Схема с глухозаземленной нейтралью. Виды нейтралей в электрических сетях

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов. Сети напряжением 35 кВ и ни­же работают с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящие реакторы.
Каждый вид заземления имеет свои преимущества и недостатки.
В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора. Остаточный в результате компенсации малый ток не способен под­держивать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически. Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов. При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.
В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.
С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.
Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.
Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ. Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.
Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ - действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. До­статочно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действую­щим напряжением гашения 50 кВ.
Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах ком­мутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Рис. 1.19..

Неполнофазное включение ненагруженных трансформаторов. На рис. 1.20 показан трехфазный трансформатор с изолированной нейтралью. Из векторной диаграммы видно, что при симметричном напряжении сети и параметрах схемы токи намагничивания и магнитные потоки в сердечнике также симметричны, т. е. , , а напряжение на нейтрали равно нулю.
При пофазной коммутации трансформатора его электрическое и магнитное состояние изменяется. Включение трансформатора со стороны обмотки, соединенной в звезду, двумя фазами (рис. 1. 20, б) приводит к исчезновению потока Ф с и появлению на нейтрали и на отключенной фазе напряжения, равного половине фазного:


Напряжение на разомкнутых контактах коммутационного аппарата

При подаче напряжения по одной фазе все обмотки трансформатора и его нейтраль будут находиться под напряжением включенной фазы. Между разомкнутыми контактами аппарата напряжение D U = U л .
В эксплуатации задержка в устранении неполнофазных режимов ненагруженных трансформаторов неоднократно приводила к авариям. Лучшей мерой защиты пониженной изоляции трансформаторов от опасных напряжений является глухое заземление их нейтралей. Поэтому необходимо перед включением или отключением от сети (разъединителями, отделителями или воздушными выключателями) трансформаторов 110-220 кВ, у которых нейтраль защищена вентильными разрядниками, глухо заземлять нейтраль включаемой под напряжение или отключаемой обмотки, если к тем же шинам или к питающей линии не подключен другой трансформатор с заземленной нейтралью.
Испытаниями установлено, что глухое заземление нейтрали трансформатора облегчает процессы отключения и включения намагничивающих токов. Дуга при отключении трансформатора горит менее интенсивно и быстро гаснет.
Отключение заземляющего разъединителя в нейтрали трансформатора, работающего нормально с разземленной нейтралью, защищенной разрядником, следует производить сразу же после включения под напряжение и проверки полнофазности включения коммутационного аппарата. Нельзя длительно оставлять заземленной нейтраль, если это не предусмотрено режимом работы сети. Заземлением нейтрали вносится изменение в распределение токов нулевой последовательности и нарушается селективность действия защит от однофазных замыканий на землю.
Схемы питания от одиночных и двойных проходящих линий 110-220 кВ подстанций, выполненных по упрощенным схемам, в настоящее время получили широкое распространение. Число присоединяемых к линии трансформаторов не регламентируется и доходит до четырех-пяти. Если к линии присоединены два трансформатора и более (рис. 1.21), то целесообразно постоянно (или на время производства операций) хотя бы у одного из них иметь глухое заземление нейтрали (трансформаторы Т2 и ТЗ на рис. 1.21). Это позволит избежать появления опасных напряжений на изолированных нейтралях других трансформаторов в случае неполнофазной подачи напряжения на линию вместе с подключенными к ней трансформаторами.
Так, при однофазном включении (фаза В) питающей линии под напряжение (рис. 1.22, а) в сердечниках отключенных фаз трансформатора с глухозаземленной нейтралью T 1 замкнется магнитный поток Ф B неотключенной фазы. Он наведет в обмотках фаз А и С примерно равные ЭДС взаимоиндукции Е A и е с. Трансформатор T 1 будет находиться в уравновешенном однофазном режиме.
При однофазной симметричной системе напряжений на линейных выводах трансформатора (сумма этих напряжений равна нулю) напряжение на незаземленной нейтрали Т2 относительно земли также равно нулю:

где
При двухфазном включении (фаз А и В) питающей линии (рис. 1.22, б) по сердечнику отключенной фазы замыкается суммарный магнитный поток Ф A +Ф B =-Ф C , который наведет в обмотке отключенной фазы ЭДС взаимоиндукции E C , равную по значению и направлению напряжению фазы U c , если бы она была включена. Таким образом, на линейных вводах всех подключенных к линии трансформаторов образуется симметричная трехфазная система напряжений, при которой напряжение на изолированной нейтрали трансформатора Т2 равно нулю:

где

Рис. 1.20. Полнофазный (а) и двухфазный (б) режимы включения ненагруженного трансформатора с изолированной нейтралью

Рис. 1.21.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью трансформаторы подвержены опасным перенапряжениям в аварийных режимах, когда, например, при обрыве и соединении провода с землей выделяется по тем или иным причинам участок сети, не имеющий заземленной нейтрали со стороны источника питания. На таком участке напряжение на нейтралях трансформаторов становится равным по значению и обратным по знаку ЭДС заземленной фазы, а напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного. Возникающие при этом в результате колебательного перезаряда емкостей фаз на землю перенапряжения представляют собой серьезную опасность для изоляции трансформаторов и другого оборудования участка.
В сетях с эффективно заземленной нейтралью на случай перехода части сети в режим работы с изолированной нейтралью от замыканий на землю предусматривают защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности 3 U о , которое появляется на зажимах разомкнутого треугольника трансформатора напряжения при соединении фазы с землей. Защиты действуют на отключение выключателей трансформаторов с незаземленной нейтралью. Защиты от замыканий на землю в сети настраивают таким образом, чтобы при однофазном повреждении первыми отключались питающие сеть трансформаторы с изолированной нейтралью, а затем трансформаторы с заземленной нейтралью. На тех подстанциях 110 кВ, где силовые трансформаторы не могут получать подпитку со стороны СН и НН, такие защиты от замыканий на землю не устанавливаются, не производится также и глухое заземление нейтралей.
Рекомендации оперативному персоналу. На основании изложенного оперативному персоналу могут быть даны следующие рекомендации.
При выводе в ремонт силовых трансформаторов, а также изменениях схем подстанций необходимо следить за сохранением режима заземления нейтралей, принятого в энергосистеме, и не допускать при переключениях в сетях с эффективно заземленной нейтралью выделения участков без заземления нейтралей у питающих сеть трансформаторов.
Во избежание же автоматического выделения таких участков на каждой системе шин подстанции, где возможно питание от сети другого напряжения, желательно иметь трансформатор с заземленной нейтралью с включенной на нем токовой защитой нулевой последовательности. В случае вывода в ремонт трансформатора, нейтраль которого заземлена, необходимо предварительно заземлить нейтраль другого параллельно работающего с ним трансформатора.
Без изменения положения нейтралей других трансформаторов производится отключение трансформаторов с изолированной нейтралью (трансформаторы старых выпусков с равнопрочной изоляцией выводов) или нейтралью, защищенной вентильным разрядником.

Сеть с эффективным заземлением нейтрали - сеть, в которой заземлена большая часть нейтралей обмоток силовых трансформаторов. При однофазном замыкании в такой сети напряжение на неповрежденных фазах не должно превышать 1,4 фазного напряжения нормального режима работы сета. В СССР сети напряжением 110 кВ и выше, работающие, как правило, с глухозаземленной нейтралью, относят к сетям с эффективно заземленной нейтралью

Неполнофазным отключением (включением) называется коммутация, при которой выключатели, разъединители или отделители в цепи оказываются включенными не тремя, а двумя или даже одной фазой

Другим способом, предупреждающим возникновение дуги и свя­занных с ней перенапряжений при однофазном замыкании на землю, является глухое заземление нейтрали. Глухозаземленная нейтраль - это нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству.

Однофазное замыкание на землю (например, фазы А) в системах с глухозаземленной нейтралью (рис. 1.5) представляет собой короткое замыкание, так как поврежденная фаза оказывается короткозамкнутой через землю и нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями источников питания и поэтому является током КЗ. При этом ток замыкания практически не: зависит от величины сопротивления изоляции и емкости системы от­носительно земли, так как Y 0 » Y A ; Y 0 » Y B ; Y 0 » Y c ; Y 0 = l/r 3 , пoэтому ток. однофазного замыкания на землю, например фазы А, опре­деляется выражением

т.е. при глухом заземлении нейтрали (r 3 -> 0; Y 0 -> ∞) величина I 3 A может иметь очень большое значение (тысячи ампер). Напряжения не­поврежденных фаз относительно земли определяются геометрической суммой нормальных напряжений U " B и U " C и небольших дополнитель­ных составляющих, обусловленных сопротивлениями обмоток транс­форматоров и подводящих проводов; но величины U " B и U " C менее 0,8U Л .

При однофазном замыкании на землю в системе с глухозаземлен- ной нейтралью ток однофазного КЗ подавляет емкостный ток и приво­дит в действие релейную защиту, отключающую поврежденный уча­сток системы.

I 3A U’ C U’ B

Рис. 1.5. Система напряжением выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью:

а-расчетная схема замещения в аварийном режиме; б- векторная диаграмма напряжений.

Уменьшение токов однофазного КЗ в системе с глухозаземленной нейтралью достигается за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы либо введением в нейтраль токоограничи- вающего сопротивления (активного R или индуктивного соL ). Раззем-ление нейтрали у части трансформаторов системы преследуетцелуменьшить ток однофазного КЗ до величины тока трехфазного КЗ, оп­ределяющего необходимую отключающую способность выключате­лей. Однако в некоторых случаях уменьшение числа глухбзаземлек- ных нейтралей не достигает цели, а эксплуатация системы усложняется. Тогда приходится прибегать к заземлению нейтрали трансформаторов системы через сопротивление того или иного рода. Но при этом полностью освободиться от перенапряжений или повы­шения напряжения «здоровых» фаз относительно земли в аварийных режимах не удается.

При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление х р (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкост­ного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин., ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замы­кания на землю. Напряжения неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8...1,0)U л (уровень изоляции – как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повы­шают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.

При заземлении нейтрали через активное сопротивление R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю (но меньше, чем при заземлении нейтрали через х р ), а напряжения не­поврежденных фаз относительно земли могут быть выше, чем в систе­ме с изолированной нейтралью (1,73...1,9)£/ф. При правильно выбран­ной величине R устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземленной нейтрали. С точки зрения коммутационных перенапряжений системы с нейтралью, зазем­ленной через R, аналогичны системам с глухозаземленной нейтралью (самые низкие). Заземление нейтрали через R является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процес­сах замыкания на землю, так как R шунтирует емкости сети, обуслов­ливая апериодический процесс разряда (лучшие результаты в этом отношении имеют место при величине R , равной X C =1 / j ЗωС или близкой к ней. Надежность заземления нейтрали через R выше, чем через х р. Токоограничивающие активное и реактивное сопротивления, заземляющие нейтраль, обычно выбирают такой величины, при кото­рой ток замыкания на землюпревышает возможный максимальный тог нагрузки.

Системы с нейтралью, заземленной через R , по сравнению с систе­мой, нейтраль которой заземлена через х р , имеют следующие недос­татки: для достижения одной и той же степени ограничения тока замы­кания на землю требуется большая величина сопротивления (R ), так как сопротивление реактора (x р) складывается арифметически с ин­дуктивным сопротивлением системы, а следовательно, и напряжения в системе, и потери мощности при коротких замыканиях больше; конст­руктивно выполнение R сложнее, особенно в системах высоких напря­жений и больших мощностей, и стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняется охлаждения).

Таким образом, введение в нейтраль реактора для ограничения тока однофазного КЗ является более экономически целесообразным меро­приятием, получившим соответствующее распространение. Область применения способа заземления нейтрали через активное сопротивле­ние ограничена в основном генераторами и сетями генераторного на­пряжения.

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали за­ключаются в следующем: стабилизируется потенциал нейтрали и уст­раняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и свя­занных с ними последствий; облегчается работа изоляции при замыканиях на землю и переходных процессах, что дает возможность либо снизить уровень изоляции (а следовательно, экономии в затра­тах), либо повысить надежность работы установок в результате боль­шего запаса прочности в изоляции при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали; обеспечивается выполнение четкой, надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты; облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет ряд недос­татков: любое однофазное замыкание на землю является КЗ и релейная защита немедленно отключает поврежденный участок, т.е. нарушается бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бес­токовых пауз применять быстродействующие устройства АПВ и вы­полнять системы с резервированием для наиболее ответственных потребителей, это приводит к повышению затрат, дополнительным капи­таловложениям и ущербу от недоотпуска продукции; наблюдается значительное электромагнитное влияние на линии связи, что ведет к увеличению затрат на защиту последних; удорожается релейная защи­та в связи с устройством ее в трехфазном исполнении; токи КЗ могут достигать очень больших значений (превышать токи трехфазных КЗ) при замыканиях на землю, что является причиной динамических раз­рушающих усилий, распространяющихся на значительную часть сис­темы (повреждения железа статора при пробое изоляции на корпус, разрывы оболочек кабелей, разрушение гирлянд изоляторов на ЛЭП и т.п.); при больших токах КЗ уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работаю­щие станции - выйти из синхронизма); существует опасность пораже­ния людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из- за токов КЗ при однофазном замыкании на землю; значительно увели­чиваются затраты на заземляющие устройства.

Глухое заземление нейтралей электроустановок не только преду­преждает возникновение в них дуговых перенапряжений, но и приво­дит к облегчению изоляции по отношению к земле, что дает возмож­ность снизить затраты, причем экономия увеличивается с ростом напряжения сети. В связи с этим глухозаземленная нейтраль нашла широкое применение в системах напряжением 110 кВ и выше. При не­обходимости ограничения тока однофазного КЗ производят разземле- ние нейтрали части трансформаторов.

Сети с глухозаземленной нейтралью применяют также в системах напряжением до 1000 В. Ее целесообразно применять в трехфазных системах питания напряжением 220 и 380 В при значительно разветв­ленной сети.

Нейтраль считают глухозаземленной , если она присоединена к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, например, через трансформатор тока. Сети с глухим заземлением нейтрали используют для электроснабжения трехфазных приемников с линейным напряжением 380 В и однофазных приемников напряжением 220 В в жилых, общественных, промышленных зданиях и наружных установках.

Нейтраль считают изолированной , если она не имеет соединения с землей или соединена с нею через значительное сопротивление. Сеть с изолированной нейтралью в электроснабжении городов обычно не используется. Такой режим нейтрали используют в сетях с повышенной опасностью (например, взрывоопасные производства, угольные шахты и др.), если при замыкании на землю в одной точке отключение питания недопустимо. Последнее также может иметь место при питании особо ответственных приемников в автономных электроэнергетических системах.

В связи с широким распространением в России зарубежного электрооборудования, электроприборов и устройств, в действующих ПУЭ приняты обозначения режима нейтрали и заземлений по стандартам Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии с этим различают следующие системы указанных режимов:

Система TN, которая подразделяется на подсистемы TN-C, TN-S, TN-C-S;

Система ТТ;

Система IT.

Первая буква Т означает, что нейтраль источника питания заземлена; I — нейтраль источника питания изолирована (не соединена с землей или соединена с нею через значительное сопротивление). Вторая буква N означает, что проводящие электрический ток части приемника, в нормальных условиях не находящиеся под напряжением (открытые проводящие части), например, корпус электродвигателя, соединены с нейтралью источника питания, т. е. присоединены к нулевому проводнику. Такое соединение часто называют занулением, т. е. N означает наличие зануления. Вторая буква Т означает, что открытые токоведущие части приемников заземлены, но не соединены с нулевым проводом, т. е. вторая буква Т означает соединение корпуса приемника с землей. Систему ТТ можно охарактеризовать как систему с заземленной нейтралью и заземлением приемников без их зануления. В ранних редакциях ПУЭ система ТТ была запрещена к использованию. В настоящее время эту систему используют, если нельзя обеспечить условия безопасности в системе TN (напряжение на корпусе приемника при пробое изоляции фазы на корпус превышает допустимое значение или нельзя обеспечить отключение поврежденного приемника за требуемое время).

В общем случае нулевой проводник может выполнять две функции:

Нулевой рабочий (N) проводник — для подачи на однофазные приемники фазного напряжения (220 В). Такими приемниками, например, являются лампы электрического освещения.

Нулевой защитный (РЕ) проводник — для обеспечения электрической и пожарной безопасности.

Если нулевой проводник выполняет обе указанные функции, то его называют совмещенным защитным и рабочим нулевым проводником и обозначают как PEN. Подсистему с отдельными рабочим и защитным нулевыми проводниками обозначают как TN-S (рис. 1), а с совмещенным PEN проводником — TN-C (рис. 2). В Российской Федерации широкое распространение получила подсистема TN-C-S, в которой питающая линия имеет совмещенный PEN проводник, а приемники присоединены с помощью отдельных N и РЕ проводников (рис. 3). В этой подсистеме проводник PEN на вводе приемника разделяют на два отдельных (N и РЕ) проводника для питания одного приемника или группы приемников.

Рис. 1. Система TN-S

Рис. 2. Система TN-C

Рис. 3. Система TN-C-S

На рис. 4 показана упрощенная электрическая схема электрической сети напряжением 380/220 В, использующей подсистему TN-C-S. Питание сети производится с помощью трехфазного силового трансформатора Т, имеющего схему соединения звезда-звезда. Нейтраль обмотки низкого напряжения соединена с основным заземлителем (0З) и совмещенным нулевым защитным и рабочим проводом PEN. Линия (воздушная или кабельная) подключена к трансформатору Т через автомат QA1. Вместо автомата могут использоваться предохранители и рубильники. Нулевой провод PEN необходим, во-первых, для того, чтобы можно было подключать к сети однофазные приемники (например, лампы освещения L) напряжением 220 В. В этом случае он используется как N-проводник. При исправном нулевом проводе напряжение между каждым из линейных проводов L1, L2, L3 и нулевым проводом PEN равно 220 В. Напряжения между линейными проводами L1-L2, L2-L3, L3-L1 равны 380 В. Трехфазные приемники (например, электродвигатель М) подключены к линейным проводам через коммутационные аппараты: автомат QA2 и магнитный пускатель КМ. Однофазные приемники часто подключают через предохранитель F и рубильники S.

Рис. 4. Пример электрической сети с режимом TN-C-S

Второе назначение нулевого провода заключается в обеспечении электрической и пожарной безопасности при эксплуатации сети. С этой целью корпуса электроприемников соединяют зануляющими проводниками с защитным РЕ или совмещенным PEN нулевым проводом и могут быть заземлены через повторные заземлители ПЗ (последнее по действующим ПУЭ не обязательно). При пробое изоляции на корпус возникает однофазное короткое замыкание (КЗ). Ток однофазного КЗ вызывает отключение автомата, например, QA2, и электрическая дуга в месте повреждения не успевает привести повреждение к пожару. Из-за быстрого отключения поврежденного приемника мала вероятность попадания людей под напряжение и существенно уменьшаются последствия для пострадавшего, прикоснувшегося к корпусу поврежденного приемника. Очевидно, что правильный выбор аппаратов защиты — автоматов и предохранителей — является одним из важнейших условий обеспечения электрической и пожарной безопасности. По этой причине в эксплуатации контролируют сопротивление петли «фаза-нуль» электроприемников.

Время автоматического отключения питания при замыкании фазы на корпус приемника в системе TN не должно превышать значений, приведенных в табл. 1.

Таблица 1 Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

ПУЭ рекомендуют выполнять повторное заземление РЕ и PEN проводников, причем внутри больших и многоэтажных зданий. С этой целью нулевой защитный проводник присоединяют к главной заземляющей шине (ГЗШ) основной системы уравнивания потенциалов. Повторные заземления имеют 2 функции. Первая заключается в уменьшении напряжения на заземленных частях оборудования. Вторая функция состоит в увеличении тока однофазного короткого замыкания при пробое изоляции фазы на корпус. Благодаря этому улучшаются условия срабатывания аппаратов защиты (автоматов, предохранителей). Внутри больших и многоэтажных зданий роль повторного заземления играет уравнивание потенциалов путем присоединения РЕ проводника к главной заземляющей шине.

Оценивая сеть с системой TN в целом, следует подчеркнуть два ее достоинства:

Возможность подключения не только трехфазных, но и однофазных приемников;

Быстрое отключение повреждений, связанных с землей.

Недостатки сети:

Замыкание одной фазы на землю является коротким замыканием. При этом возникают большие токи (до нескольких килоампер). В случае отказа аппаратов защиты это может привести к механическим разрушениям аппаратов и токоведущих частей, к термическим повреждениям и пожарам в электроустановках;

Повышенная электроопасность по сравнению с системами IT и ТТ. При прикосновении человека к линейному проводу ток, проходящий через человека, заведомо превышает опасное для жизни значение;

Повышенная пожароопасность, поскольку при повреждении изоляции линейного проводника могут возникать значительные токи утечки;

Необходимость быстрого отключения места однофазного замыкания на корпус, т. к. это замыкание является КЗ и сопровождается появлением большого тока;

При обрыве нулевого провода напряжение на однофазных приемниках может достигать 380 В и приводить их к повреждению.

Чтобы уменьшить опасность действия токов КЗ, связанных с замыканием на землю, в сетях с глухим заземлением нейтрали устанавливают специальные защиты от однофазных КЗ. Эти защиты должны быть быстродействующими.

Для устранения второго и третьего недостатков (см. перечень) применяют устройства защитного отключения (УЗО). Указанные устройства можно разделить на следующие классы:

По принципу действия: дифференциального типа и реагирующие на потенциал корпуса относительно земли;

По использованию энергии тока утечки для отключения УЗО: электромеханические (использующие указанную энергию) и электронные, в которых для отключения УЗО используется энергия от специального блока питания.

В системах электроснабжения городов применение дифференциальных УЗО более удобно, чем реагирующих на потенциал корпуса относительно земли. Электромеханические УЗО дифференциального типа (например, АстроУЗО) более надежны, чем электронные, но их стоимость существенно выше. По этой причине в настоящее время различными производителями выпускаются, в основном, электронные УЗО дифференциального типа. На рис. 5 приведена упрощенная электрическая схема, поясняющая принцип действия однофазного УЗО дифференциального типа.

Рис. 5. Упрощенная электрическая схема, поясняющая принцип действия однофазного УЗО дифференциального типа

Питание однофазного приемника Z H на напряжении 220 В подается с помощью линейного L и рабочего нулевого N проводников. В состав УЗО входят 2 автомата, QA1 и QA2. Первый из них обеспечивает защиту электроустановки от короткого замыкания (электромагнитный расцепитель) и от перегрузки (тепловой расцепитель). Второй автомат имеет катушку отключения YAT (независимый расцепитель), к которой подключена вторичная обмотка трансформатора тока ТА. Первичными обмотками ТА являются линейный L и рабочий нулевой N проводники. Общий нулевой провод PEN перед УЗО разделен на рабочий нулевой N и защитный РЕ проводники.

Ток нагрузки I Н проходит по проводам L и N и сумма магнитных потоков, созданных в магнитопроводе ТА токами в проводниках L и N, равна нулю. При появлении тока утечки I УТ по линейному проводу проходит сумма токов I Н и I УТ, а по рабочему нулевому проводу N — только I Н. Магнитные потоки, созданные первичными обмотками У30, не компенсируются, и по вторичной цепи ТА проходит ток, пропорциональный I УТ. Последний вызывает отключение автомата QA2, а по причине механической связи между автоматами — и QA1.

Некоторые производители совмещают УЗО дифференциального типа с защитой от отклонений фазных напряжений. Однако такое комплектное устройство не обладает способностью автоматически восстанавливать электропитание на приемнике при исчезновении недопустимых отклонений напряжения в системе электроснабжения. Ввиду этого более перспективны устройства защиты от отклонений напряжения, которые автоматически восстанавливают питание приемников при возвращении напряжения в допустимые пределы.

Следует подчеркнуть, что ПУЭ, с одной стороны, запрещают применять УЗО в подсистеме TN-C, однако, с другой стороны, при необходимости разрешают применение УЗО в этой подсистеме с условием, что РЕ проводник будет подключен к PEN проводнику цепи до защитно-коммутационного аппарата.

УЗО обладает дополнительным достоинством, на которое часто не обращают внимания: устранение возможности хищения электроэнергии путем заземления нулевого проводника. При наличии УЗО и заземлении нулевого проводника равенство токов в линейном и рабочем нулевом проводниках нарушается, УЗО срабатывает и отключает потребителя. С целью обеспечения правильной работы У30 при токах утечки, ПУЭ запрещают объединять РЕ и N проводники, если они были разделены, начиная с какой-либо точки электроустановки.

Последний недостаток сети с системой TN (пятый по счету в перечне, см. выше) в настоящее время не устранен. Пути его устранения:

симметрирование нагрузок по фазам линий;

создание путей, шунтирующих нулевой провод;

создание и внедрение устройств защиты от отклонений фазных напряжений.

Рис. 6. Система ТТ

Поясняющие схемы для систем ТТ и IT приведены на рис. 6 и 7. В подсистеме ТТ имеется один N (рабочий) нулевой проводник, соединенный с заземлителем в одной точке — у источника питания. Корпуса приемников заземлены путем соединения их с повторными заземлителями, что необходимо для обеспечения электробезопасности. Однако при этом напряжение прикосновения не должно превышать допустимого значения, что предъявляет достаточно высокие требования к повторным заземлителям. В системе ТТ ПУЭ предписывают обязательное применение УЗО. Напряжение прикосновения в этой системе не должно превышать 50 В, т. е.

R a I a ≤ 50 В,

где I a — ток срабатывания УЗО; R a — суммарное сопротивление заземлителя и заземляющего проводника.

Рис. 7. Система IT

Система с изолированной нейтралью IT, как правило, выполняется без нулевого провода. Для обеспечения электробезопасности корпуса приемников, как и в системе ТТ, заземлены с помощью повторных заземлителей. Быстрого отключения замыкания одной фазы на землю по условиям пожарной безопасности не требуется, т. к. это повреждение не является коротким замыканием и сопровождается незначительными токами. Однако по условиям электробезопасности в такой системе необходимо иметь контроль изоляции сети или должны быть установлены дифференциальные УЗО с током срабатывания не более 30 мА. Для защиты от двойных замыканий на землю, которые сопровождаются большими токами, должно быть выполнено автоматическое отключение питания с временем отключения в соответствии с табл. 1. Если система IT связана через трансформатор с сетью напряжением выше 1 кВ, то с целью защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотками высшего и низшего напряжения трансформатора, в нейтрали или фазе на стороне низшего напряжения трансформатора устанавливают пробивной предохранитель или иное защитное средство.

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

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

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

Устройство

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

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

Ток замыкания можно компенсировать путем использования дугогасящих реакторов в следующих случаях:

• Ток более 30 А, напряжение от 3 до 6 кВ.
• Ток больше 20 А, напряжение 10 кВ.
• Ток более 15 А, напряжение от 15 до 20 кВ.
• Ток больше 10 А, напряжение от 3 до 20 кВ, с опорами линий передач электроэнергии.
• Все сети питания на напряжение 35 кВ.
• В группе «генератор-трансформатор» при нагрузке 5 А и напряжении на генераторе от 6 до 20 кВ.

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

В отечественных сетях питания изолированная нейтраль применяется:

В 2-проводных сетях постоянного тока.
В 3-фазных сетях переменного тока до 1 кВ.
В 3-фазных сетях от 6 до 35 киловольт при условии допустимого тока замыкания.
В низковольтных сетях, имеющих защитные устройства в виде разделяющих трансформаторов, защитной изоляции, для создания безопасных условий человека.

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества

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

Такой режим применяется ограниченно, так как имеет несколько серьезных недостатков.

Недостатки

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

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

4 режима заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Изолированную нейтраль объявим вне закона

Способ заземления нейтрали сети является достаточно важной характеристикой. Он определяет:

• ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании;
• схему построения релейной защиты от замыканий на землю;
• уровень изоляции электрооборудования;
• выбор аппаратов для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений (ограничителей перенапряжений);
• бесперебойность электроснабжения;
• допустимое сопротивление контура заземления подстанции;
• безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (термин «среднее напряжение» используется в зарубежных странах для сетей с диапазоном рабочих напряжений 1-69 кВ):

• изолированная (незаземленная);
• глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру);
• заземленная через дугогасящий реактор;
• заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

Ниже в табл. 1 приведены способы заземления нейтрали, используемые в разных странах мира.
В России, согласно п.1.2.16 последней редакции ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г., «...работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». Таким образом, сейчас в сетях 6-35 кВ в России формально разрешены к применению все принятые в мировой практике способы заземления нейтрали, кроме глухого заземления. Отметим, что, несмотря на это, в России имеется опыт применения глухого заземления нейтрали в некоторых сетях 35 кВ (например, кабельная сеть 35 кВ электроснабжения г. Кронштадта).
Рассмотрим подробнее способы заземления нейтрали и дадим им общую характеристику.

Изолированная нейтраль
Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник (рис. 1), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.
ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока). Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах:

• более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
• более 20 А при напряжении 10 кВ;
• более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
• более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ;
• более 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор–трансформатор».

Вместо компенсации тока замыкания на землю может применяться заземление нейтрали через резистор (резистивное) с соответствующим изменением логики действия релейной защиты.
Исторически режим изолированной нейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения. Его достоинствами являются:

• малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).
• Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:
• возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю;
• возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;
• возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;
• необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;
• сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Кроме того, значительное число повреждений трансформаторов напряжения типа НТМИ-6(10), ЗНОЛ-6(10), ЗНОМ-35 в отечественных сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю также связано с состоянием нейтрали сетей среднего напряжения.
Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий. Такое развитие событий в эксплуатации не так редко, как кажется на первый взгляд. Именно по этой причине во многих странах, таких, как США, Канада, Англия, Австралия, Бельгия, Португалия, Франция и другие, отказ от режима изолированной нейтрали произошел еще в 40–50-х годах прошлого века. Как видно из табл. 1, в настоящее время из промышленно развитых стран режим изолированной нейтрали применяют только Италия, Япония и Финляндия. Причем в Италии сейчас рассматривается возможность перехода к работе с заземлением через дугогасящий реактор, а в Японии – с заземлением через резистор.
В России до последнего времени режим изолированной нейтрали был закреплен в ПУЭ. Именно этим объясняется сложившееся положение, когда даже в сетях с высоковольтными электродвигателями, где защита от однофазных замыканий выполнена с действием на отключение без выдержки времени, применяется режим изолированной нейтрали.

Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор
Она также достаточно часто применяется в России. Этот способ заземления нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор (рис.2).
С точки зрения исторической последовательности возникновения этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена).
Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются:

• отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;
• малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);
• возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);
• исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

• возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;
• возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;
• возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации;
• возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов;
• возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях;
• сложность обнаружения места повреждения;
• опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;
• сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.
При дуговом характере однофазного замыкания скважность воздействия перенапряжений на изоляцию сети ниже, чем при изолированной нейтрали, но и здесь существует возможность возникновения многоместных повреждений. В последние десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а мощность компенсирующих устройств на подстанциях осталась той же, соответственно значительная доля сетей среднего напряжения сейчас работает с существенной недокомпенсацией. Это ведет к исчезновению всех положительных свойств сетей с компенсированной нейтралью. Отметим дополнительно, что дугогасящий реактор компенсирует только составляющую промышленной частоты тока однофазного замыкания. При наличии в сети источников высших гармоник последние могут содержаться в токе замыкания и в некоторых случаях даже усиливаться.
Применение режима с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, в таких странах, как Финляндия, Швеция, отличается от российского. В этих странах он применяется в сетях с воздушными линиями, где его применение наиболее эффективно. Кроме того, в этих странах существует значительное сопротивление грунта, состоящего в основном из скальных пород, и режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор позволяет обнаруживать однофазные замыкания через значительные переходные сопротивления 3-5 кОм. Применение режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор в таких странах, как Германия, Австрия, Швейцария, носит в некоторой степени традиционный характер (выше уже говорилось онемецком инженере – изобретателе этого способа). Тем не менее и в этих странах этот режим заземления нейтрали применяется в основном в сетях с воздушными линиями. В сетях среднего напряжения зарубежных промышленных предприятий используется резистивное заземление нейтрали.

Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный)
Этот режим заземления используется в России очень редко, только в некоторых сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций. В то же время, если оценивать мировую практику, то резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ (см. табл. 1).

Таблица 1. Способы заземления нейтрали в странах мира

Страна	Принятое напряжение	Способ заземления нейтрали
		Изолированная	Через дугогасящий реактор	Через резистор	Глухое
Россия	6–35 кВ	+	+
Австралия	11–12 кВ			+	+
Канада	4–25 кВ			+	+
США	4–25 кВ			+	+
Испания			10–30 кВ	+	+
Италия	10–20 кВ	+
Португалия	10–30 кВ			+
Франция	12–24 кВ			+
Япония	6,6 кВ	+		+
Германия	10–20 кВ		+
Австрия	10–30 кВ		+
Бельгия	6,3–17 кВ			+
Великобритания	11 кВ			+	+
Швейцария	10–20 кВ		+
Финляндия	20 кВ	+	+

Резистор в отечественных сетях 6-10 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора (рис. 3). Возможны и другие варианты включения резистора, когда нейтраль заземляющего трансформатора наглухо присоединяется к контуру заземления, а резистор включается во вторичную обмотку, собранную в разомкнутый треугольник (рис. 4б), либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг (рис. 4в). Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный. При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Например, согласно нормам французской сетевой компании Electricite de France, ток, создаваемый резистором, должен быть в два раза больше емкостного тока сети. Это гарантирует отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее однофазное замыкание немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5-7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали. При низкоомном заземлении нейтрали используется резистор, создающий ток в пределах 10-2000 А. Величина тока, создаваемого резистором, выбирается исходя из нескольких конкретных условий: стойкость опор ВЛ, оболочек и экранов кабелей к протеканию такого тока однофазного замыкания; наличие в сети высоковольтных электродвигателей и генераторов; чувствительность релейной защиты. В Electricite de France низкоомный резистор выбирается таким образом, чтобы ток однофазного замыкания в воздушных сетях не превышал 300 А, а в кабельных 1000 А. Согласно бельгийским нормам ток однофазного замыкания лимитируется величиной не более 500 А. При наличии в сети высоковольтных электродвигателей Electricite de France ограничивает ток в месте замыкания величиной 20 А (в случае необходимости допускается увеличение до 50 А). Эта норма связана с недопустимостью выплавления стали статора электродвигателя при однофазном замыкании. Похожие ограничения для сетей с высоковольтными электродвигателями были приняты при разработке устройств резистивного заземления нейтрали и в России. Например, такие заводы, как «Самарский Электрощит», «Московский Электрощит», выпускают ячейки заземления нейтрали, в которых используются резисторы, создающие активный ток 35-38 А (100 Ом для сетей 6 кВ и 150 Ом для сетей 10 кВ). Некоторое отличие представляет практика низкоомного резистивного заземления нейтрали англоязычных стран. Так, в США типовым решением является применение резистора, создающего ток 400 А, в том числе и для сетей с высоковольтными электродвигателями. Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются: отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети; отсутствие необходимости в отключении первого однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали); исключение феррорезонансных процессов и повреждений трансформаторов напряжения; уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц при однофазном замыкании (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения); практически полное исключение возможности перехода однофазного замыкания в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения); простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на токовом принципе. Недостатками резистивного режима заземления нейтрали являются: увеличение тока в месте повреждения; необходимость в отключении однофазных замыканий (только для низкоомного заземления); ограничение на развитие сети (только для высокоомного заземления).

Рис. 1. Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью. Рис. 2. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Рис. 3. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор. Рис. 4. Варианты включения резистора в нейтраль сети 6-10 кВ. Рис. 5*. Североамериканский трансформатор потребителя.

Отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях и возможность организации селективной релейной защиты являются неоспоримыми преимуществами режима резистивного заземления нейтрали. Именно эти преимущества способствовали широкому распространению такого режима заземления нейтрали в разных странах.

Глухозаземленная нейтраль
Как уже было сказано, в отечественных сетях 6-35 кВ не используется. Этот режим заземления нейтрали широко распространен в США, Канаде, Австралии, Великобритании и связанных с ними странах. Он находит применение в четырехпроводных воздушных сетях среднего напряжения 4-25 кВ. В качестве примера на рис.5 приведен участок сети 13,8 кВ в США. Как видно из рис.5, воздушная линия на всем своем протяжении и ответвлениях снабжена четвертым нулевым проводом. Концепция построения сети заключается в том, чтобы максимально сократить протяженность низковольтных сетей напряжением 120 В. Каждый частный дом питается от собственного понижающего трансформатора 13,8/0,12 кВ, включенного на фаз-ное напряжение. На рис.5* показан такой однофазный трансформатор потребителя с заземленной средней точкой обмотки НН. Основная воздушная линия делится на участки секционирующими аппаратами – реклоузерами. Трансформаторы каждого отдельного потребителя и ответвления от линии защищаются предохранителями. На отпайках от линии используются отделители, обеспечивающие отключение в бестоковую паузу.
Этот способ заземления нейтрали не используется в сетях, содержащих высоковольтные электродвигатели. Токи однофазного замыкания в этом случае достигают нескольких килоампер, что недопустимо с позиций повреждения статора электродвигателя (выплавление стали при однофазном замыкании).

Рис. 5. Схема воздушной четырехпроводной распределительной сети 4-25 кВ США.

Применение глухого заземления нейтрали в сетях среднего напряжения в России вряд ли необходимо и вероятно в обозримом будущем. Все отечественные линии 6-35 кВ трехпроводные, а трансформаторы потребителей трехфазные, то есть сам подход к построению сети существенно отличается от зарубежного. Указанный выше случай глухого заземления нейтрали в кабельной сети 35 кВ, питающей г. Кронштадт, является исключением. Такое решение было сознательно принято проектным институтом в связи с тем, что ток однофазного замыкания в этой сети составляет около 600 А. Компенсация в данном случае малоэффективна, а надежных высоковольтных низкоомных резисторов на момент реализации решения в России не существовало.

Что выбрать?
К сожалению, в России жесткие нормативные требования ПУЭ в отношении применения только изолированной нейтрали не позволяли до последнего времени использовать заземление нейтрали через резистор. Даже сейчас, после внесения изменений в ПУЭ, проектные институты продолжают закладывать в новые объекты старую идеологию. По-видимому, необходимы совместные усилия заказчиков, производителей оборудования и проектных институтов для изменения существующей ситуации.
В заключение следует отметить, что режим заземления нейтрали в сети среднего напряжения должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом следующих факторов:

• уровня емкостного тока сети;
• допустимого тока однофазного замыкания, исходя из разрушений в месте повреждения;
• безопасности персонала и посторонних лиц;
• допустимости отключения однофазных замыканий с позиций непрерывности технологического цикла;
• наличия резерва;
• типа и характеристик используемых защит.

Однако в любом случае выбор должен делаться между заземлением нейтрали через дугогасящий реактор, высокоомным или низкоомным заземлением, а режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен.