями этой схемы электроснабжения, можно ознакомиться на нашем сайте.

Системы TN и её подсистемы

Начнем с аббревиатуры. Первые две буквы характеризуют вариант исполнения заземления для нейтрали и ОПЧ соответственно. Варианты для первой литеры:

• T (от англ. terra — земля) — обозначает глухозаземленную нейтраль.
• I (от англ. isolate — изолировать) – указывает, что соединение с «землей» отсутствует.

Варианты вторых литер говорят об исполнении заземления ОПЧ: N или Т, используется глухозаземленная нейтраль или независимый контур, соответственно.

Сейчас практикуется три схемы нейтрали:

1. Эффективное заземление обозначается, как ТТ. Особенность такой схемы заключается в том, что глухозаземленный вывод (N)считается рабочим проводом, а для защиты используется собственный заземляющий проводник (РЕ). Схема заземления ТТ
2. Изолированная нейтраль (принятое обозначение IT), схема системы была представлена выше на рис. 6.
3. Вариант TN (глухозаземленное исполнение).

У последнего варианта исполнения есть три подвида:

• Совмещенный вариант, принятое обозначение TN-С. У данного подвида защитный нуль соединен с нейтральным проводом, что не обеспечивает должного уровня электробезопасности. При обрыве РЕ+N защитное зануление становится бесполезным. Это основная причина, по которой от системы TN-C постепенно отказываются. Схема заземления TN-С
• Вариант TN-S, нулевой и защитный проводники проложены раздельно. Такая схема наиболее безопасна, но для нее требуется использовать не 4-х, а 5-ти жильный кабель, что повышает стоимость реализации. Схема заземления TN-S
• Подсистема, совмещающая в себе два предыдущих варианта – TN-C-S. От подстанции до ввода потребителя идет один провод, в РУ он подключается к шинам PE, N и заземляющему контуру. Такая подсистема заземленной нейтрали сейчас наиболее распространена. Схема заземления TN-C-S

Требования ПУЭ

В Правилах нормам и требованиям к глухозаземленной посвящена глава 1.7, приведем наиболее значимые выдержки из нее:

• Для подключения нейтрали к контуру заземления необходимо использовать специальный проводник.
• При выборе места под заземляющее устройство следует исходить из минимально допустимого расстояния между ним и нейтралью.
• Если в качестве заземления используется жб конструкция фундамента, то к его армирующему основанию следует подключаться не менее чем в 2-х точках, это гарантирует наиболее эффективную защиту.
• Сопротивление заземляющего проводника для трехфазной цепи электрической сети 0,4 кВ имеет ограничение 4-е Ома. В исключительных случаях эта норма может быть пересмотрена исходя из характеристик грунта.
• В линии глухозаземленной нейтрали запрещено устанавливать предохранители, защитные устройства и другие элементы, способные нарушить целостность проводника.
• Правилами предписывается обеспечить заземляющему проводнику надежную защиту от механических повреждений.
• ВЛ должна быть оборудована дублирующими заземлителями, они устанавливаются в начале и конце линии, на отводах, а также через каждые 200 м.
• Дублирующее заземление должно выполняться и на вводе потребителя и обязательно указываться в схеме щитка ВРУ.
• При организации бытовых однофазных сетей от ВРУ должна выполняться разводка тремя проводами, один из которых фаза, второй – ноль (N) и третий – защитный (РЕ).
• Скорость срабатывания защитных автоматов, установленных в однофазных сетях с глухозаземленной нейтралью, не должна быть продолжительней 0,40 сек.

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

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

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы