Изолированная нейтраль

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

 

3. Режимы работы нейтралей электрических сетей

Нейтралями электроустановокназывают общие точки обмоток генераторов или трансформаторов, соединенных в звезду.

Вид связи нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, величину перенапряжений и способы их ограничения, токи при однофазных коротких замыканиях на землю, условия работы релейной защиты, безопасность в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д. .

В зависимости от режима работы нейтрали электрические сети делятся на 4 группы:

1) сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;

2) сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;

3) сети с эффективно-заземленными нейтралями;

4) сети с глухозаземленными нейтралями.

Режим нейтрали определяет ток однофазного короткого замыкания, и в зависимости от его величины сети делятся на сети с малыми токами замыкания на землю (менее 500 А),в основном это сети 1-й и 2-й групп, и сети с большими токами замыкания на землю (более 500А).

3.1. Работа сети с изолированной нейтралью

На рис. 3.1 представлена трехлинейная схема замещения трехфазной сети с изолированной от земли нейтралью. Все источники питания сети заменены одним эквивалентным, соединенным в звезду источником, все линии одной эквивалентной линией, все приемникиодним эквивалентным приемником. С достаточно высокой достоверностью можно считать, что все фазы схемы замещения имеют одинаковые параметры (схема симметрична). Из параметров эквивалентной линии при анализе режима нейтрали имеют значение только зарядные токи и емкостные проводимости относительно земли, которые и изображены на рис. 3.1.

Расчетная емкостная проводимость одной фазы сети равна

,

где В емкостная проводимость сети,См; b0i, удельная емкостная проводимость линииi(на единицу длины).См/км; li эквивалентная длина линииiс учетом параллельных ветвей,км.

В

ис. 3.1. Схема замещения сети с изолированной нейтралью:

а) нормальный режим работы; б) режим однофазного замыкания на землю в фазе с,

1 — эквивалентный источник питания сети; 2 — эквивалентная линия.

3 — эквивалентный приемник, подключенный к сети

сетях 6 — 35кВудельная емкостная проводимостьb0у кабельных линий при сечениях жил 10-300мм2находится в пределах (60-180)•10–6См/кми определяется конструкцией кабеля . У воздушных линий со сталеалюминиевыми проводами сечением 25150 мм2и среднегеометрическим расстоянием между проводами 13мудельная емкостная проводимость находится в пределах(2,73,6)•10–6 См/км.

При отсутствии данных о длине и емкостной проводимости каждой линии сети для расчета зарядного тока обычно пользуются усредненными коэффициентами емкостной проводимости:

где Iззарядный ток, А;Uномноминальное фазное напряжение сети,кВ;bксредний коэффициент емкостной проводимости кабельных линий,См/км; lк суммарная эквивалентная длина кабельных линий сети,км; bв средний коэффициент емкостной проводимости воздушных линий,См/км; lвсуммарная эквивалентная длина воздушных линий,км.

При напряжениях до 10 кВэта формула имеет вид

В

Рис. 3.2. Векторные диаграммы напряжения относительно земли и зарядных токов сети с изолированной нейтралью

действующих сетях наиболее достоверные данные о зарядном токе получают путем измерений.

Векторная диаграмма напряжений относительно земли и зарядных токов сети приведена на рис. 3.2, а.По сравнению с током нагрузки зарядный ток очень мал и в нормальных режимах работы заметного влияния на работу сети не оказывает.

При нарушении изоляции одной фазы возникает однофазное замыкание на землю (см. рис. 3.1, б). Напряжение этой фазы (фазас) относительно земли становится равным нулю, напряжение остальных фаз относительно землимеждуфазному напряжению, а зарядные токи этих двух фаз увеличиваются враз (рис. 3.2,б).

В сети с изолированной нейтралью коэффициентом замыкания на землю называют отношение , в которомнапряжение неповрежденной фазы при коротком замыкании в другой фазе (других фазах);Uнпнапряжение той же фазы в нормальном режиме). Для рассматриваемого случаяkз.з=.

Сумма зарядных токов фаз и тока замыкания на землю Iз.здолжна равняться нулю. Учитывая сдвиг фазы между зарядными токами двух неповрежденных фаз, можно заключить, что. ЗдесьIззарядный ток одной фазы в нормальном режиме работы;то же в неповрежденной фазе при замыкании на землю в другой фазе). ТокIз.з по сравнению с нагрузочным током сети или ее отдельных линий относительно мал и может вызывать заметную перегрузку линий только при очень малых сечениях проводников поврежденной линии.

Замыкание на землю практически не влияет на систему междуфазных напряжений и режимы работы приемников, включенных на линейное напряжение, так как поверхность земли в точке заземления (повреждения) приобретает потенциал фазы (на рис. 3.2 фазыс), а напряжение здоровых фазаиbотносительно земли (и фазыс) становится линейным (междуфазным).

В связи с этим замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью считается не аварийным, а лишь анормальным режимом, при возникновении которого сеть и поврежденная линия могут оставаться включенными и в течение некоторого времени продолжать работу; при этом питание потребителей не прерывается. Время, за которое требуется отыскать и отключить возникающее в сети замыкание на землю, обычно принимают равным 2 ч.Поскольку из всех видов нарушения изоляции однофазные замыкания на землю составляют около 7585%, то это обстоятельство существенно для обеспечения надежности питания потребителей. Другим преимуществом рассматриваемого вида сетей является отсутствие устройств заземления нейтрали, что снижает стоимость сети.

При работе в сетях с изолированной нейтралью следует обращать внимание на следующие обстоятельства:

1) повышение напряжения двух фаз относительно земли во время замыкания на землю третьей приводит к тому, что изоляцию всех фаз относительно земли необходимо рассчитывать не на фазное, а на междуфазное напряжение. Только при напряжениях до 35 кВэто не вызывает существенного удорожания сети;

2) возможность образования в месте замыкания на землю перемежающейся электрической дуги обусловливает возникновение коммутационных перенапряжении с амплитудой 46Uном. Эти перенапряжения могут нарушить работу некоторых приемников и привести к пробою изоляции в других местах и других фазах сети;

3) тепловое действие дуги на изоляцию фаз сети в месте замыкания на землю может привести к переходу однофазного замыкания на землю в двух или трехфазное (в кабельных линиях и в других случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу);

4) возникновение в сети и в источниках питания при замыкании на землю системы токов обратной последовательности может привести к индуцированию в роторах синхронных генераторов токов двойной частоты и к существенному дополнительному нагреву роторов.

Из-за приведенных выше нежелательных явлений работа сети с изолированной нейтралью допускается, если токи замыкания на землю не превышают некоторых максимально допустимых значений, находящихся обычно в пределах 1030А(табл. 3.1). Величины максимально допустимых токов замыкания на землю зависят от типа используемых опор.

Таблица 3.1.

Допустимый ток замыкания на землю в сетях высокого напряжения с изолированной нейтралью напряжением до 35 кВ

Тип опор	Напряжение сети, кВ	Максимально допустимый ток замыкания на землю, А
Деревянные	З и 6 1520
Железобетонные, стальные	335

В России с изолированной нейтралью работают следующие сети:

1) трехфазные сети 6-35 кВ,в которых токи замыкания на землю не превышают допустимых значений;

2) трехфазные трехпроводные сети до 1 кВ (например, сети 220 и 660 В);

3) двухпроводные сети постоянного тока;

4) все сети низких напряжений, в которых для обеспечения безопасности людей предусматривают защитные мероприятия, не связанные с применением заземлений (защитная изоляция, разделяющие трансформаторы и др.).

Суть проблемы

Но поскольку существует ограничение по мощности конечных трансформаторных подстанций, при упомянутых выше нагрузках величины фазных напряжений изменяются соответственно нагрузкам. У более нагруженной фазы напряжение уменьшается например до 195 – 205 В, а менее нагруженной увеличивается до 245 В и более. Последствием таких нагрузок является ток в нейтрали, который по своей величине может быть близким к току нагруженной фазы.

Как следствие этого – увеличение потерь. Они есть в кабельных и воздушных линиях электропередачи, трансформаторных подстанциях, и даже в высоковольтных ЛЭП питающих эти подстанции. Особенно характерно такое «смещение нейтрали» – термин, характеризующий фазные напряжения при несимметричных нагрузках в трёхфазной сети, для жилого сектора потребителей электроэнергии. При этом повышение напряжения является небезопасным для некоторых бытовых электроприборов.

Используемые в инфраструктуре жилого фонда трёхфазные асинхронные двигатели уже при двухпроцентной асимметрии испытывают дополнительный нагрев обмоток, что заметно сокращает срок службы изоляции. Причём дальнейшее увеличение асимметрии в разы, то есть всего лишь до 4 – 6% вызывает рост общих потерь почти в два раза. То же относится и к лампам накаливания и люминесцентным лампам. При повышении напряжения всего лишь на пять процентов спирали в них почти в два раза быстрее перегорают.

Что делать при перекосе фаз?

Чтобы уменьшить смещение нейтрали перед подстанциями рекомендуется устанавливать специальные симметрирующие автотрансформаторы. Схемы включения таких трансформаторов приведены ниже на изображениях.

Приведенные выше схемы применимы также с глухо заземлённой нейтралью нагрузки при отсутствии технической возможности встраивания компенсационной автотрансформаторной обмотки в нулевой провод, соединяя через эту обмотку нагрузку с сетью.

Поскольку увеличение нагрузки например в фазе А вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включённой обмотке автотрансформатора тоже увеличится и произойдёт компенсация падения напряжения пропорциональная силе тока нагрузки. Установка автотрансформаторов вблизи распределительной подстанции обеспечивает наилучший эффект. Когда с этой подстанции электроэнергия по разделённым фазам подаётся потребителям, становится возможным симметрирование напряжения.

Это уменьшает потери и позволяет отфильтровать гармонические составляющие тока, возникающие от работы полупроводниковых ключей электронных балластов газоразрядных ламп, мощных инверторов, сварочных аппаратов. Работа этих устройств вносит искажения в синусоидальную форму напряжения питающей электросети. Следствием подобных искажений являются тепловые потери во всех работающих электрических машинах, подключенных к этой электросети.

Компенсация смещения нейтрали с использованием специального автотрансформатора весьма недешёвый способ борьбы с потерями электроэнергии при смещении нейтрали при несимметричной фазной нагрузке. Однако положительный эффект от этого способа получается непрерывно и быстро окупает все расходы.