Сети с изолированной нейтралью: разновидности устройства, принцип действия, преимущества и недостатки

Что такое изолированная нейтраль и где она используется

В настоящее время изолированную нейтраль сложно встретить в быту, вы никогда с ней не столкнетесь, если делаете проводку в квартирах. В то время как высоковольтных линиях она активно используется, а также в некоторых случаях и в сетях 380В. Подробнее о том, что такое сеть с изолированной нейтралью и какие у нее особенности, мы расскажем простыми словами в этой статье.

Что это такое

Определение понятия «изолированная нейтраль» приведено в главе 1.7. ПУЭ, в пункте 1.7.6. и ГОСТ Р 12.1.009-2009. Где сказано, что изолированной называется нейтраль у трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству вообще, или, когда она присоединена через приборы защиты, измерения, сигнализации.

Нейтралью называется точка, в которой соединены обмотки у трансформаторов или генераторов при включении по схеме «звезда».

Среди электриков есть заблуждение о том, что сокращенное название изолированной нейтрали – это система IT, по классификации п. 1.7.3. Что не совсем верно. В этом же пункте сказано, что обозначения TN-C/C-S/S, TT и IT приняты для сетей и электроустановок напряжением до 1 кВ.

В той же главе 1.7 ПУЭ есть пункт 1.7.2. где сказано, что в отношении мер электробезопасности электроустановки делятся на 4 типа — изолированную или глухо заземленную до 1 кВ и выше 1 кВ.

Таким образом есть некоторые отличия в безопасности и применении такой сети в разных классах напряжения и называть линию 10 кВ с изолированной нейтралью «система IT» по меньше мере неправильно. Хотя схематически – почти тоже самое.

В сетях до 1 кВ

Общие сведения

Давайте разберемся где, как и в каких случаях используют изолированную нейтраль в электроустановках напряжением до 1000 В, так называемую систему IT. В ПУЭ главе 1.7. п. 1.7.3. дано определение похожее на то, что приведено выше, но оно несколько отличается. Там сказано, что корпуса и другие проводящие части в установках системы IT должны быть заземлены. Рассмотрим, как это выглядит на схеме.

Так как нейтраль трансформатора сети IT не соединена с землёй, то, говоря простым языком, у нас нет опасной разности потенциалов между землёй и фазными проводами. И случайное касание 1 провода под напряжением в системе IT безопасно. Из-за относительно низкого напряжения здесь пренебрегают емкостной проводимостью фаз.

В сетях с изолированной нейтралью нет выраженных фазы и нуля – оба проводника равноправны.

Ток через тело человека равняется:

Uф — фазное напряжение; rч — сопротивление тела человека (принимается 1 кОм); z — полное сопротивление изоляции фазы относительно земли (составляет 100 кОм и более на фазу).

Ток в этом случае возвращается к источнику питания через изоляцию проводов, а не в землю, как в случае с TN.

Так как сопротивление изоляции более 100 кОм на фазу, то сила тока через тело будет составлять единицы милиампер, что не причинит вреда.

Следующей особенностью этой системы является то, что токи утечки на корпус и токи КЗ на землю будут низкими. В результате защитная автоматика (релейная или автоматические выключатели) не срабатывают тем образом, к которому мы привыкли в сетях с глухозаземленной нейтралью. Но срабатывает система контроля сопротивления изоляции.

Соответственно при однофазном замыкании трёхфазной линии – система продолжит функционировать. При этом относительно земли возрастает напряжение на двух оставшихся проводах. Если человек коснется фазного провода – он попадает под линейное напряжение.

В связи с такой конструкцией в сети с изолированной нейтралью нет двух видов напряжения в отличии от глухозаземленной, где между фазами Uлинейное (в быту 380В), а между фазой и нулём Uфазное (220В). Для подключения однофазной нагрузки к сети системой IT с напряжением 380В можно использовать понижающие трансформаторы типа 380/220 и подключать приборы между двумя фазами на линейное напряжение.

Сфера применения

Поговорим о том, где используются такое решение. Эта система электроснабжения применялась в отечественных электросетях для передачи электроэнергии жилым домам, во времена СССР. Особенно для электрификации деревянных домов, где при использовании глухозаземленной нейтрали повышался риск возникновения пожара при замыканиях на землю.

С точки зрения электробезопасности разница между изолированной и глухозаземленной нейтралью в электроснабжении домов, заключается в том, что если в сети IT один из проводников коснётся заземленных токопроводящих частей, например арматуры стен или водопровода, сеть продолжит функционировать, из-за малых токов утечки.

Соответственно ни жители, ни кто-то другой не узнает о проблеме, пока при одновременном касании кем-то одного из проводов и трубопровода – кого-то не ударит током.

В системе с глухозаземленной нейтралью как минимум сработает дифзащита, а при «хорошем» металлическом замыкании – отключится автоматический выключатель. С началом массового строительства панельных домов (т.н. хрущевок) от неё отказались и в 60-80-х годах перешли на TN-C, а в конце 90-х годов на TN-C-S, о причинах читайте ниже.

В настоящее время изолированная нейтраль используется везде, где нужно обеспечить повышенную безопасность или нет возможности сделать нормальное заземление, а именно:

  • В море — на судах, нефте- и газодобывающих платформах, где использование корпуса платформы в качестве заземления невозможно в связи с анодной защитой, а в местах стекания тока в воду она начнет усиленно ржаветь и гнить.
  • В шахтах и других местах добычи ископаемых (с напряжением 380-660В).
  • В метро.
  • На освещении и цепях управления в стационарных грузоподъёмных кранах и пр.
  • Также в бытовых бензиновых, газовых или дизельных генераторах на выходных клеммах именно изолированная нейтраль.

Она может встречаться не только в том виде, что мы привели на схеме выше, но и в виде понижающих и разделительных трансформаторов, которые используются для питания переносных осветительных приборов (не более 50В или 12В ПТЭЭП п.2.12.6.) и другого оборудования или инструмента, в том числе и тех, с которыми работают в замкнутых и сырых помещениях.

Подведем итоги

Мы разобрались для чего нужна изолированная нейтраль до 1 кВ, теперь перечислим достоинства и недостатки системы электроснабжения с изолированной нейтралью для чайников в электрике.

  1. Большая безопасность.
  2. Большая надежность, что позволяет использовать, например, для освещения в больницах.
  3. Экономический фактор – в трёхфазной сети с изолированной нейтралью можно передать электроэнергию по минимально возможному количеству проводов – по трём.
  4. Система продолжит работу при однофазных замыканиях на землю.
  1. При замыкании на землю повышается опасность использования, так как продолжается подача электроэнергии.
  2. Малые токи КЗ.
  3. Нет искр при первичном КЗ.

В сетях выше 1000 В

В настоящее время изолированная нейтраль чаще всего используется в сетях со средним классом напряжения (1-35 кВ). Для сети 110 кВ и выше – глухозаземленная. В связи с тем, что при КЗ на землю напряжение, как было сказано, возрастает до линейного, так в ЛЭП 110 кВ фазное напряжение (между землёй и фазным проводом) – 63,5 кВ. При КЗ на землю это особенно важно, и позволяет снизить расходы на изоляционные материалы.

Кстати в КТП с высшим напряжением до 35 кВ первичные обмотки трансформаторов соединяются в треугольник, где нейтрали нет как таковой.

Низкие токи КЗ и возможность работать при однофазных КЗ на ВЛ – в распределительных сетях особенно важны и позволяют организовать бесперебойное электроснабжение. При этом угол сдвига между оставшимися в работе фазами остаётся неизменным — в 120˚.

При напряжениях в тысячи вольт емкостной проводимостью фаз пренебречь нельзя. Поэтому касание проводов ВЛЭП опасно для жизни человека. В нормальном режиме токи в фазах источника определяются суммой нагрузок и емкостных токов относительно земли, при этом сумма емкостных токов равна нулю и ток в земле не проходит.

Если опустить некоторые подробности, чтобы изложить языком, понятным для начинающих, то при КЗ на землю напряжение относительно земли поврежденной фазы приближается к нулю. Так как напряжения двух других фаз увеличиваются до линейных значений их емкостные токи увеличиваются в √3 (1,73) раз. В результате емкостный ток однофазного КЗ оказывается в 3 раза большим нормального. Например, для ВЛЭП 10 кВ длиной 10 км емкостный ток равен примерно 0,3 А. При замыкании фазы на землю через дугу в результате различных явлений возникают опасные перенапряжения до 2-4Uф, что приводит к пробою изоляции и междуфазному КЗ.

Для исключения возможности возникновения дуг и устранения возможных последствий нейтраль соединяют с землёй через дугогасящих реактор. Его индуктивность при этом подбирают согласно ёмкости в месте КЗ на землю, а также чтобы он обеспечивал работу релейной защиты.

Таким образом благодаря реактору:

  1. Намного уменьшается Iкз.
  2. Дуга становится неустойчивой и быстро гаснет.
  3. Замедляется нарастание напряжения после гашения дуги, в результате уменьшается вероятность повторного возникновение дуги и коммутационного тока.
  4. Токи обратной последовательности малы, следовательно, их действие на вращающейся ротор генератора не оказывает существенного влияния.

Перечислим плюсы и минусы высоковольтных сетей с изолированной нейтралью.

  1. Какое-то время может работать в аварийном режиме (при КЗ на землю)
  2. В местах неисправности появляется незначительный ток, при условии малой емкости тока.

  1. Усложнено обнаружение неисправностей.
  2. Необходимость изоляции установок на линейное напряжение.
  3. Если замыкание продолжается длительное время, то возможно поражение человека электрическим током, если он попадёт под шаговое напряжение.
  4. При 1-фазных КЗ не обеспечивается нормальное функционирование релейной защиты. Величина тока замыкания напрямую зависит от разветвленности цепи.
  5. Из-за накапливания дефектов изоляции от воздействия на нее дуговых перенапряжений снижается срок её службы.
  6. Повреждения могут возникнуть в нескольких местах из-за пробоя изоляции, как в кабелях, так и в электродвигателях и других частях электроустановки.
Читайте также:  Механический суточный таймер: инструкция по подключению и эксплуатации

На этом обзор принципа действия и особенностей сетей с изолированной нейтралью заканчивается. Если вы хотите дополнить статью или поделится опытом – пишите в комментариях, мы обязательно опубликуем!

Трехфазные сети с изолированной нейтралью. Преимущества и недостатки

Заземленная нейтраль

Режимы работы нейтрали в системах электроснабжения

Изолированная нейтраль – режим работы, при котором нейтраль трансформатора непосредственно не соединяется с землей.

Рис.19.Графическое изображение изолированной нейтрали на схеме

Рис.20.Графическое изображение заземленной нейтрали на схеме

Кроме названных, существует разделение режимов работы нейтрали на: изолированную нейтраль с компенсацией емкостного тока; глухо заземленную нейтраль (непосредственное соединение нейтрали с землей без промежуточных элементов) и эффективно заземленную (соединение с землей через реактор или резистор). Выбор режима работы нейтрали определяется, в основном, поведением системы при наиболее часто встречающихся повреждениях однофазных замыканиях.

Рассмотрим схему трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, изображенную на рис.21. В качестве примера рассмотрим замыкание фазы С на землю.

Рис.21. Замыкание фазы С на землю в сети с изолированной нейтралью

Векторная диаграмма токов и напряжений изображена на рис.22.

Рис.22. Векторная диаграмма

При замыкании фазы на землю, называемом простым замыканием, ток определяется только емкостным сопротивлением сети. Емкостные сопротивления элементов сети значительно превышают их индуктивные и активные сопротивления, что позволяет при определении тока пренебречь последними.

Из векторной диаграммы следует:

– емкостный ток фазы с до замыкания:

– напряжение в фазе а после замыкания:

– модуль напряжении фазы а после замыкания:

– модуль емкостного тока фаз а и b после замыкания:

– ток через место повреждение и ток фазы с:

Необходимо отметить то, что емкостные токи обычно малы и не соизмеримы с токами КЗ. Величина емкостного тока определяется емкостью всей электрически связанной сети

Из выражений (37) – (41) можно сделать вывод, что происходит повышение напряжения здоровых фаз при замыкании на землю в раз, где kз – коэффициент замыкания на землю. В месте замыкания часто возникает перемещающаяся дуга, а та, в свою очередь, вспыхивающие и погасающие перенапряжения.

Рис.23. Перенапряжение в сети.

Из рис.23. видно, что в сети с изолированной нейтралью возможны коммутационные перенапряжения до 4,5UФ.

Рассмотрим основные достоинства и недостатки сети с изолированной нейтралью.

Достоинства:

1. Высокая надежность работы электрической сети – до 95% замыканий на землю простые и не требуют отключения.

2. Простота выполнения, а также экономия на устройствах релейной защиты.

Например, допускается не устанавливать трансформатор тока на одну из фаз (обычно фазу b).

4. Невысокие требования к заземляющим устройствам.

Недостатки:

1. Повышение напряжения до линейного.

2. Дуговые коммутационные перенапряжения, что требует повышение уровня изоляции.

3. Наброс реактивной мощности, что изменяет качество потребляемой энергии.

Так для сетей с изолированной нейтралью напряжением 6 – 35 кВ сопротивление заземляющего устройства рассчитывается как

При общем заземляющем устройстве сетей 6-10/0,4-0,66 кВ

Кроме того, для таких сетей характерно длительное появление напряжения прикосновения и шагового напряжения.

Рис.24Напряжение растекания

Однако большие величины емкостного тока вызывают расплавление изоляции и переход простого замыкания в КЗ.

Табл.2 Допустимые значения емкостного тока

№ п/пКласс напряжения, кВДопустимое занчение емкостного ток, А
3 – 6
15 – 20
генераторные цепи
ЛЭП на ж/б опорах

При больших величинах емкостного тока необходима компенсация.

Емкостный ток для кабельных и воздушных линий приближенно будет определен:

где l – суммарная длина электрически связанных линий, км;

U – напряжение сети, кВ;

Дата добавления: 2014-01-05 ; Просмотров: 2559 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Сети с изолированной нейтралью: разновидности устройства, принцип действия, преимущества и недостатки

Рассмотрим основные достоинства и недостатки сети с изолированной нейтралью.

1. Высокая надежность работы электрической сети – до 95 % замыканий на землю простые и не требуют отключения.

2. Простота выполнения, а также экономия на устройствах релейной защиты.

Например, допускается не устанавливать трансформатор тока на одну из фаз (обычно фазу В).

3. Невысокие требования к заземляющим устройствам.

Так, для сетей с изолированной нейтралью напряжением 6–35 кВ сопротивление заземляющего устройства рассчитывается как

. (2.7)

При общем заземляющем устройстве сетей 6−10/0,4−0,66 кВ

. (2.8)

1. Повышение напряжения до линейного. При изолированной нейтрали

.

2. Дуговые коммутационные перенапряжения, что требует повышения уровня изоляции.

3. Наброс реактивной мощности, что изменяет качество потребляемой энергии.

4. Возможность возникновения феррорезонансных процессов.

Однако большие величины емкостного тока значительно увеличивают величину перенапряжений и могут вызвать расплавление изоляции и переход простого замыкания в КЗ. Допустимые значения емкостного тока, вызывающие перенапряжения не более 2,5, даны в таблице 2.1.

Допустимые значения емкостного тока

№ п/пКласс напряжения, кВДопустимое значение емкостного ток, А
3 – 6
15 – 20
генераторные цепи
ЛЭП на ж/б опорах

При превышении допустимого значения емкостного тока необходима его компенсация.

Емкостный ток для кабельных и воздушных линий приближенно может быть определен:

− кабельные линии: ; (2.9)

− воздушные линии: , (2.10)

где l – суммарная длина электрически связанных линий, км;

U – напряжение сети, кВ;

Значительное увеличение тока замыкания на землю дает применение батарей статических конденсаторов для компенсации реактивной мощности. Их применение всегда требует компенсации емкостных токов замыкания на землю.

2.4. Трехфазные сети с компенсацией емкостного тока.

Достоинства и недостатки

В сетях напряжения 3 . 20 кВ и небольшой протяженности воздушных и кабельных линий ток замыкания фазы на землю со­ставляет несколько ампер. Дуга в этом случае оказывается неус­тойчивой и самостоятельно гаснет. Такие сети могут нормально работать в режиме простого замыкания. Увели­чение напряжения и протяженности сети приводит к росту тока замыкания на землю до десятков и сотен ампер. Дуга при таких токах может гореть долго, она часто переходит на соседние фазы, превращая однофазное замыкание в двух- или трехфазное. Устранение дуги достигается за счет компенсации тока замыкания на землю.

В качестве дугогасящего аппарата возможно применение шунтирующих и дугогасящих реакторов.

Для трех шунтирующих реакторов схема включения дана на рисунке 2.9.

Рис. 2.9. Схема включения шунтирующих реакторов

Для шунтирующих реакторов (рис. 2.9) справедливы следующие выражения:

, , ; . (2.11)

A

Рис 2.10. Схема включения дугогасящего реактора

Для дугогасящего реактора ДГР (рис. 2.10) индуктивность

; ; %, (2.12)

где k – степень настройки компенсации; ν – степень расстройки компенсации.

Перенапряжения в сетях с компенсацией емкостного тока уменьшаются и не превышают значений

при % (2.13)

Реально в электрических сетях используется только дугогасящий реактор в нейтрали, как наиболее экономичный.

Определим основные достоинства и недостатки сетей с компенсацией емкостного тока.

Достоинства такие же, как и в сетях с изолированной нейтралью при меньших уровнях перенапряжений. Кроме этого, для таких сетей практически полностью устраняется возможность возникновения феррорезонансных процессов.

Недостатки такие же, как и в сетях с изолированной нейтралью. Кроме того, возникают дополнительные затраты на амортизацию и обслуживание ДГР таких сетей. Коэффициент замыкания фазы на землю .

1. Сети напряжением 6–10 кВ.

2. Сети с питанием на генераторном напряжении.

Применение электрических сетей с изолированной нейтралью

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству либо присоединенная к нему через большое сопротивление.

Электрические сети с изолированной нейтралью применяются в электрических сетях на напряжении 380 – 660 В и 3 – 35 кВ.

Применение сетей с изолированной нейтралью при напряжении до 1000 В

Трехпроводные электрические сети с изолированной нейтралью применяются на напряжении 380 – 660 В при необходимости соблюдения повышенных требований электробезопасности (электрические сети угольных шахт, калийных рудников, торфяных разработок, передвижных установок). Сети передвижных электроустановок могут выполняться четырехпроводными.

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли симметричны и численно равны фазному напряжению установки, а токи в фазах источника — фазным токам нагрузки.

В сетях напряжением до 1 кВ (как правило, небольшой протяженности) пренебрегают емкостной проводимостью фаз относительно земли.

При касании человеком фазы сети проходящий через его тело ток

I ч = 3 U ф/(3 r ч + z)

где U ф — фазное напряжение; r ч — сопротивление тела человека (принимается равным 1 кО м ); z — полное сопротивление из оляции фазы относительно земли (составляет 100 кОм и более на фазу).

Поскольку z >> r ч , ток I, незначителен. Следовательно, прикосновение человека к фазе относительно безопасно. Именно это обстоятельство обусловливает применение изолированной нейтрали в электроустановках указанных объектов, помещения которых с точки зрения опасности поражения людей электрическим током относятся к помещениям особо опасным или с повышенной опасностью.

При неисправной изоляции, когда z r ч, человек, касаясь фазы, попадает под фазное напряжение. В этом случае ток. проходящий через тело человека, может превосходить смертельно опасное значение.

При однофазных замыканиях на землю напряжение исправных фаз относительно земли возрастает до линейного и ток, проходящий через тело человека при его прикосновении к неповрежденной фазе в момент замыкания, всегда опасен, так как достигает нескольких сотен миллиампер (здесь z r ч и вместо значения U ф в формулу следует подставлять линейное значение напряжения , т. с. √ 3 .

Следствием сказанного является применение в таких сетях в качестве защитной меры защитного отключения или заземления в сочетании с контролем состояния и золя ции сети. Длительная работа сети при однофазных замыканиях на землю в указанных электроустановках не допускается.

Основанием для применения заземления в сочетании с контролем изоляции сечи служит то обстоятельство, что ток глухого замыкания на землю I з в сетях с изолированной нейтралью не зависит от сопротивления заземления корпусов электрооборудования, нормально не находящихся под напряжением (в связи с тем, что проводимость в месте замыкания на землю значительно превосходит сумму проводимостей нейтрали, изоляции и емкости фаз отно сит ельно земли), и напряжение поврежденной фазы относительно земли Uz составляет небольшую часть фазного напряжения источника.

Читайте также:  Проходной двухклавишный выключатель: устройство, принцип действия, схема подключения механизма для двух точек

Значения величин I з и Uz при симметричных сопротивлениях изоляции относительно земли определяются так:

I з = 3 U ф/ z , Uz = I з х rz = 3 U ф х ( rz/z)

где rz — сопротивление заземления корпусов электрооборудования. Так как z >> rz , то Uz

Как видно из формул, в сетях с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю не вызывает токов короткого замыкания, ток I, составляет несколько миллиампер. Защитное отключение обеспечивает автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током и в подземных сетях строится на основе автоматического контроля за состоянием изоляции.

К трехпроводным электрическим сетям напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю) относятся сети напряжением 3 – 33 кВ. Здесь емкостной проводимостью фаз относительно земли пренебречь нельзя.

В нормальном режиме токи в фазах источника определяются геометрической суммо й нагрузок и емкостных токов фаз относительно земли Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю, поэтому ток в земле не проходит.

При глухом замыкании на землю напряжение относительно земли этой поврежденной фазы становится примерно равным нулю , а напряжения относительно земли двух других (поврежденных) фаз увеличиваются до линейных значений. Емкостные токи неповрежденных фаз также увеличиваются в √3 раз, поскольку к емкостям фаз уже приложены не фазные, а линейные напряжения. В результате емкостный ток однофазного замыкания на землю оказывается в 3 раза большим нормального емкостного тока фазы.

Абсолютное значение указанных токов относительно невелико. Так, для воздушной линии электропередачи напряжением 10 кВ и длиной 10 км емкостный ток равен п римерно 0,3 А , а для кабельной линии такого же напряжения и протяженности — 10 А .

Применение трехпроводной сети напряжением 3 – 35 кВ с изолированной нейтралью обусловлено не требованиями электробезопасности (такие сети всегда опасны для человека), а возможностью обеспечения нормальной работы электроприемников, включенных на междуфазное напряжение, в течение определенного промежутка времени. Дело в том, что при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью междуфазное напряжения остаются неизменными по величине и сдвинутыми по фазе на угол 120°.

Повышение напряжения в неповрежденных фазах до линейного значения распространяется н а всю есть, и при длительном воздействии возможно повреждение изоляции и последующее короткое замыкание между фазами. Поэтому в таких сетях для быстрого отыскания замыканий на землю должен выполняться автоматический контроль изоляции, действующий на сигнал при уменьшении сопротивления изоляции одной из фаз ниже заданного значения.

В сетях, питающих подстанции передвижных установок, торфяных разработок, угольных шах т и калийных рудников защита от замыканий на землю должна действовать на отключение.

При замыкании фазы на землю через перемежающуюся дугу могут возникнуть резонансные явления и опасные перенапряжения до (2 , 5 – 3,9)Uф, которые при ослабленной изоляции приводят к ее пробою и короткому замыканию. Поэтому уровень линейной изоляции определяется кратностью резонансных перенапряжений.

Перемежающиеся дуги возникают в сетях при емкостных токах замыкания на землю свыше 10 и 15 А при напряжении соответственно 35 и 20 кВ, свыше 20 и 30 А при напряжении соответственно 6 и 10 кВ.

Для исключения возможности возникновения перемежающихся дуг и устранения связанных с этим опасных последствий для изоляции электрооборудования в нейтраль трехпроводной сети включают индуктивный дугогасящий реактор. Индуктивность реактора подбирают таким обра з ом, чтобы емкостный ток в месте замыкания на землю был возможно меньшим и в то же время обеспечивал работу релейной зашиты, реагирующей на однофазное замыкание на землю.

Изолированная нейтраль. Устройство и работа. Применение

Изолированная нейтраль — в процессе передачи, распределения и потребления электрической энергии применяется симметричная 3-фазная система. Такую симметричность можно достичь, приведя в одинаковое положение линейные и фазные напряжения. Поэтому на всех фазах создается равномерная нагрузка по току, равный фазный сдвиг напряжений и токов.

Но при эксплуатации такой системы часто возникают аварийные режимы, приводящие к различным неисправностям проводников. Вследствие этого возникает нарушение симметричности трехфазной системы. Такие нарушения необходимо быстро устранять. На это оказывает большое влияние быстродействие релейной защиты.

Ее правильное функционирование зависит от нейтралей, которые бывают изолированными или глухозаземленными. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества, и используется в соответствующих условиях работы. От технического состояния релейной защиты зависит ее нормальная эксплуатация.

Устройство

Изолированная нейтраль создает режим, который нашел применение в российских энергосистемах для трансформаторов, а также генераторов. Их нейтральные точки не имеют соединения с контуром заземления. В сетях высокого напряжения (от 6 до 10 кВ) нейтральная точка не обязательна, так как обмотки трансформаторов выполнены по схеме треугольника.

По правилам имеется возможность ограничить режим изолированной нейтрали током емкости. Этот ток возникает при замыкании одной фазы.

Ток замыкания можно компенсировать путем использования дугогасящих реакторов в следующих случаях:
  • Более 30 А, напряжение от 3 до 6 кВ.
  • Больше 20 А, напряжение 10 кВ.
  • Ток более 15 А, напряжение от 15 до 20 кВ.
  • Ток больше 10 А, напряжение от 3 до 20 кВ, с опорами линий передач электроэнергии.
  • Все сети питания на напряжение 35 кВ.
  • В группе «генератор-трансформатор» при нагрузке 5 А и напряжении на генераторе от 6 до 20 кВ.

Допускается производить компенсацию тока замыкания на заземляющий контур путем замены ее на заземление нейтрали специальным резистором. В таком случае порядок действия релейной защиты изменится. Изолированная нейтраль впервые была заземлена в электрических устройствах с небольшой величиной напряжения.

В отечественных сетях питания изолированная нейтраль применяется в:
  • 2-проводных сетях постоянного тока.
  • 3-фазных сетях переменного тока до 1 кВ.
  • 3-фазных сетях от 6 до 35 киловольт при условии допустимого тока замыкания.
  • Низковольтных сетях, имеющих защитные устройства в виде разделяющих трансформаторов, защитной изоляции, для создания безопасных условий человека.
Принцип действия

Изолированная нейтраль применяется в схемах сетей питания в случаях соединения вторичных обмоток трансформаторов по схеме треугольника, а также при невозможности отключения питания при аварии. Поэтому точка нейтрали отсутствует.

Замыкание фазы на землю не считается коротким при схеме сети с изолированной нейтралью, так как нет соединения между землей и проводниками сети. Но это не значит, что не будет тока утечки при замыкании.

Это объясняется тем, что изоляция кабеля – это не абсолютный диэлектрик, как и другие изоляторы, которые имеют некую минимальную проводимость. Чем больше длина линии, тем выше ток утечки. Представим жилу кабеля обкладкой конденсатора. Второй обкладкой будет земля. Воздух и изоляция будет диэлектриком между токоведущими частями без напряжения, и кабелем. Емкость такого воображаемого конденсатора будет тем выше, чем длиннее линия передач.

Сеть с изолированной нейтралью представляет собой цепь замещения, учитывая удельную электроемкость сети и сопротивление изоляции. Это изображено на рисунке.

Такие компоненты цепи создают ток утечки. При различных условиях в таких сетях 380 вольт ток утечки незначителен, и составляет несколько миллиампер. Несмотря на это, такое замыкание приводит к аварии сети, хотя сеть еще может некоторое время работать.

Нельзя забывать, что в аналогичных сетях при замыкании 1-фазы на землю значительно повышается напряжение между землей и исправными фазами. Это напряжение приближается к величине 380 вольт (линейное напряжение). Этот факт может привести к удару электрическим током электротехнических работников.

Также, изолированная нейтраль при замыкании одной фазы на землю способствует пробиванию изоляции и появлению замыкания на других фазах, то есть, может возникнуть межфазное замыкание с большими токами. Чтобы обеспечить защиту в такой ситуации, необходимы плавкие вставки или автоматические выключатели.

Двойное замыкание на землю очень опасно для работников, обслуживающих сети. Поэтому, если в сети имеется однофазное замыкание, то такую сеть считают аварийной, так как условия безопасности резко снижаются. Наличие «земли» повышает опасность удара током при касании к элементам под напряжением. Поэтому замыкания даже одной фазы на землю немедленно должны устраняться.

Незначительная величина тока 1-фазного замыкания при изолированной нейтрали является причиной такого фактора, что такое замыкание невозможно отключить предохранителями и автоматами защиты. Поэтому потребуется вспомогательные релейные электроустановки, которые предупредят об аварийном режиме.

Эта система питания требует значительного числа сигнализаций и защитных устройств, а к работникам, которые обслуживают сети, предъявляются высокие квалификационные требования.

Преимущества

Режим изолированной нейтрали обладает достоинством, которое заключается в отсутствии надобности оперативного отключения первого 1-фазного замыкания на землю. В местах неисправности появляется незначительный ток, при условии небольшой емкости тока на заземление.

Изолированная нейтраль применяется ограниченно, так как имеет несколько серьезных недостатков.

Недостатки
  • Сложное обнаружение неисправностей.
  • Все электроустановки требуется изолировать на линейное напряжение.
  • Если замыкание продолжается длительное время, то существует действительная опасность удара человека электрическим током.
  • При 1-фазных замыканиях не обеспечивается нормальное функционирование релейной защиты, так как величина действительного тока замыкания напрямую зависит от работы сети питания, а именно от числа подключенных веток цепи.
  • Снижается срок службы изоляции из-за постепенного накапливания дефектов вследствие воздействия на нее дуговых перенапряжений в течение длительного времени.
  • Повреждения могут появиться в различных местах из-за пробоя изоляции в других местах, где появляются дуговые перенапряжения. Поэтому многие кабели выходят из строя, так же, как электродвигатели и другие электроустановки.
  • Возможно появление дуговых перенапряжений, дуги незначительного тока в местах 1-фазного замыкания на землю.
Читайте также:  Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом: общие сведения, виды, правила пользования

В результате можно сказать, что значительное число недостатков превосходит все преимущества этого режима. Но при некоторых условиях такой способ вполне проявляет свою эффективность и не нарушает требований правил электроустановок.

Глухозаземленная нейтраль: принцип работы, устройство, особенности

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 UF1, UF2 и UF3 принято называть фазными, а величины UL1, UL2 и UL3 – линейными или межфазными. Характерно, что UL превышает UF 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.

Добавить комментарий