Тема 1. Вибір режиму нейтралі в електричних мережах

Види електричних мереж. Всі електричні мережі можна класифікувати за рядом ознак:

1) за розміщенням

а) зовнішні повітряні і кабельні мережі. При їх виконанні застосовуються неізольовані (голі) дроти, кабелі й шинопроводи;

б) внутрішні мережі - мережі, які прокладені всередині технологічних приміщень. При їх виконанні використовуються ізольовані проводи, кабелі, неізольовані дроти й шинопроводи;

2) за призначенням:

а) місцеві електричні мережі - це мережі на напругу до 35 кВ включно;

б) районні електричні мережі - мережі, до яких відносяться ізольовані одночні районні мережі з однією електростанцією та мережі електричних систем з декількома електростанціями напругою в основному 110 кВ і вище;

в) лінії електропередачі міжсистемних зв'язків - це лінії напругою вище 220 кВ, які призначені для зв'язків окремих енергетичних систем напругою до 1150 В;

г) живлячі лінії (мережі) - це лінії, які служать для передачі енергії від джерела живлення до груп споживачів;

д) розподільчі електричні мережі - це мережі, які призначені для розподілу електроенергії від розподільних пунктів до споживчих ТП або безпосередньо до споживачів;

3) за родом струму:

а) електричні мережі постійного струму;

б) електричні мережі змінного струму;

4) за кількістю проводів (рис. 1.1, 1.2):

а) двохпровідні електричні мережі - це мережі постійного струму і однофазного змінного струму з ізольованим виводом джерела струму (рис. 1.1, а) і з заземленим виводом джерела струму (рис. 1.1, б);

б) трипровідні електричні мережі - це мережі однофазного струму; на відміну від двопровідних у них є нульовий захисний провідник, з'єднаний із заземленим виводом джерела струму (рис. 1.2, а) або поєднаний із захисним заземлюючим пристроєм в мережах з ізольованим виводом джерела струму (рис. 1.2, б), а також трифазні мережі без нейтрального проводу (рис. 1.2, д);

Рис. 1.1. - Види електричних мереж за кількістю проводів (двопровідні і чотирьохпровідні):

а, б - двохпровідні (однофазні);

в, г - чотирьохпровідні (трифазні);

R₀ - опір розтікання струму в землю із заземлювача заземлювального пристрою нейтралі джерела струму (робочого заземлення).

Рис. 1.2. - Види електричних мереж за кількістю проводів (однопровідна, трипровідна і п'ятипровідна):

а, б - трипровідні однофазні;

в, г - п'ятипровідні;

д - трьохпровідна (трифазна);

е – однопровідна (із заміною одного проводу «землею»);

R₀ і R₃ – опіри розтіканню струму з заземлювачів в землю відповідно заземлювального пристрою нейтралі джерела струму (робочого заземлення) і заземлювального пристрою ЕУ споживача (захисного зазаземлення).

в) чотирьохпровідні електричні мережі - це мережі трифазного струму з нейтральним проводом (в мережах з ізольованою від землі нейтраллю) (рис. 1.1, в) або з нульовим проводом (в мережах з глухо заземленою нейтраллю джерела струму) (рис. 1.1, г) ;

г) мережі із заміною одного проводу «землею» - це мережі однофазного змінного струму, коли роль другого проводу відіграє «земля» (рейка) (рис. 1.2, е);

д) п'ятипровідні електричні мережі - це мережі трифазного струму, які відрізняються від чотирипровідних тим, що в них функції нульового робочого та нульового захисного провідників розділені - провідник N і РЕ (рис. 1.2, в і 1.2, г).

5) за будовою: розімкнуті та замкнуті (рис. 1.3):

а) мережа магістральна розімкнена, коли мережа складається з одиночних ЛЕП, кожна з яких живить незалежно декілька споживачів (рис. 1.3, а);

б) мережа радіальна розімкнена - це магістральна розімкнена мережа, що живить одну групу споживачів (рис. 1.3, б);

в) мережа радіальна замкнута, коли з метою безперебійного живлення споживачів енергією мережі виконують з резервуванням, тобто до споживача прокладають дві мережі (рис. 1.3, в);

г) мережа магістральна замкнута (колова), якщо декілька споживачів в одному районі повинні отримувати електроенергію безперебійно, то мережу виконують коловою, яка утворює замкнутий контур (рис. 1.3, г);

Рис. 1.3. - Види електричних мереж за будовою:

а - магістральна розімкнена;

б - радіальна розімкнена;

в - радіальна замкнута;

г - магістральна замкнута;

ІП - джерело живлення;

В – вимикач

6) за величиною напруги:

а) мережі напругою до 1000 В включно;

б) мережі напругою понад 1000 В (від 1 до 300 кВ включно);

в) мережі надвисокої напруги - більше 330 кВ;

7) щодо забезпечення електробезпеки (ЕБ) (в залежності від способу заземлення нейтралі) (рис. 1.4):

а) мережі з глухозаземленою або ефективно заземленою нейтраллю вище 1000В (з великими струмами замикання на землю) (рис. 1.4, а);

б) мережі з ізольованою або заземленою через дугогасний реактор або резистор нейтраллю вище 1000 В (з малими струмами замикання на землю) (рис. 1.4, б);

в) мережі з глухозаземленою нейтраллю до 1000 В (рис. 1.4, в);

г) мережі з ізольованою нейтраллю до 1000 В (рис. 1.4, г).

Електричною мережею з ефективно заземленою нейтраллю називається трифазна електрична мережа напругою вище 1000 В, в якій коефіцієнт замикання на землю не перевищує 1,4.

Коефіцієнтом замикання на землю в трифазній електричній мережі називається відношення різниці потенціалів між неушкодженою фазою і землею в точці замикання на землю іншої або двох інших фаз до різниці потенціалів між фазою і землею в цій точці до замикання.

Ізольованою нейтраллю називається нейтраль трансформатора або генератора, не приєднана до заземлювального пристрою або приєднана до нього через прилади сигналізації, вимірювання, захисту, заземлювальні дугогасні реактори і подібні їм пристрої, що мають великий опір.

Глухозаземленою нейтраллю називається нейтраль трансформатора або генератора, приєднана до заземлювального пристрою безпосередньо або через малий опір (наприклад, через трансформатор струму).

Нейтраль (нейтральна точка) обмотки джерела або споживача енергії - це точка, напруги якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки однакові за абсолютним значенням (рис. 1.5).

Рис. 1.4. - Види електричних мереж щодо забезпечення електробезпеки в залежності від способу заземлення нейтралі:

а) з ефективно заземленою нейтраллю;

б) з ізольованою нейтраллю;

в) з глухозаземленою нейтраллю до 1000 В;

г) з ізольованою нейтраллю до 1000 В;

ДГК - дугогасна котушка; Р-дугогасний реактор; R₀ - опір заземлювального пристрою нейтралі джерела струму.

Рис. 1.5. - Нейтралі обмоток джерел струму:

а - мережі ізольовані від землі,

б - мережі з глухозаземленою нейтраллю;

1 - нейтральна точка (нейтраль); 2 - нульовий (нейтральний) провід; 3 - нульова точка; 4 - нульовий провід; R₀ - опір заземлювального пристрою нейтралі джерела струму.

Заземлена нейтральна точка носить назву нульової точки. Провідник, приєднаний до нейтральної точки, називається нейтральним провідником, а до нульової точки - нульовим провідником.

Схема мережі, а, отже, і режим нейтралі джерела струму, що живить мережу, вибираються за технологічними вимогами та за умовами безпеки.

За технологічними вимогами ПУЕ наказують для трифазних мереж напругою 110 кВ і вище ефективне заземлення нейтралі, тобто заземлення через малий опір (шляхом приєднання нейтралі до заземлювача безпосередньо «наглухо» або через реактори з невеликим індуктивним опором) (див. рис. 1.4, а) , при якому у разі замикання однієї або двох фаз на землю напруги непошкоджених фаз відносно землі в місці замикання не перевищують _. Замикання фази на землю викликає швидке відключення пошкодженої ділянки релейним захистом і не супроводжується виникненням перенапруг. Тобто заземлення нейтралі джерела - ефективний захід, що попереджає виникнення небезпечних для ізоляції перенапруг при дугових замиканнях на землю.

Для мереж напругою вище 1000 В. але до 35 кВ включно, ПУЕ встановлюють режим роботи з ізольованою нейтраллю, тобто нейтраллю, яка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через прилади сигналізації, вимірювання, захисту, заземлювальні дугогасні реактори і подібні їм пристрої, які мають великий опір (див. рис. 1.4, б).

За умовами безпеки в мережах напругою вище 1000 В заземлена нейтраль також є переважаючою, оскільки внаслідок великої ємності проводів щодо землі захисна роль їх ізоляції практично повністю втрачається і для людини стає однаково небезпечно дотик до струмоведучих частин мережі, як з ізольованою, так і з заземленою нейтраллю . До того ж в мережах напругою вище 1000 В з ізольованою нейтраллю при дугових замиканнях на землю навколо місця замикання можуть виникати і довгостроково існувати високі потенціали і різниця потенціалів, тобто великі напруги дотику і кроку, небезпечні для людей. З іншого боку, в мережах з ізольованою нейтраллю при замиканні однієї з фаз на землю напруга двох інших непошкоджених фаз збільшується в 3 рази. Отже, фазна ізоляція таких мереж повинна розраховуватися на лінійну напругу, так як ці мережі можуть довгостроково працювати при однофазному замиканні. Це означає, що дані мережі повинні мати пристрої контролю стану ізоляції, а релейний захист налаштовується на сигнал, а не на відключення однофазних замикань на землю.

Мережі з глухо заземленою нейтраллю до 1000 В (трифазні чотирьохпровідні з глухозаземленою нейтраллю) в нашій країні за технологічними вимогами отримали перевагу, оскільки вони дозволяють використовувати дві робочих напруги - фазну і лінійну . При цьому досягається значне здешевлення ЕУ в цілому завдяки застосуванню меншої кількості трансформаторів, меншого перерізу проводів і т.д. (див. рис. 1.4, в).

За умовами безпеки мережі з глухозаземленою нейтраллю слід застосовувати там, де неможливо забезпечити гарну ізоляцію проводів, коли не можна швидко відшукати й усунути пошкодження ізоляції. Виникаючі при цьому струми короткого замикання сприяють швидкому відключенню пошкодженої ділянки або пошкодженої ЕУ за допомогою релейного захисту або такого захисного заходу, як занулення.

Мережі з ізольованою нейтраллю до 1000 В (трифазні трипровідні з ізольованою нейтраллю) (див. рис. 1.4, г) за умовами безпеки доцільно застосовувати на об'єктах з підвищеною небезпекою ураження людини електричним струмом в тих випадках, коли є можливість підтримувати високий рівень опору ізоляції проводів мережі відносно землі і коли ємність проводів відносно землі незначна. Такими є мережі до 1000 В невеликої протяжності, не схильні до дії агресивного середовища і знаходяться під постійним наглядом електротехнічного персоналу. При виборі схеми мережі за умовами безпеки було показано, що небезпека ураження людини струмом в більшості залежить від опору ізоляції проводів відносно землі. Цей опір є комплексним, має активну та емнісну складові (рис. 1.6).

Рис. 1.6. - Структура ізоляції і схема її заміщення:

а - ізольований провідник;

б - електрична схема заміщення;

1 - провідник; 2 - ізоляція; - площа провідника; - відстань між провідниками.

Активний опір залежить від наявності в ізоляції так званих «шляхів витоку струму» , які виникають в результаті того, що ізоляція старіє і псується, в її структурі з'являються провідні частинки, погіршуються діелектричні властивості. Ємнісний опір залежить від ємності проводу щодо землі, яка в свою чергу, визначається геометричними розмірами , і діелектричною сталою матеріалу ізоляції , її станом. Активний і ємнісний опори ізоляції розподілені уздовж дроту. Умовно на схемах їх позначають зосередженими (рис. 1.6, б). Тому в загальному вигляді схема мережі може бути представлена так, як показано на рис. 1.7.

В електричних мережах невеликої протяжності напругою до 1000 В ємність проводів відносно землі маленька . У цьому випадку опір ізоляції характеризується тільки активною складовою .

У кабельних лініях і в повітряних ЛЕП напругою понад 1000 В ємність проводів відносно землі значна. Наприклад, ємність однієї фази кабелю напругою 1000 В по відношенню до свинцевої оболонки (землі) становить від 0,15 до 0,4 мкФ на 1 км довжини кабелю) .

Рис.1.7. - Загальний вид схеми заміщення мережі.

Чим більша ємність, тим менший ємнісний опірі. При цьому навіть при дуже великих значеннях активної складової опору ізоляції, небезпека ураження буде визначатися величиною ємнісної складової. Отже, в таких мережах опір ізоляції проводів відносно землі практично втрачає свою захисну роль, .

Розглянемо більш детально, чому мережі з заземленою нейтраллю більш широко використовуються в порівнянні з іншими видами мереж.

При виборі режиму нейтралі електричної мережі враховують:

· електробезпеку і можливі захисні заходи;

· надійність електропостачання, маючи на увазі можливість продовження роботи електроустановки при аварійному замиканні на землю;

· економічний чинник, обумовлений в значній мірі витратами на ізоляцію електрообладнання.

Прагнення знизити небезпеку замикання на землю, стабілізувати та зменшити в цьому аварійному режимі напругу фазних проводів відносно землі привели в ряді країн, до вирішення заземлювати нульову точку джерела струму

Підставою для цього послужили наступні міркування

1. При робочому режимі мережі напруга фазних проводів відносно заземленої нейтралі, так само як і при ізольованій рівна фазній напрузі. Дане твердження випливає із закону Кірхгофа. У цьому випадку:

- вектори напруги фазних проводів відносно землі;

- вектори фазних струмів;

- повні комплексні опори фаз відносно землі.

Якщо в мережі сталося коротке замикання на землю фази (рис. 1.8, а), а людина доторкнулася до фази (так як , як правило, дуже маленький, то можна прийняти ), тоді з еквівалентної схеми (рис. 1.8, б) видно, що , отже, напруга відносно землі в точці замикання на землю , а напруга, прикладена до тіла людини, _.

Таким чином у мережах із заземленою нейтраллю людина, що доторкнеться до справної фазі, опиняється під фазною напругою , а не під лінійною _. В мережах з ізольованою нейтраллю людина опинилася б під лінійною напругою

2. Іншою причиною поширення мереж із заземленою нейтраллю є те, що замикання на землю переходить в однофазне коротке замикання і пошкоджена ділянка відключається комутаційними апаратами. Таким чином, аварійний режим роботи мережі при замиканні однієї з фаз на землю, настільки небезпечний своєю тривалістю при ізольованій нейтралі, у випадку з заземленою нейтраллю має місце лише протягом короткого періоду часу, необхідного для спрацювання захисту.

3. Важливою перевагою мереж з глухозаземленою нейтраллю, що послужило причиною їхнього поширення, є те, що в них напруга фаз по відношенню до землі не перевищує фазної напруги. І ізоляція кіл обмоток машин і ТВЧ електрообладнання розраховується лише на фазну напругу, тоді як при ізольованій нейтралі вона розраховується на лінійну напругу.

Наведені вище аргументи на користь заземлення нейтралі реалізуються не у всіх випадках. Перш за все, прийнята вище умова, що опір робочого заземлення , не здійсненна.

На практиці напруга фази яка замкнена на землю розподіляється пропорційно величинам опорів і . При цьому напруга відносно землі в точці замикання на землю , а в нульовій точці трансформатора . З векторної діаграми (рис. 1.8, в) випливає, що в дійсності напруга, прикладена до тіла людини, дещо більша фазної і рівна або .

Її абсолютне значення визначається з трикутника ОВ:

або, оскільки ,

_.

Таким чином, в мережі із заземленою нейтраллю при замиканні на землю напруга фазних проводів відносно землі не дорівнює фазній напрузі, а є трохи вищою. Тоді прикладена до людини напругу буде більшою і буде визначатися співвідношенням опорів і .

Рис. 1.8. - Замикання на землю в мережі з заземленою нейтраллю:

а - схема мережі з заземленою нейтраллю;

б - еквівалентна схема заміщення;

в - векторна діаграма.

Однак, недоліків та негативних сторін при застосуванні заземленої нейтралі в електричних мережах не менше. Найбільш важливий з них, що має істотний вплив на вибір режиму нейтралі - небезпека дотику до фазного проводу при нормальному режимі роботи мережі. У цьому випадку струм через тіло людини буде дорівнювати

де - напруга, яка прикладена до людини;

- опір тіла людини;

- опір підлоги по площі ніг людини;

- опір заземлення нейтралі.

Якщо людина стоїть на струмопровідній підлозі, то, нехтуючи величинами і малими в порівнянні з , маємо:

Отже, при дотику до однієї з фаз людина потрапляє практично під повну фазну напругу, і величина струму буде смертельною для людини.

І якщо в мережах з ізольованою нейтраллю опори ізоляції обмежують величину цього струму, то в заземлених мережах вони ніякого впливу не роблять. Навіть при ідеальному стані ізоляції, коли струм при однофазному дотику все ж буде обумовлений величиною фазної напруги і опору тіла людини. Припустимо, що людина опинилася під напругою, меншою . Якщо і , тоді

тобто, струм який небезпечний для життя людини.