I. Что такое нейтральная точка?
В трансформаторах и генераторах нейтральная точка — это конкретная точка в обмотке, где абсолютное напряжение между этой точкой и каждым внешним выводом одинаково. На приведенной ниже схеме точка O представляет собой нейтральную точку.
II. Почему нейтральная точка нуждается в заземлении?
Электрический способ соединения нейтральной точки с землей в трехфазной системе переменного тока называется методом заземления нейтрали. Этот метод заземления напрямую влияет на:
- безопасность, надежность и экономичность электросети;
- выбор уровня изоляции оборудования системы;
- уровни перенапряжений;
- схемы релейной защиты;
- электромагнитные помехи на линиях связи.
Обычно метод заземления нейтрали электросети относится к конфигурации заземления нейтральных точек трансформаторов на различных уровнях напряжения в подстанциях.
III. Классификация методов заземления нейтрали
Прежде чем описывать конкретные методы заземления, необходимо уточнить два ключевых понятия: системы с высоким током однофазного замыкания на землю и системы с низким током однофазного замыкания на землю.
- Система с высоким током однофазного замыкания на землю: при возникновении однофазного замыкания на землю ток замыкания на землю очень велик. Примерами таких систем являются системы с номинальным напряжением 110 кВ и выше, а также трехфазные четырехпроводные системы 380/220 В. Также известны как эффективно заземленные системы.
- Система с низким током однофазного замыкания на землю: при однофазном замыкании на землю не образуется полный короткозамкнутый контур, поэтому ток замыкания значительно меньше нормального тока нагрузки. Также известны как неэффективно заземленные системы.
Эффективно заземленные системы включают:
- прямое заземление нейтрали
- заземление нейтрали через резистор
Неэффективно заземленные системы включают:
- незаземленную нейтраль
- заземление нейтрали через дугогасительную катушку (катушку Петерсена)
1. Прямое заземление нейтрали
Характеристики:
- при однофазном замыкании на землю требуется немедленное отключение поврежденного оборудования, что прерывает подачу электроэнергии и снижает надежность.
- большой ток короткого замыкания создает значительные электродинамические и тепловые напряжения, что может привести к расширению повреждений.
- сильные магнитные поля от больших токов замыкания вызывают электромагнитные помехи для близлежащих линий связи и сигнализации.
- при однофазном замыкании напряжение на поврежденной фазе падает до нуля, в то время как напряжение на неповрежденных фазах остается близким к нормальному фазному напряжению. Таким образом, изоляцию оборудования можно проектировать только для фазного напряжения, что снижает затраты, особенно на высоких уровнях напряжения.
Применение:
Используется в системах с напряжением 110 кВ и выше.
2. Заземление нейтрали через резистор
Этот метод подразделяется на:
- заземление через высокоомный резистор
- заземление через среднеомный резистор
- заземление через низкоомный резистор
Преимущества:
- обеспечивает автоматическое устранение неисправностей и упрощает эксплуатацию и обслуживание.
- быстро изолирует замыкания на землю, что приводит к низким перенапряжениям, исключает резонансные перенапряжения и позволяет использовать кабели и оборудование с меньшим уровнем изоляции.
- снижает старение изоляции, увеличивает срок службы оборудования и повышает надежность.
- токи замыкания на землю (сотни ампер и более) обеспечивают высокую чувствительность и селективность релейной защиты — нет необходимости в сложном выборе линии неисправности.
- снижает риск пожара.
- позволяет использовать беззазорные ОПН (оксид цинка) с высокой энергоемкостью и низким остаточным напряжением для защиты от перенапряжений.
- подавляет пятую гармоническую составляющую в перенапряжениях при дуговых замыканиях, предотвращая их переход в межфазные замыкания.
Область применения:
- Заземление через высокоомный резистор: подходит для распределительных сетей с емкостным током заземления <10 А, больших генераторов, где однофазный ток заземления превышает допустимые значения, но остается <10 А. Сопротивление обычно составляет от сотен до тысяч ом.
- Заземление через среднеомный и низкоомный резистор: четкой границы нет, но обычно:
- Среднеомное заземление: ток замыкания на нейтрали между 10 А и 100 А
- Низкоомное заземление: ток замыкания на нейтрали >100 А
Они используются в городских распределительных сетях, где преобладают кабели, вспомогательных системах электростанций, а также на крупных промышленных предприятиях—там, где емкостные токи высоки, а переходные однофазные замыкания на землю редки.
3. Незаземленная нейтраль
Характеристики:
- Сила тока однофазного замыкания на землю <10 А; дуга самогасится, и изоляция может восстановиться автоматически.
- Симметрия системы сохраняется; система может временно работать с неисправностью, чтобы обеспечить время для локализации неисправности.
- Минимальное влияние на связь.
- Простота и экономичность.
- Однако, если емкостной ток >10 А, возможны высокие междуговые перенапряжения. Эти перенапряжения продолжительны, затрагивают всю сеть и представляют серьезную угрозу оборудованию с слабой изоляцией, особенно вращающимся машинам. Такие перенапряжения многократно вызывали многоочаговые замыкания на землю, выгорание оборудования и крупные отключения.
Резонансные перенапряжения часто приводят к перегоранию предохранителей в напряженных трансформаторах (НТ), выгоранию НТ или даже повреждению основного оборудования.
Применение:
Подходит для сетей распределения с преобладанием воздушных линий, где емкостной ток заземления <10 А, и 60-70% однофазных замыканий являются временными, и немедленное отключение нежелательно.
4. Заземленная нейтраль через катушку подавления дуги (катушка Петерсена)
Характеристики:
- Индуктивный ток от катушки подавления дуги компенсирует емкостный ток заземления системы, снижая ток неисправности до <10 А, что позволяет дуге самогаситься.
- Изоляция в точке неисправности может восстановиться автоматически.
- Уменьшает вероятность междуговых перенапряжений.
- Сохраняет симметрию системы при однофазных неисправностях, позволяя временно продолжать работу для локализации неисправности.
- Однако, это только уменьшает вероятность, но не исключает, междуговые перенапряжения, и не уменьшает их величину. Множитель перенапряжения остается высоким, создавая значительное напряжение изоляции, особенно опасное для компактных коммутационных устройств и кабельных систем, которые могут подвергнуться пробою изоляции или межфазным коротким замыканиям, что приводит к катастрофическим отказам оборудования.
Применение:
Используется в сетях с преобладанием воздушных линий, где емкостной ток заземления >10 А и часты временные однофазные замыкания.
IV. Применение на ветровых фермах
- На стороне высокого напряжения 110 кВ или 220 кВ ветровых ферм обычно используется заземление нейтрали через разъединитель (изолятор).
- На стороне сборной системы 35 кВ обычно применяется заземление через катушку подавления дуги или резистор.
- Если сборная система использует полностью кабельные линии, емкостный ток относительно велик; поэтому рекомендуется заземление через резистор.