Электрические сети с изолированной и заземленной нейтралью

В зависимости от характера (величины) тока замыкания на землю электрические сети разделяются на сети с изолированной и сети с заземленной нейтралью (или глухозаземленной нейтралью, что одно и то же). Что это означает и в чем разница?

Под нейтралью подразумеваются нейтрали трансформаторов, входящих в электрическую сеть одного напряжения, то есть имеющих электрическую связь. Как мы помним, обмотки разных напряжений трансформатора электрической связи между собой не имеют, а имеют магнитную связь, значит и сети разных напряжений между собой электрически не связаны. Если на трансформаторах одной сети заземлить (соединить с землей) нейтрали обмоток одного напряжения (как мы помним, в нормальном режиме работы трансформатора напряжение на нейтрали равно нулю), то электрическая сеть этого напряжения и будет сетью с заземленной нейтралью. Если же все нейтрали обмоток одного напряжения трансформаторов одной сети не имеют связи с землей, то эти сети являются сетями с изолированной нейтралью.

Если на оборудовании в сети с заземленной нейтралью произойдет замыкание одной фазы (одного провода) на землю, то возникнет замкнутая электрическая цепь с малым сопротивлением или, как говорится в электротехнике, замкнутый контур тока (фаза, замкнутая на землю, нейтраль трансформатора, который имеет электрическую связь с этой фазой и снова фаза, контур замкнулся). А поскольку сопротивление данного контура маленькое, то ток возникающий в таком контуре «огромадный». Он называется током однофазного короткого замыкания (потому что проходит не через нагрузку, а не доходя ее по укороченному пути) и в считанные секунды нагревает провода до такой степени, что они расплавляются, а точнее испаряются. Поэтому сети с заземленной нейтралью еще называют сети с большим током замыкания на землю. Для исключения повреждения оборудования при возникновении однофазного короткого замыкания это оборудование необходимо сразу же отключать с помощью устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), то есть это повреждение устраняется с возможным перерывом питания потребителей (если, к примеру, это тупиковая линия).

Если такая же ситуация произойдет в сети с изолированной нейтралью, то замкнутого контура не будет, так как он разорван в месте нейтраль – земля и тока большой величины в точке замыкания не будет. Большого тока не будет, но ток, хоть и небольшой, все же будет – это зарядный или емкостной ток данной сети. Величина его зависит от емкости данной сети, которая в данном случае работает как конденсатор, емкость которого зависит от протяженности линий этой сети. Сети сети с изолированной нейтралью еще называют сети с малым током замыкания на землю. В случае однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью немедленного отключения оборудования, на котором произошло замыкание, не требуется, т.к. отсутствуют большие токи способные привести к повреждению оборудования и оно может работать сколь угодно долго не прерывая питания потребителей. На первый взгляд. Но существует ряд причин, по которым режим однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью не желателен и его нужно устранить в возможно более короткий срок.

Во-первых, при нормальном режиме работы сети напряжение каждой фазы относительно земли в v3 раз меньше напряжения между фаз (напряжение каждой фазы относительно земли называется фазным, а напряжение между фазами – линейным). При замыкании одной фазы на землю, на двух других фазах по отношению к земле напряжение повышается до линейного (увеличивается в v3 раз), т.к. земля в данной сети уже имеет такой же потенциал, как и фаза замкнувшая на землю. Если в какой-то точке сети на одной из неповрежденных фаз из-за слабой, по какой-то причине, изоляции произойдет ее «пробой», то возникнет двухфазное короткое замыкание (по контуру: фаза - точка замыкания на землю – земля - пробитый изолятор - вторая фаза - обмотки трансформатора), которое сопровождается большими токами повреждающими оборудование. Другими словами – однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью опасно переходом в двухфазное короткое замыкание.

Во-вторых, однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью представляет опасность для людей, находящихся вблизи точки замыкания. Поскольку напряжение возникающее на поверхности земли в точке соприкосновения с фазой резко уменьшается при удалении от этой точки (полностью исчезает на расстоянии приблизительно 8 м), то человек, оказавшийся на расстоянии ближе 8 м к точке замыкания попадет в зону напряжения. При этом, если стоять, держа ноги вместе, ничего страшного не произойдет, но стоит ступням ног оказаться на расстоянии друг от друга одной ближе, другой дальше от точки замыкания, то между этими точками возникнет разность потенциалов, т.к. одна нога (которая ближе к точке замыкания) находится в зоне более высокого напряжения, чем другая и человека «долбанет» не трудно догадаться в каком месте, причем чем шире шаг, тем больше разность потенциалов. Поэтому из зоны замыкания нужно выходить либо прыжками, либо мелкими шажками. Этот эффект называется шаговым напряжением. Еще существует понятие напряжения прикосновения. Это когда человек касается рукой корпуса оборудования в котором произошло замыкание на землю (на корпус, что одно и тоже, потому что все корпуса оборудования должны быть заземлены).

В-третьих, емкостной ток в точке замыкания на землю при величине более 5-10 А проходит в виде электрической дуги, что при замыканиях внутри трансформаторов или генераторов приводит к повреждению обмотки и магнитопровода. Поэтому на генераторах с током замыкания на землю более 5 А устанавливается защита на отключение генератора при возникновении замыкания на землю. В сетях напряжением 6, 10 и 35 кВ, где токи замыкания на землю превышают соответственно 30, 20 и 10 А применяются устройства компенсации емкостного тока, которые снижают его до величины менее 5 А. Это так называемые дугогасящие катушки (ДГК), которые представляют из себя сердечник (магнитопровод) с намотанной на него обмоткой и помещенный в герметичный корпус заполненный трансформаторным маслом. Один конец обмотки подключен к нейтрали трансформатора сети, подлежащей компенсации, а другой соединен с землей. Так как сети 6-10 кВ питаются от вторичных обмоток трансформаторов 110-35 кВ, соединенных в треугольник, то для ДГК либо ставится отдельный трансформатор 6-10 кВ, отмотка которого соединена в звезду, либо она включается в нейтраль трансформатора собственных нужд подстанции. Поскольку катушка представляет из себя индуктивное сопротивление, то при замыкании на землю она оказывается под фазным напряжением (земля это фаза, а нейтраль трансформатора - нуль) и по ней протекает индуктивный ток. А индуктивный ток противоположен по направлению емкостному току в точке замыкания на землю и уничтожает его. Величина индуктивного тока регулируется количеством витков катушки. Величина емкостного тока замыкания на землю сети определяется (замеряется) опытным путем при помощи искусственно (сознательно) созданного замыкания на землю. Сети, где применяются дугогасящие катушки, называются еще сетями с компенсированной нейтралью.

В нашей энергетике с изолированной нейтралью работают сети напряжением 6, 10 и 35 кВ. Сети остальных напряжений работают в режиме заземленной нейтрали. Почему нельзя сделать однотипными сети всех напряжений? Этим вопросом должен озадачиться любой нормальный человек (проверьте себя). Сеть 0, 4 кВ по требованию Правил устройства электроустановок (ПУЭ) должна работать в режиме глухозаземленной нейтрали для безопасности людей, поскольку при замыкании фазы на землю в данном случае она будет отключаться защитными аппаратами (автоматами или предохранителями). Сети 6-35 кВ экономически выгоднее делать с изолированной нейтралью – не происзодит отключения оборудования, а значит и погашения потребителей при однофазном замыкании (а именно однофазные замыкания чаще всего возникают на электрооборудовании) и есть время у оперативного персонала перевести потребителей на резервное питание прежде чем отключить поврежденный участок. Начиная со 110 кВ выгоднее делать сети с заземленной нейтралью, т.к. экономятся средства на дорогую изоляцию, которая при одном и том же напряжении в сети с изолированной нейтралью должна быть больше из-за длительности времени замыкания нежели в сети с заземленной нейтралью, где режим замыкания на землю длится менее секунды (основные защиты оборудования имеют уставки по времени от 0 до 0, 5 секунд). К тому же практически все потребители имеют минимум две линии питания напряжением 110 кВ, чего не скажешь про 6-10 кВ, и отключение одной из линий от защиты не приводит к погашению потребителей.

В сетях с заземленной нейтралью в идеальном случае нейтрали всех трансформаторов должны быть заземлены, но на практике это не так. По условиям выбора оборудования, а оборудование выбирается из расчета величины тока трехфазного КЗ в данной сети, ток однофазного замыкания на землю не должен превышать тока трехфазного КЗ. А на практике, если заземлить нейтрали на всех трансформаторах, именно это и происходит, т.е. ток однофазного КЗ превышает ток трехфазного КЗ. Для того, чтобы уменьшить ток однофазного КЗ на ряде трансформаторов разземляют нейтрали (чем больше заземлено нейтралей, тем больше ток однофазного КЗ в этой сети и наоборот). Нейтрали разземляют на тех трансформаторах, у которых по расчетам не возникает перенапряжения на тейтрали при несимметричном режиме работы трансформатора, который возникает, например, при том же однофазном КЗ в сети.

Когда нейтраль заземлена, ей перенапряжение не грозит.

И еще одна особенность в отличии сетей. Сети напряжением от 6 кВ и выше – трех проводные (сколько фаз, столько и проводов). Сети 0, 4 кВ – четырех проводные (три фазных провода и один нулевой). Почему так? Сети выше 6 кВ служат для передачи и распределения электроэнергии и нулевой провод для этого не нужен. Даже если учесть, что у потребителей имеются электродвигатели напряжением 6 кВ, то все они трехфазного исполнения и нулевой провод так же не нужен. А сеть 0, 4 кВ кроме промышленных потребителей, у которых оборудование трехфазного исполнения, имеет в большинстве своем бытового потребителя, у которого все оборудование однофазного исполнения. К лампочкам и утюгам не нужно подводить три фазы, они прекрасно работают и на одной. Поэтому в жилые дома (имеется в виду отдельно взятая квартира) заводится одна фаза. Но одна фаза работать не будет, ток течет только по замкнутому контуру. Для создания этого контура и служит нулевой провод, который соединен с нейтралью трансформатора, от которого берется фаза. И включая в розетку утюг, мы создаем контур для электрического тока: фаза – спираль утюга – нулевой провод – нейтраль трансформатора – фаза. В общем делаем не что иное, как однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью. Но поскольку это замыкание происходит через сопротивление, рассчитанное на данное напряжение (через нагрузку), то недопустимых токов не возникает. Хотя если в розетку, куда подведены фаза и нуль, воткнуть просто проволоку, то можно воочую увидеть что такое сверх ток и его последствия. Остается добавить, что линейное напряжение (междуфазное) в сети 0, 4 кВ составляет 380 В, а фазное (напряжение между фазой и нулем) 220 В, т.е. как и положено по правилам электротехники в v3 раз меньше линейного. На некоторых подстанциях Калужской энергосистемы трансформаторы собственных нужд имеют обмотку низшего напряжения соединенную в треугольник. Естественно сеть 0.4 кВ у такого ТСН работает с изолированной нейтралью. Напряжение 220 В берется в такой сети с двух фаз, а замыкание одной из фаз на землю не приводит к отключению питающего автомата, поэтому в такой сети имеется сигнализация замыкания на землю в сети собственных нужд.