Сеть с изолированной нейтралью (IT – сеть)
Защитное заземление.. Электромагнитные помехи.. Построение сети IT.. Сеть TN-S.. Гальваническая развязка по питанию.. IT-сеть.. Разделительный трансформатор.. Однофазная нагрузка.. Преимущества сети IT.. Однофазное замыкание.. Пробой (фаза-корпус) в IT-сети.. Электробезопасность IT-сетей.. Качество изоляции.. Напряжение прикосновения.. Реле контроля изоляции (РКИ).. Пожаробезопасность IT-сетей.. Бесперебойность электроснабжения.. Помехозащищенность электронных приборов.. Электромагнитная совместимость (ЭМС)..Электромагнитные помехи по цепям питания и защитного заземления могут значительно превышать стандартизированные уровни устойчивости электронной аппаратуры, что может привести к ошибкам в системах обработки информации, увеличении погрешности измерений, сбоям и отказам в работе систем автоматики.
Одним из самых эффективных способов защиты чувствительных к помехам приборов и оборудования является применение гальванической развязки по питанию силового и слаботочного оборудования (IT – сеть). Поскольку в такой сети нулевой провод изолирован от земли и отсутствует гальваническая связь с сетью TN-S, в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи.
Способы защиты информационного оборудования от помех рассматривались в статьях «Требования к заземляющим устройствам. Устраняем противоречия» и «О функциональном заземлении». Там же, в числе других способов защиты от помех, называлась и сеть с изолированной нейтралью (IT – сеть). Рассмотрим более подробно преимущества такой сети и области ее применения.
Построение сети с изолированной нейтралью.
Основным способом получения сети с изолированной нейтралью (IT- сети) является применение разделительного трансформатора. Разделительный трансформатор преобразует сеть с глухозаземленной нейтралью в IT-сеть. При этом силовое оборудование потребителя получает питание по сети TN-S, а слаботочная, чувствительная к помехам нагрузка запитывается через разделительный трансформатор по сети IT. Однофазная нагрузка подключается к силовым выходам трансформатора, а корпус аппарата – к заземляющей шине для предотвращения накопления статического заряда, как показано на рис.1.
Рис. 1
Преимущества, которые дает сеть с изолированной нейтралью.
1. Высокий уровень электробезопасности.
IT- сети, по сравнению с сетями TN-С, TN-S, TN-С-S, ТТ, обеспечивают наибольшую электробезопасность для обслуживающего персонала. В IT-сети нет гальванической связи между землей, фазой и нейтралью. Одновременное касание любого из силовых выходов разделительного трансформатора и заземленного, неизолированного элемента конструкции является безопасным.
При неполадках нейтрального или фазного провода и первичном повреждении изоляции также не возникает опасность поражения электрическим током, поскольку не образуется замкнутый токовый контур с землей. Величина тока однофазного замыкания на землю, в худшем случае, составляет единицы ампер. При таком токе замыкания напряжение прикосновения крайне невелико и не представляет опасности для человека.
Первичный пробой (фаза – корпус) в IT-сети, в отличие от сети TN-S, не приводит к аварии (рис. 2).
Рис. 2
При замыкании на землю IT-сеть просто переходит в TN-S-сеть, поэтому не происходит отключения электрооборудования потребителя. При этом не возникает опасности поражения людей или повреждения оборудования и потребители могут продолжать свою работу.
При отсутствии контроля о состоянии изоляции первичный пробой может пройти незамеченным, поэтому для сетей с изолированной нейтралью обязательным является применение реле контроля изоляции (РКИ), обеспечивающего непрерывный контроль за состоянием изоляции выходной обмотки трансформатора и распределительной сети.
Безопасность IT- сети, кроме того, может быть улучшена за счет применения УЗО.
2. Высокая пожаробезопасность
Высокая пожаробезопасность IT-сетей в сравнении с сетями других конфигураций объясняется очень малой величиной тока однофазного замыкания на землю (единицы ампер). В этом случае при первичном пробое изоляции нет опасности искрообразования и возгорания. Это чрезвычайно важно в помещениях с горючими материалами и во взрывоопасных помещениях при наличии воспламеняющейся угольной, древесной, зерновой пыли, утечек газа или паров нефтепродуктов.
3. Повышенная надежность IT-сетей
Разделительный трансформатор с заземленным экраном является эффективным помехоподавляющим фильтром и обеспечивает создание выделенной помехозащищенной сети электроснабжения для объектов с высокими требованиями к системам безопасности и жизнеобеспечения.
4. Бесперебойность электроснабжения.
IT-сети обеспечивают лучшую бесперебойность питания потребителей по сравнению с любыми другими системами электроснабжения. Возникновение первичных однофазных замыканий на землю, как правило, не требуют немедленного отключения оборудования.
Для увеличения надежности критичных к бесперебойности электроснабжения объектов (например, медицинских учреждений и др.) предусматривается питание электросетей по 1 категории. Помимо двух независимых источников питания, что является обязательным условием, в качестве третьего источника питания могут применяться дизельные станции с системой автоматического запуска и источники бесперебойного питания.
5. Помехозащищенность.
Питание микропроцессорных приборов от разделительного трансформатора в условиях высокого уровня помех по сетям защитного заземления – наиболее эффективный способ защиты чувствительных к помехам приборов и оборудования.
Как уже отмечалось, разделительный трансформатор, кроме того, что сам по себе является неплохим фильтром помех, является также хорошей защитой от импульсных грозовых перенапряжений по сетям заземления, что обеспечивает стабильную и надежную работу слаботочной аппаратуры.
Электромагнитные возмущения в самих IT сетях незначительны, поскольку ток однофазного замыкания мал и не создает значительных падений напряжения. Сети IT имеют ограничение на расширение сети, так как новые присоединения увеличивают ток однофазного замыкания и ухудшают электромагнитную обстановку.
Единственным недостатком IT сетей с применением разделительных трансформаторов и системами контроля изоляции является их достаточно высокая стоимость. Такие затраты должны быть оправданы особыми требованиями к системам безопасности и жизнеобеспечения.
Области применения сетей с изолированной нейтралью
В большинстве случаев сбоев и отказов в работе систем автоматики, вычислительной и измерительной техники можно избежать соблюдением требований электромагнитной совместимости оборудования и технических средств, а также правил выполнения заземления таких систем.
Вместе с тем, существуют объекты, к которым предъявляются, с одной стороны – повышенные требования к электробезопасности, которая во многом зависит от устойчивой и безотказной работы микропроцессорных устройств и электронной аппаратуры, с другой – недопустимостью отключения оборудования от электроснабжения (системы освещения, системы
жизнеобеспечения, операционные комплексы, шахты и т. д.).
Высокая помехозащищенность, электробезопасность и бесперебойность электроснабжения, которую обеспечивают IT- сети, определило их использование в системах электроснабжения медицинских учреждений, предприятий горной, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, железнодорожного и морского транспорта, специального научного и испытательного оборудования.
vgs-design-el.blogspot.com
Режим изолированной нейтрали для операционных блоков
Как показывает практика, проектирование сетей питания медицинских учреждений во многих случаях сопровождается определенными трудностями. Основной причиной является отсутствие единого комплекса современной нормативной базы в данной области. К отечественным документам, регламентирующим проектирование и работы по силовым сетям питания медицинских учреждений, относятся:Инструкция РТМ – 42 – 80. – организация питания операционных.
ПУЭ п.1.6.12 – пункт об обязательном применении автоматического непрерывного контроля изоляции в сетях переменного тока с изолированной нейтралью до 1 кВ.
ГОСТ 30030 – требования к изолирующим трансформаторам. Практическим выходом из сложившейся ситуации может быть ориентация на международные нормативы, где данные вопросы проработаны весьма тщательно. К таким стандартам относится IEC 60364–7–710. 2001 (стандарт безопасности в медицинских учреждениях).
Классификация помещений
Согласно IEC 60364–7–710. 2001 в зависимости от вида медицинских процедур, проводимых в помещениях, предусмотрена следующая классификация помещений:
Гр 0 – мед. помещения, где не используются электроприборы
Гр 1 – мед. помещения, где приборы используются внешне или внутренне, но авария силового питания не может привести к гибели или серьезному ущербу для жизни пациента.
К помещениям Гр 2 относятся: операционные, помещения интенсивной терапии, анестезионные, комнаты подготовки к операции, комнаты послеоперационного восстановления, искусственного сердца и помещения с детьми, родившимися недоношенными. Для питания электроприборов в помещениях медицинских учреждений Гр 2 с целью обеспечения максимальной электробезопасности предписывается использование разделительных трансформаторов с системой контроля изоляции сети (режим изолированной нейтрали или IT – сеть).
Построение сети с изолированной нейтралью
Основным способом получения IT – сети является применение разделительного трансформатора (рис.1).
Рисунок 1 – Применение разделительного трансформатора.
Нагрузка подключается к силовым выходам трансформатора, а корпус прибора к заземляющей шине для предотвращения накопления статического заряда.
В случае применения трехфазного трансформатора выходное напряжение может быть как 220/380 В, 50 Гц, так и трехфазное 220 В, 50 Гц без использования нейтрали, где однофазная нагрузка подключается к линейному напряжению.
Цель использования и достоинства IT — сетей
Применение разделительных трансформаторов с системами контроля изоляции требует достаточно больших затрат и возникает законный вопрос о необходимости тратить такое количество средств.
Приведем ряд преимуществ, которые дает сеть с изолированной нейтралью.
1. Первичный пробой (фаза – корпус) в отличие от TN – S сетей не приводит к аварии (рис.2)
Рисунок 2 – Сеть с изолированной нейтралью.
Результатом короткого замыкания любого из выходов трансформатора на заземление (корпус прибора) становится переход IT – сети в разряд сети типа TN – S.
При отсутствии устройства контроля изоляции данная ситуация может пройти незамеченной, поэтому для сетей с изолированной нейтралью обязательным является применение реле контроля изоляции (РКИ), обеспечивающего непрерывный контроль за состоянием изоляции выходной обмотки трансформатора и распределительной сети.
2. Одновременное касание заземленного, неизолированного элемента конструкции и любого из силовых выходов разделительного трансформатора является безопасным. В «идеальной сети» напряжение равно нулю. В реальных сетях токи утечки составляют микроамперы, что значительно меньше уровня токов безопасности и не представляет угрозы.
3. Разделительный трансформатор сам по себе является неплохим фильтром помех и хорошей защитой от импульсных, грозовых перенапряжений, что обеспечивает более надежную работу подключенной аппаратуры. Это свойство часто используется для обеспечения надежной работы цифровой аппаратуры на предприятиях в условиях высокого уровня помех от работы оборудования.
В результате, высокая надежность, электробезопасность и помехозащищенность IT – сетей определило их использование в нефтехимической отрасли, на шахтах, на транспорте и в медицине.
Применение разделительных трансформаторов и организация распределительной сети для питания медицинской аппаратуры имеет ряд специфических требований и правил.
Для сетей питания медицинского оборудования принят пороговый уровень сопротивления изоляции IT – сети в 50 кОм, что соответствует току утечки 4,4 мА.
Принцип организации питания медицинской аппаратуры
В основу организации сети питания для мед. аппаратуры в помещениях Гр 2 заложены три основных принципа:
- Использование устройств преобразования, передачи и распределения энергии обеспечивающих высокий уровень изоляции и надежности сети.
- Обеспечение непрерывности питания аппаратуры, как необходимого условия безопасности жизни пациентов.
- Непрерывный контроль персонала за состоянием IT – сети.
Требования к разделительному трансформатору
- Мощность разделительных трансформаторов ограничена диапазоном 0,5 — 10 кВА, как для однофазных, так и для трехфазных трансформаторов.
Данное требование связано с тем, что контроль за множеством потребителей в сильно разветвленной распределительной сети менее эффективен. Возникновение аварии или нарушения изоляции в любой из частей может привести к общей аварии сети и затрудняет поиск места неисправности. С этим связано требование нормативов, определяющее питание каждой операционной от одного трансформатора (РТМ — 42).
- Выходное напряжение трехфазного изолирующего трансформатора 3 ф 220В.
Наличие линейного напряжения 380В в помещении с медицинским оборудованием запрещено, так как является фактором, снижающим электробезопасность помещения (IEC 60364–7–710, Инструкция РТМ – 42).
Подключение потребителей к трехфазному трансформатору осуществляется по приведенной схеме на рис.3:
Рисунок 3 – Подключение потребителей к трехфазному трансформатору.
Применение трехфазного трансформатора требует соответствующей схемы организации распределительной сети, так как провод нейтрали не используется.
- Обязательное наличие экранирующей обмотки.
- Повышенные требования к изоляции трансформатора соответствующие медицинским стандартам.
- Система плавного старта.
- Отклонение выходного напряжения на холостом ходу и под нагрузкой не более 5 % от Uвх.
- Повышенная нагрузочная способность.
- Обязательный контроль температуры обмоток.
- Система контроля изоляции (РКИ).
- Выход дистанционного контроля (сигнализации) о превышении уровня нагрузки и температуры.
- Пост дистанционного контроля трансформатора (ПДК).
Требования к посту дистанционного контроля
- Индикация состояния сопротивления изоляции «НОРМА» при R > 50 кОм, «ПРОБОЙ» при R < 50 кОм.
- Индикация превышения допустимой температуры трансформатора.
- Кнопки дистанционного тестирования системы контроля изоляции.
- Функция необходимая для периодической проверки системы контроля изоляции.
- Отключаемый звуковой сигнал при выходе любого из контролируемых параметров за пределы нормы.
- Исполнение, допускающее обработку санитарными растворами.
- Напряжение питания и индикации не более 24 В.
Обеспечение бесперебойности электропитания.
Ввиду исключительной важности стабильного функционирования электрооборудования в медицинских учреждениях предусматривается питание электросети по категории 1. Наличие двух независимых источников питания является обязательным условием. Однако участившиеся в последнее время техногенные аварии зачастую приводят к обесточиванию целых районов города и для надежности электроснабжения в качестве третьего источника питания применяют дизельные станции с системой автоматического запуска и источники бесперебойного питания.
Согласно IEC 60364–7–710. 2001 в зависимости от рода работ для помещений групп 1 и 2 установлены различные продолжительности времени переключения и работы резервного источника питания:
Время переключения менее 0,5 секунд для освещения операционных столов и другого необходимого осветительного оборудования с обеспечением бесперебойности электроснабжения при полной аварии по двум вводам на период не менее 3 ч.
Время переключения менее 15 секунд для аварийного освещения, медицинского оборудования группы 2, оборудования питания медицинского газа, пожарной сигнализации.
Время переключения более 15 секунд для оборудования поддержания больничных служб (стерилизаторы, холодильное, кухонное оборудование и т.д.).
В
случае, если АВР на входе питания сети не удовлетворяет условию времени
переключения (менее 0,5 сек), возможно локальное применение источников
бесперебойного питания для части нагрузок.
Источник бесперебойного питания устанавливается до разделительного трансформатора.
Построения сети питания.
В настоящий момент не существует универсальной схемы
электроснабжения для больниц и других учреждений здравоохранения. В
каждом конкретном случае инженер проектировщик вынужден самостоятельно
решать вопрос по структуре электроснабжения объекта. Использование
типовых европейских схем представляется сомнительным, так как для первой
категории электроснабжения по их стандартам достаточно иметь один ввод
от трансформатора подстанции и дизельную станцию. Нагрузки делятся на
две группы AV – рабочее электроснабжение и SV – резервированное
электроснабжение соответственно. Дизельная станция, в случае аварии
основного ввода, поддерживает лишь группу нагрузок SV (рис.4).
Рисунок 4 – Построения сети питания.
Опыт разделения нагрузок на две основные части имеет существенные преимущества, особенно для больших больничных комплексов:
- Позволяет существенно уменьшить мощность дизельной станции, что в итоге сказывается на цене проекта.
- Улучшает надежность работы ответственных нагрузок с точки зрения помех.
В нормальном режиме питание разделенных нагрузок осуществляется каждой от своего ввода. При аварии любого из вводов АВР автоматически переключает все нагрузки на рабочий ввод. В случае аварии обоих вводов автоматически запускается дизельная станция и обеспечивается подача питания на ответственные нагрузки (SV).
Создание АВР с подобной схемой и описанным алгоритмом работы на современном уровне элементной базы особых трудностей обычно не вызывает.
Размещение оборудования.
Принцип размещения электрооборудования достаточно
стандартный, однако следует обратить особое внимание на расположение
поста дистанционного контроля трансформатора (ПДК). Обязательно
размещение его в зоне работы персонала, для оперативного получения
информации о состоянии IT – сети и трансформатора.
При реконструкции больниц часто возникает проблема с установкой разделительных трансформаторов. В принципе, допустимо установить трансформатор в помещении операционной, но при выполнении следующего условия: трансформатор должен представлять собой закрытый электротехнический шкаф со степенью защиты IP 54 с возможностью обработки его санитарными растворами.
На рисунке 5 приведен пример типовой и проверенной на практике схемы подключения консолей жизнеобеспечения операционной к разделительному трехфазному трансформатору мощностью 6 кВА (перегрузочная способность до 10 кВА в течении 30 мин.). Указанные номиналы автоматов обеспечивают стабильную работу системы и максимальную мощность нагрузки до 3,5 кВА на розетку.
Рисунок 5 – Размещение электрооборудования.
Светильники операционного стола.
К обеспечению электропитанием операционных светильников
предъявляются самые жесткие требования. Согласно нормативам время
прерывания напряжения питания должно составлять не более 0,5 сек и
обеспечена бесперебойная подача напряжения не менее 3 ч при полном
отключении электросети в случае аварии.
Средняя мощность светильников
составляет 450 Вт. С напряжением питания возможны два варианта – 220 В,
50Гц или 24 В постоянного/переменного токов.
При первом варианте
питание осуществляется от разделительного трансформатора (РТМ – 42 ,
пункт 2.3.7 ), запитанного в свою очередь от ИБП с соответствующей
емкостью батареи.
Защитное заземление и выравнивание потенциалов.
Операционные помещения должны иметь защитную заземляющую шину из меди сечением не менее 80 мм2, либо из другого материала с эквивалентным по проводимости сечением.
Удельное электрическое сопротивление для различных проводников дано в таблице 1.
Таблица 1.
| Материал проводника | Удельное сопротивление мкОм х м | Коэффициент сопротивления по отношению к меди | Требуемое сечение для шины заземления, мм2 |
| Медь | 0,017 | — | 80 |
| Сталь | 0,1 | 5,88 | 470 |
Операционный стол, наркозный аппарат и вся электромедицинская аппаратура, выполненная по 01 и 1 классам электробезопасности, должны быть соединены с шиной заземления проводниками.
Выбор сечения заземляющего проводника см. таблице 2.
Таблица 2.
| Сечение питающего проводника, мм2 | Сечение заземляющего проводника, мм2 |
| менее или равно 16 | равно питающему |
| от 16 до 35 | не менее 16 |
| более 35 | 1/2 питающего |
Минимальное сечение защитного заземляющего проводника, имеющего механическую защиту, должно быть 2,5 мм2, а не имеющего механической защиты – 4 мм2.
Все штепсельные розетки должны быть с заземляющими контактами с сечением проводников подключения 2,5 мм2.
При расположении шины заземления по всему периметру операционной шину выравнивания потенциалов не устанавливают.
Шина заземления крепится к стене с плотным прилеганием. Щели недопустимы.
В случае если стены зашиты гипроком, то шина заземления должна проходить по капитальной стене, а в гипроке располагаются специальные розетки заземления, соединенные с основной шиной заземления проводником сечением 4 мм2.
Рисунок 6 – Защитное заземление.
При согласовании готового
проекта в Энергонадзоре, как правило, возникает довольно серьезный и
конфликтный вопрос о заземлении розеток, питающихся от разделительного
трансформатора. Дело в том, что в ПУЭ присутствует пункт 1.7.85 о
подключении нескольких нагрузок к разделительному трансформатору в
режиме изолированной нейтрали. Приведем дословно содержание:
«…Допускается
питание нескольких электроприемников от одного разделительного
трансформатора при одновременном выполнении следующих условий:
2)
открытые проводящие части отделяемой цепи должны быть соединены между
собой изолированными, незаземленными проводниками местной системы
уравнивания потенциалов, не имеющей соединений с защитными проводниками и
открытыми проводящими частями других цепей;
3) все штепсельные розетки должны иметь защитный контакт, присоединенный к местной незаземленной системе уравнивания потенциалов…»
Теперь, для наглядности, нарисуем рекомендуемую данным пунктом схему (рис.7)
Рисунок 7 – Рекомендуемая схема подключения.
К сожалению, требования данного пункта пытаются распространить и на подключение аппаратов в операционных.
Результатом включения при данной схеме будет следующее:
- Системы контроля изоляции, как отечественного, так и импортного производства не смогут обнаружить первичный пробой.
- Появляется возможность накопления статического электричества на корпусах приборов, находящихся во взрывопожароопасном помещении операционной (мед. газы)
Пункт 1.7.85 противоречит пункту 1.7.104 того же ПУЭ, где даются расчеты заземления для сетей с изолированной нейтралью, пункту 2.4.4 РТМ–42, а заодно и европейским стандартам.
С точки зрения здравого смысла, в
данном случае, для обеспечения безопасной и надежной работы
электроаппаратов оптимально использовать подключение на выделенное
технологическое заземление.
www.poligonspb.ru
режимы работы, достоинства и недостатки
Сети 6-35 кВ в РФ в основном выполняются с изолированной нейтралью. За счет этого минимизируются токи короткого замыкания на землю. Это повышает надежность работы сети, так как некоторые «земли» самоустраняются. А с другими сеть может работать длительное время, необходимая для поиска места КЗ, его локализации, производства необходимых переключений. В результате можно сохранить работоспособность электрооборудования потребителей, грамотно выводя из строя линию с повреждением, заменив ее резервной.
Малые токи КЗ на землю позволяют занизить и требования к заземляющим устройствам. Наличие всего трех проводов и режимов работы сети со сверхтоками только при междуфазных замыканиях между ними позволяет упростить и устройства РЗА. Достаточно установить два трансформатора тока для регистрации любых замыканий между фазами. Традиционно они ставятся в фазы «А» и «С».
Недостатки сети с изолированной нейтралью.
Но за простоту всегда приходится платить. Сеть с изолированной нейтралью допускает работу с землей на одной фазе длительное время. Но при этом фазные напряжения становятся равны линейным. Это происходит на двух оставшихся без замыкания на землю фазах.
Для того, чтобы электрооборудование выдерживало этот режим, оно изначально рассчитывается на линейное напряжение сети. Но и этого оказывается мало. Всегда существуют участки с ослабленной изоляцией, на которые резкое повышение напряжения может подействовать губительно. Возникает двойное замыкание, ток его возрастает. Нередко в случаях КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью происходят повреждения электрооборудования в местах, достаточно далеких от места КЗ.
Добавим к этому и тот факт, что при замыканиях, происходящих через дугу, регулярно погасающую в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, фазное напряжение возрастает далеко не в корень из трех раз. Оно становится больше линейного. Считается, что в этих случаях напряжение может подскакивать в 2,5 раза, и даже более.
Еще один недостаток, связанный с замыканиями на землю: в трансформаторах напряжения при этом происходят феррорезонансные процессы. Это приводит к выходу их из строя за счет перегрева первичной обмотки резонансными токами, во много раз превышающими номинальный. С этими процессами борются, усложняя конструкцию ТН и их цепей, но стопроцентной защиты пока достичь не удается.
Емкостные токи замыкания на землю.
Но и токи замыкания на землю не всегда бывают такими уж и небольшими. За счет чего они образуются? Ведь очевидного пути для их распространения нет – нейтраль-то изолирована.
Токи утечки на землю в сети с изолированной нейтралью, в отличие от глухозаземленной, носят емкостной характер. Они есть всегда, наибольшая их величина – у кабельных и воздушных линий электропередачи. Поэтому получается, что в эквивалентной схеме трехфазной сети с изолированной нейтралью между каждой из фаз и землей включен конденсатор. Чем больше в сети кабельных линий, тем больше емкость этого конденсатора.
{xtypo_sticky}При КЗ на землю одной из фаз ее емкость выпадает из общей картины. Но в точке замыкания она через землю и эквивалентные емкости соединяется с другими фазами сети. Через эту цепь и протекает ток замыкания, носящий емкостной характер.{/xtypo_sticky}
Ток этот можно рассчитать, и даже измерить. При превышении им определенных значений замыкание уже не будет таким безобидным, его действие будет довольно разрушительным.
Компенсация емкостных токов
При превышении емкостными токами замыкания на землю величин, указанных в таблице, сеть должна быть снабжена установками компенсации.
Установка компенсации емкостных токов состоит из двух элементов. Первый из них – трансформатор, задача которого – выделить из трехфазной сети потенциал нейтрали. Это почти обычный силовой трансформатор, у которого первичная обмотка соединена в звезду с нулевым выводом. Нейтраль звезды соединяется с землей через дугогасящую катушку.
Второе ее название – катушка Петерсона. Она бывает также похожа на силовой трансформатор с маслонаполненным баком, а иногда имеет и другую конструкцию. Но основная ее особенность в том, что ее индуктивность регулируется, плавно или ступенчато.
При отсутствии замыкания ток через катушку минимален. Предварительно ее настраивают в резонанс с общей емкостью сети. На устройствах со ступенчатой регулировкой это выполняется довольно приближенно и грубо. Если суммарное емкостное сопротивление сети больше, чем индуктивное сопротивление катушки, этот режим работы называется недокомпенсацией. Если ситуация противоположная – перекомпенсацией. Режим с перекомпенсацией для электроустановок является предпочтительным.
Но емкостное сопротивление сети постоянно изменяется в зависимости от подключенных к ней кабельных линий. В результате режим установки компенсации требует постоянной корректировки. Наиболее эффективным является применением плавной регулировки индуктивности катушки Петерсона. Он производится за счет изменения зазора в ее магнитопроводе с помощью специального электропривода. За этим следит автоматика.
Помимо основного электрооборудования в состав установки компенсации емкостных токов, входят и вспомогательные элементы. Это трансформатор тока, служащий для измерения тока замыкания на землю, специальная обмотка для выделения 3Uo.
Работа установки компенсации
При замыкании на землю в точку КЗ течет емкостной ток сети. При наличии установки компенсации туда же отправляется и ток через дугогасящую катушку. В точке КЗ они взаимно компенсируют друг друга, снижая или сводя к минимуму ток в поврежденной фазе.
При этом дуговое замыкание при переходе синусоидального напряжения КЗ через ноль гаснет. Для ее повторного зажигания напряжения оказывается недостаточно. Так минимизируются все вредные воздействия замыкания на землю на всю сеть целиком.
Составляющей тока, оставшейся нескомпенсированной, достаточно для срабатывания земляной защиты присоединения. Тем не менее, ее рано вводить на безусловное отключение линии, так как ошибки в действиях защиты все же случаются.
Чтобы сделать работу ОЗЗ максимально эффективной, современные катушки Петерсона содержат в своем составе резистор с заранее рассчитанной величиной сопротивления. В момент замыкания контактором он подключается в цепь катушки на ограниченное время, достаточное для срабатывания защиты. Так нейтраль кратковременно приобретает резистивное заземление.
За счет ввода активной составляющей тока замыкания на землю произойдет отключение только линии, подпитывающей КЗ.
Недостатки сети с компенсированной нейтралью
Основной недостаток, связанный с применением установок компенсации, как ни странно, вытекает из их достоинства. Снижая величину емкостного тока, они минимизируют повреждения в точке КЗ и не дают ему развиться до междуфазного.
Если речь о кабельной линии, то найти потом это повреждение достаточно сложно.
К тому же компенсированная нейтраль не излечивает полностью сети с изолированной нейтралью от их собственных недостатков, описанных выше.
pue8.ru
Сети с изолированной нейтралью.
Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединённая через аппараты, компенсирующие емкостной ток сети и другие аппараты, имеющие большее сопротивление. Ток замыкания на землю и ток через человека, касающегося фазы в таких сетях, зависят от сопротивления изоляции и ёмкости фаз относительно земли. В общем случае сопротивление изоляции и емкости фаз относительно земли несимметричны: za ≠ zb ≠ zc и са ≠ cb ≠ cc, поэтому несимметричны и полные проводимости между каждой фазой и землей:
Ya ≠ Yb ≠ Yс (3.7)
Общая схема с изолированной нейтралью предоставлена на рисунке 3.3
Рисунок 3.3
Ya=ga+jba;
Yb=gb+jbb; (3.8)
Yc=gc+jbc;
В случае замыкания на землю одной из фаз проводимость ее относительно земли возрастает на величину переходной проводимости в месте замыкания на землю , при прикосновении человека к фазе переходное сопротивление равно сопротивлению цепи человека r’= Rh.
Для напряжения фаз относительно земли из векторной диаграммы находим:
Рисунок 3.4
Uаз=Ua-Uo;
Ubз=Ub-Uo; (3.9)
Ucз=Uc-Uo;
Напряжение смещения нейтрали определяется по формуле известной из электротехники:
(3.10)
В сетях напряжением до 1000В малой протяженности ёмкость невелика и емкостной проводимостью можно пренебречь, т.е. Ca=Cb=Cc=0 и если предположить, что
то
(3.11)
Выражение показывает значение изоляции как фактора безопасности:
(3.12)
При сопротивлении изоляции фаз относительно земли, значительно большем сопротивления человека(R>Rч), это выражение примет вид (3.13), т.е. чем больше сопротивление изоляции, тем меньший ток протекает через тело человека, причем при больших сопротивлениях изоляции ток через тело человека в малой степени зависит от сопротивления его тела.
В трехфазной сети нет необходимости включать индуктивность между каждой фазой и землей; Компенсирующая катушка включается между нейтралью и землей.
Емкостная и индуктивная составляющая находятся в противофазе и при настройке в резонанс взаимно полностью компенсируют друг друга, активные составляющие складываются и ток замыкания на землю остается,
(3.13)
т.е. при значительной емкости достигающей опасных величин.
Настройки компенсирующей катушки производятся либо изменением числа витков, включенных в цепь, либо изменением воздушного зазора магнитопровода. Следовательно, сопротивление изоляции защищает человека от воздействия электрического тока.
Сети с глухозаземленной нейтралью.
Сеть с глухозаземленной нейтралью называется, нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая к заземляющему устройству непосредственно или через
малое сопротивление, сопротивление заземления нейтрали составляет несколько Ом, что значительно меньше сопротивления изоляции. Проводимость заземления нейтрали :
Рисунок 3.4
Y0=G0=1/R0 (3.14)
значительно больше проводимостей фаз относительно земли
G0>>│Ya+ Yb+ Yc│ (3.15)
Тогда
или
(3.16)
В этом выражении можно пренебречь сопротивлением заземления нейтрали, так как оно не превышает 10 Ом, а сопротивление энергетической цепи человека не ниже 1 КОм
(3.17)
Следовательно, касаясь к одной из фаз в сети с глухозаземлённой нейтралью, человек попадает под фазное напряжение, причем ток, проходящий через него, не зависит ни от сопротивления изоляции, ни от емкости сети относительно земли.
Проведённый анализ показывает, что в сети с глухозаземленной нейтралью замыкание на землю мало изменяет напряжение фаз относительно земли и можно считать, что человек, прикасающийся к исправной фазе, попадает не под линейное, а под фазное напряжение. Полученные выводы справедливы для сетей с глухозаземленной нейтралью, напряжением выше 1000В, замыкание является коротким замыканием.
Выбор режима нейтрали.
При выборе режима нейтрали в проектируемой электрической сети, необходимо учитывать:
электробезопасность и возможные защитные меры.
надёжность электроснабжения, имея в виду возможность работы электроустановки при аварийном замыкании на землю: экономический фактор.
В сетях с напряжением до 1000В применяются обе схемы: трехпроводная с изолированной нейтралью и четырехпроводная с глухо-заземленной нейтралью. Эксплуатация четырех проводных сетей с изолированной нейтралью запрещено.
Наибольшее применение имеют четырёхпроводные сети с напряжением 320/220 В, обеспечивающие питание от одного источника (трансформатор, генератор, силовой и осветительной нагрузок). Однако однофазное прикосновение к такой сети всегда опасно, поскольку изоляция фаз в этом случае не влияют на величину тока, проходящего через человека.
Применение трехфазных сетей напряжением 660, 380 и 220В с изолированной нейтралью для питания только силовых нагрузок даёт преимущество — меньшую опасность однофазного прикосновения, поскольку при высоких сопротивлениях изоляции и малой емкости проводов по отношению к земле ток, проходящий через человека, должен быть небольшим.
В сети с глухозаземленной нейтралью в качестве защитной меры применяют соединение корпусов электрооборудования с нейтралью источников питания (зануление), что обеспечивает быстрое отключение повреждённой установки или участка сети максимальной токовой защитой вследствие однофазного короткого замыкания.
В сетях с глухозаземленной нейтралью автоматическое отключение установки максимальной токовой защитой при замыкании на корпус или на землю в ряде производств недопустимо по условиям технологии. Для этих целей применяют трёхфазные сети с изолированной нейтралью, а осветительные установки питать от отдельного трансформатора.
В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжение фаз относительно земли более стабильно, чем в сетях с изолированной нейтралью.
Напряжение фаз с исправной изоляцией относительно земли при однофазном замыкании не превышает фазного.
infopedia.su
электрическая сеть с изолированной нейтралью
- электрическая сеть с изолированной нейтралью
80 электрическая сеть с изолированной нейтралью
Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты, сигнализации с большим сопротивлением
601-02-24
de Netz mit isolirtem Sternpunkt
en isolated neutral system
fr réseau a neutre isolé
3.9. Электрическая сеть с изолированной нейтралью — сеть, нейтраль которой не имеет соединения с землей, за исключением приборов сигнализации, измерения и защиты, имеющих весьма высокое сопротивление, или сеть, нейтраль которой соединена с землей через дугогасящий реактор, индуктивность которого такова, что при однофазном замыкании на землю ток реактора в основном компенсирует емкостную составляющую тока замыкания на землю.
3.3.79 электрическая сеть с изолированной нейтралью : Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты и сигнализации с большим сопротивлением.
[ГОСТ 24291-90, пункт 80]
9. Электрическая сеть с изолированной нейтралью
Сеть, нейтраль которой не имеет соединения с землей, за исключением приборов сигнализации, измерения и защиты, имеющих весьма высокое сопротивление, или сеть, нейтраль которой соединена с землей через дугогасящий реактор, индуктивность которого такова, что при однофазном замыкании на землю ток реактора в основном компенсирует емкостную составляющую тока замыкания на землю
1.3.21 Электрическая сеть с изолированной нейтралью — сеть, нейтраль которой не имеет соединения с землей, за исключением приборов сигнализации, измерения и защиты, имеющих весьма высокое сопротивление. К сетям с изолированной нейтралью следует относить сети с компенсированной нейтралью, нейтраль которых соединена с землей через дугогасящий реактор (ДГР). Индуктивность ДГР такова, что при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) ток реактора компенсирует емкостную составляющую тока ОЗЗ.
Электрическая сеть с изолированной нейтралью
Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты, сигнализации с большим сопротивлением
Электрическая сеть с изолированной нейтралью
Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты, сигнализации с большим сопротивлением
1.8. Электрическая сеть с изолированной нейтралью
По ГОСТ 1516.1
Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.
- электрическая сеть с заземленной нейтралью
- электрическая сеть с компенсированной нейтралью
Смотреть что такое «электрическая сеть с изолированной нейтралью» в других словарях:
электрическая сеть с изолированной нейтралью — Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты, сигнализации с большим сопротивлением. [ГОСТ 24291 90] электрическая сеть с… … Справочник технического переводчика
Электрическая сеть с изолированной нейтралью — сеть, нейтраль которой не имеет соединения с землей, за исключением приборов сигнализации, измерения и защиты, имеющих весьма высокое сопротивление, или сеть, нейтраль которой соединена с землей через дугогасящий реактор, индуктивность которого… … Официальная терминология
Электрическая сеть с изолированной нейтралью — – электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты и сигнализации с большим сопротивлением. ГОСТ 24291 90 … Коммерческая электроэнергетика. Словарь-справочник
Электрическая сеть с изолированной нейтралью — English: Isolated neutral system Электрическая сеть, содержащая оборудование, нейтрали которого не присоединены к заземляющим устройствам или присоединены к ним через устройства измерения, защиты и сигнализации с большим сопротивлением (по ГОСТ… … Строительный словарь
электрическая сеть — 6 электрическая сеть Совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии по ГОСТ 19431 601 01 02 de Electrizitätsversorgungsnetz en… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
электрическая — 3.44 электрическая [электронная, программируемая электронная] система; Е/Е/РЕ система (electrical/electronic/programmable electronic system; E/E/PES): Система, предназначенная для управления, защиты или мониторинга, содержащая одно или несколько… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ГОСТ 24291-90: Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения — Терминология ГОСТ 24291 90: Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения оригинал документа: 4 (электрическая) подстанция; ПС Электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
СТО Газпром 2-2.3-141-2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения — Терминология СТО Газпром 2 2.3 141 2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения: 3.1.31 абонент энергоснабжающей организации : Потребитель электрической энергии (тепла), энергоустановки которого присоединены к сетям… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
СТО 56947007-29.240.02.001-2008: Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений — Терминология СТО 56947007 29.240.02.001 2008: Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4 10 кВ от грозовых перенапряжений: 1.3.6 Грозовые перенапряжения перенапряжения, возникающие в результате… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Правила эксплуатации электроустановок потребителей — Терминология Правила эксплуатации электроустановок потребителей: Блокировка электротехнического изделия (устройства) Часть электротехнического изделия (устройства), предназначенная для предотвращения или ограничения выполнения операций одними… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
normative_reference_dictionary.academic.ru
Режимы работы нейтралей в электроустановках
Нейтралями электроустановок называют общие точки обмотки генераторов или трансформаторов, соединенные в звезду.
Вид связи нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, значения перенапряжений и способы их ограничения, токи при однофазных замыканиях на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д.
В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:
- сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;
- сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;
- сети с эффективно-заземленными нейтралями;
- сети с глухозаземленными нейтралями.
В России к первой и второй группам относятся сети напряжением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы.
Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряжение выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Коэффициентом замыкания на землю называют отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю поврежденной фазы к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания. В соответствии с рекомендациями Международного электротехнического комитета (МЭК) к эффективно-заземленным сетям относят сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землей непосредственно или через небольшое активное сопротивление. В Советском Союзе к этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше.
К четвертой группе относятся сети напряжением 220, 380 и 660 В.
Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями). Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (это сети с эффективно-заземленными нейтралями).
Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями
В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий (рис.1). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.
Рис.1. Трехфазная сеть с незаземленной нейтралью
а — нормальный режим;
б — режим замыкания фазы А на землю;
в — устройство для обнаружения замыканий на землю
В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли 
также симметричны и равны между собой (рис.1,а). Емкостный ток фазы
(1)
где С — емкость фазы относительно земли.
Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер и практически не влияет на загрузку генераторов.
В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают в √з раз и становятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис.1,б) поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям . Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в √3 раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта емкость оказывается закороченной.
Для тока в месте повреждения можно записать:
(2)
т.е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток IС оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:
(3)
Согласно (1.3) ток IС зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции линий сети и их протяженности.
Приближенно ток Iс, А, можно определить по следующим формулам:
для воздушных сетей
(4)
для кабельных сетей
(5)
где U — междуфазное напряжение, кВ; l — длина электрически связанной сети данного напряжения, км.
В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз — больше фазного, но меньше линейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.
При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.
Вследствие того что при замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в √з раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Это ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряжением 35 кВ и ниже, где стоимость изоляции электроустановок не является определяющей и некоторое ее увеличение компенсируется повышенной надежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65% всех нарушений изоляции.
В то же время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через землю (рис.2). Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение. Например, в случае, показанном на рис.2, могут отключиться сразу две линии.
Рис.2. Двойные замыкания на землю в сети с незаземленной нейтралью
В связи с изложенным в сетях с незаземленными нейтралями обязательно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.
Так, на рис.1, в показан способ контроля изоляции в сети с незаземленной нейтралью. Устройства контроля подключаются к сети через измерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типа ЗНОМ.
Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис.1,в) соединяются по схемам: одна (I) — звезда, вторая (II) — разомкнутый треугольник. Обмотка I позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка II предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.
Нормально на зажимах обмотки II напряжение равно нулю, поскольку равна нулю геометрическая сумма фазных напряжений всех трех фаз в сети с незаземленной нейтралью. При металлическом замыкании одной фазы в сети первичного напряжения на землю на зажимах обмотки II появляется напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух неповрежденных фаз (рис.1,б) Число витков обмотки II подбирается так, чтобы напряжение на ее выводах при металлическом замыкании фазы первичной сети на землю равнялось 100 В. При замыкании на землю через переходное сопротивление напряжение на обмотке II в зависимости от сопротивления в месте замыкания будет 0-100 В.
Реле напряжения, подключаемое к обмотке II, будет при соответствующей настройке реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, табло).
Персонал электроустановки может проконтролировать напряжение небаланса (вольтметром V2) и установить поврежденную фазу (вольтметром V1). Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.
Отыскание места замыкания на землю после получения сигнала должно начинаться немедленно, и повреждение должно устраняться в кратчайший срок. Допустимая длительность работы с заземленной фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч.
Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и вызвать двух- или трехфазное КЗ (последнее часто наблюдается при однофазных замыканиях на землю одной из жил трехфазного кабеля). Особенно опасны дуги внутри машин и аппаратов, возникающие при однофазных замыканиях на заземленные корпуса или сердечники.
При определенных условиях в месте замыкания на землю может возникать так называемая перемежающаяся дуга, т.е. дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Перемежающаяся дуга сопровождается возникновением перенапряжений на фазах относительно земли, которые могут достигать 3,5 Uф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и образование КЗ в частях установки с ослабленной изоляцией.
Наиболее вероятно возникновение перемежающихся дуг при емкостном токе замыкания на землю более 5-10 А, причем опасность дуговых перенапряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допустимые значения тока нормируются и не должны превышать следующих значений:
В сетях 3-20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается Ic не более 10 А. В блочных схемах генератор-трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5А.
Работа сети с незаземленной (изолированной) нейтралью применяется и при напряжении до 1 кВ. При этом основные свойства сетей с незаземленной нейтралью сохраняются и при этом напряжении. Кроме того, эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений, в нейтрали или фазе каждого трансформатора устанавливается пробивной предохранитель.
Трехфазные сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями
В сетях 3-35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы.
В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной фазы дугогасящий реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током IC также индуктивный ток реактора IL (рис. 3). Так как индуктивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если IC=IL (резонанс), то через место замыкания на землю ток протекать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает и устраняются связанные с нею опасные последствия.
Рис.3. Трехфазная сеть с резонансно-заземленной нейтралью
Суммарная мощность дугогасящих реакторов для сетей определяется из выражения
Q = n IC UФ, (6)
где n — коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять n = 1,25; IC — полный ток замыкания на землю, А; UФ — фазное напряжение сети, кВ.
По рассчитанному значению Q в каталоге подбираются реакторы требуемой номинальной мощности. При этом необходимо учитывать, что регулировочный диапазон реакторов должен быть достаточным для обеспечения возможно более полной компенсации емкостного тока при вероятных изменениях схемы сети (например, при отключении линий и т.п.). При IC ≥ 50 А устанавливают два дугогасящих реактора с суммарной мощностью по (6).
Рис. 4. Устройство дугогасящих реакторов
а — типа РЗДСОМ, б — типа РЗДПОМ
В России применяют дугогасящие реакторы разных типов. Наиболее распространены реакторы типа РЗДСОМ (рис.4,а) мощностью до 1520 кВ А на напряжение до 35 кВ с диапазоном регулирования 1:2. Обмотки этих реакторов располагаются на составном магнитопроводе с чередующимися воздушными зазорами и имеют отпайки для регулирования тока компенсации. Реакторы имеют масляное охлаждение.
Более точно, плавно и автоматически можно производить настройку компенсации в реакторах РЗДПОМ, индуктивность которых изменяется с изменением немагнитного зазора в сердечнике (рис.4,б) или путем подмагничивания стали магнитопровода от источника постоянного тока.
Дугогасящие реакторы должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации сетей генераторного напряжения реакторы располагают обычно вблизи генераторов. Наиболее характерные способы присоединения дугогасящих реакторов показаны на рис.5.
Рис.5. Размещение дугогасящих реакторов в сети
На рис.5,а показаны два дугогасящих реактора, подключенных в нейтрали трансформаторов подстанции, на рис.5.б — реактор, подключенный к нейтрали генератора, работающего в блоке с трансформатором. В схеме на рис.5, в показано подключение дугогасящего реактора к нейтрали одного из двух генераторов, работающих на общие сборные шины. Следует отметить, что при этом цепь подключения реактора должна проходить через окно сердечника трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП), что необходимо для обеспечения правильной работы защиты генератора от замыканий на землю.
При подключении дугогасящих реакторов через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, по мощности соизмеримые с мощностью реакторов, необходимо учитывать их взаимное влияние.
В первую очередь это влияние сказывается в уменьшении действительного тока компенсации по сравнению с номинальным из-за наличия последовательно включенного с реактором сопротивления обмоток трансформатора
(7)
где Iном,р — номинальный ток дугогасящего реактора; Uк% — напряжение КЗ трансформатора; Sном,т — номинальная мощность трансформатора.
Особенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора сказывается при использовании схемы соединения обмоток звезда-звезда, так как при однофазных замыканиях на землю индуктивное сопротивление у них примерно в 10 раз больше, чем при междуфазных КЗ. По этой причине для подключения реакторов предпочтительнее трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда-треугольник. В свою очередь наличие дугогасящего реактора в нейтрали трансформатора обусловливает при однофазных замыканиях на землю дополнительную нагрузку на его обмотки, что приводит к повышенному нагреву. Это особенно важно учитывать при использовании для подключения реактора трансформаторов, имеющих нагрузку на стороне низшего напряжения, например трансформаторов собственных нужд электростанций и подстанций. Допустимая мощность реактора, подключаемого к нагруженному трансформатору, определяется из выражения
(8)
где Sном,т — номинальная мощность трансформатора; Smax — максимальная мощность нагрузки.
Выражение (8) справедливо с учетом того, что значение cosφ нагрузки обычно близко к единице, а активное сопротивление реактора мало.
С учетом перегрузки трансформатора, допустимой на время работы сети с заземленной фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности kпер, допустимая мощность реактора, подключаемого к данному трансформатору, равна
(9)
При подключении реактора к специальному ненагруженному трансформатору необходимо выдержать условие (если перегрузка трансформатора допустима).
В сетях с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью, так же как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится возможность произвести необходимые переключения для отделения поврежденного участка. При этом следует учитывать также допустимое время продолжительной работы реактора 6ч.
Наличие дугогасящих реакторов особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет и линия не отключается. В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящий реактор, при однофазных замыканиях на землю напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли увеличиваются в √3 раз, т.е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейтралями.
Трехфазные сети с эффективно-заземленными нейтралями
В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Здесь применяется эффективное заземление нейтралей, при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах относительно земли равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали.
Рис.6. Трехфазная сеть с эффективно-заземленной нейтралью
Однако рассматриваемый режим нейтрали имеет и ряд недостатков. Так, при замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена ЭДС фазы (рис.6). Возникает режим КЗ, сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное протекание больших токов недопустимо, поэтому КЗ быстро отключаются релейной защитой. Правда, значительная часть однофазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относится к самоустраняющимся, т.е. исчезающим после снятия напряжения. В таких случаях эффективны устройства автоматического повторного включения (АПВ), которые, действуя после работы устройств релейной защиты, восстанавливают питание потребителей за минимальное время.
Второй недостаток — значительное удорожание выполняемого в распределительных устройствах контура заземления, который должен отвести на землю большие токи КЗ и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооружение.
Третий недостаток — значительный ток однофазного КЗ, который при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов, а также в сетях с автотрансформаторами может превышать токи трехфазного КЗ. Для уменьшения токов однофазного КЗ применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в сетях 110-220 кВ). Возможно применение для тех же целей токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали трансформаторов.
Сети с глухозаземленными нейтралями
Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные напряжения (рис.7). В них нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока). Для фиксации фазного напряжения при наличии однофазных нагрузок применяют нулевой проводник, связанный с нейтралью трансформатора (генератора). Этот проводник служит для выполнения также и функции зануления, т.е. к нему преднамеренно присоединяют металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением.
При наличии зануления пробой изоляции на корпус вызовет однофазное КЗ и срабатывание защиты с отключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса (второй двигатель на рис.7) повреждение изоляции вызовет опасный потенциал на корпусе. Целость нулевого проводника нужно контролировать, так как его случайный разрыв может вызвать перекос напряжений по фазам (снижение его на загруженных фазах и повышение на незагруженных). Может быть принято при необходимости раздельное выполнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.
Рис.7. Трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью
www.gigavat.com
Вопросы безопасности, связанные с нейтралями электроустановок
Нейтралью называют общую точку обмоток многофазных генераторов, трансформаторов, а также провод, соединенный с этой точкой. Заземленная нейтральная точка (или провод) называется нулевой. Конструктивное исполнение заземления нейтралей или изолирования их от земли оказывает большое влияние на безопасность эксплуатации электроустановок.
Электроустановки трехфазного переменного тока напряжением до и выше 1 000 В работают как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. В сети с изолированной нейтралью (рис. 1) нейтрали генераторов и трансформаторов изолированы от земли или связаны с заземляющим устройством через аппараты, имеющие большое сопротивление (например, трансформаторы напряжения), либо через реакторы и катушки, компенсирующие емкостный ток сети.
При нарушении изоляции одной фазы в какой-либо точке сети с изолированной нейтралью возникает однофазное замыкание на землю. Напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю, напряжение двух других фаз относительно земли — равным междуфазному напряжению, а зарядные токи этих двух фаз увеличиваются в 3 раза по сравнению с зарядным током одной фазы в нормальном режиме работы.
Рис. 1 Сеть с изолированной нейтралью:
а — нейтраль полностью изолирована; б — в нейтраль включена катушка, компенсирующая емкостный ток сети; в — в нейтраль включена обмотка трансформатора напряжения; 1 — нейтраль; 2 —- компенсирующая катушка; 3 — трансформатор напряжения
Из-за малой величины ток замыкания практически не влияет на систему междуфазных напряжений и режим работы приемников электроэнергии. Поэтому при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью допускается не отключать линию питания в течение 2 ч, необходимых для обнаружения места повреждения и устранения замыкания.
Для исключения перехода однофазного замыкания в междуфазное определяют допускаемый ток /доп, который, протекая в течение 1…2 ч, не вызывает перехода в междуфазное короткое замыкание. Значение /дол находится в пределах от 5 до 30 А. Нижний предел принят для генераторов, верхний — для кабелей напряжением 6 кВ. Для воздушных линий напряжением 35 кВ /доп = = 10 А, для кабелей напряжением 10 кВ — /доп = 20 А.
В России с изолированной нейтралью работают следующие сети: трехфазные сети напряжением 3…35 кВ; трехфазные трехпроводные сети напряжением до 1 000 В; двухпроводные сети постоянного тока напряжением до 1000 В; все сети напряжением до 1000 В, для которых требуются защитные меры, не связанные с защитным заземлением (например, двойная изоляция) по условиям охраны труда.
Рис. 2. Сеть с заземленной нейтралью:
а — глухое заземление нейтрали; б — глухое заземление нейтрали через трансформатор тока; в — трехфазная четырехпроводная сеть с заземленным нулевым проводом; 1 — нейтраль; 2— заземление; 3— трансформатор тока; 4— нулевой провод
В сети с заземленной нейтралью (рис. 2) нейтрали генераторов и трансформаторов присоединены к заземляющим устройствам непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформатор тока). Заземление нейтрали является рабочим, оно обеспечивает работу электроустановки в нормальных и аварийных условиях.
Если ток замыкания на землю превышает допустимый для элементов данной сети, то для снижения основной емкостной составляющей тока в месте повреждения нейтраль соединяют через настроенные индуктивности (дугогасящие катушки), благодаря чему ток в месте замыкания может оказаться равным нулю. Дугогасящие катушки, существенно уменьшая ток замыкания на землю, исключают возможность возникновения устойчивой дуги и уменьшают вероятность перехода замыкания фазы на землю в междуфазное короткое замыкание. Такие сети называют сетями с резонансно-заземленной нейтралью.
В сетях с глухозаземленной нейтралью большие токи однофазного короткого замыкания являются причиной усложнения и удорожания заземляющих устройств, но при этом изоляция фазных проводов может быть рассчитана на фазное напряжение (а не на междуфазное, как в предыдущих двух случаях), что особенно существенно при напряжениях 110 кВ и выше.
Для повышения надежности питания потребителей при частых отключениях из-за замыканий на землю эффективно применять автоматическое повторное включение.
Для ограничения тока короткого замыкания до значений, не превышающих ток трехфазного короткого замыкания, в системах электроснабжения применяют заземление нейтралей не всех работающих трансформаторов, а только их части. Число заземленных нейтралей регулируется диспетчером системы электроснабжения.
Для возможности разземления нейтралей применяют однополюсные заземлители ЗОН, параллельно с которыми устанавливаются разрядники. Разрядник защищает изоляцию нулевых выводов обмоток на случай работы с разземленной нейтралью. Этот разрядник выбирают по классу изоляции на одну ступень ниже линейной изоляции.
В России глухое заземление нейтрали применяют: в сетях напряжением 110 кВ и выше; четырехпроводных сетях на 380/220 В; трехпроводных сетях постоянного тока.
В электроустановках напряжением свыше 1000 В прикосновение к фазе весьма опасно при любом режиме нейтрали. В электрических сетях напряжением 3…35 кВ нейтрали источников питания, как правило, изолированы или связаны с заземляющим устройством через аппараты, имеющие большое индуктивное сопротивление (например, реакторы). Электрические сети напряжением 110 кВ и выше работают с глухим заземлением нейтралей трансформаторов.
Рис. 3. Включение лампы на фазное напряжение в трехфазной четырехпроводной сети:
1 — патрон; 2 — нарезка патрона, подключаемая к нулевому проводу; 3 — выключатель, устанавливаемый только в фазный провод; 4 — пяточка лампы, подключаемая к фазному проводу
Электроустановки напряжением до 1000 В питаются в основном от сетей двух типов: трехпроводных с нейтралью, полностью изолированной от земли или соединенной с ней через сопротивление; четырехпроводных с глухозаземленной нейтралью. В сетях второго типа четвертый провод соединен с заземленной нейтралью и является рабочим проводом, с его помощью потребителей (осветительную нагрузку) включают на фазное напряжение (рис. 3).
leg.co.ua