что такое компенсированная нейтраль
Сети с компенсированной нейтралью.
Сети с компенсированной нейтралью.
Если сеть 3-35 кВ небольшая, то суммарные емкости фаз относительно земли малы, и величина тока замыкания на землю измеряется единицами Ампер. В больших разветвленных сетях суммарная емкость фазы на землю также большая и величины токов замыканий на землю достигают нескольких десятков ампер, иногда даже превышают 100 А.
Обычно замыкание на землю происходит не металлическое, а через дугу. При этом, чем больше ток замыкания на землю тем более вероятно, что под действием дуги однофазное замыкание на землю перейдет в междуфазное КЗ, которое автоматически отключится защитой. Поэтому в больших разветвленных сетях 3-35 кВ необходимо принимать меры к уменьшению тока замыкания на землю.
Уменьшение величины тока замыкания на землю достигается достаточно просто включением катушки индуктивности между нейтралью сети и землей (рис. 2.1). При этом в нормальном режиме работы сети напряжение между нейтралью и землей равно нулю и ток в катушке отсутствует. При замыкании на землю величина напряжения на нейтрали относительно земли становится равной фазному напряжению. При этом через катушку индуктивности и через точку замыкания на землю протекает ток, который направлен противоположно емкостному току замыкания на землю. Суммарный ток в точке замыкания на землю равен разности индуктивного тока катушки и емкостного тока. Если эти токи окажутся равными по величине, то суммарный ток в точке замыкания будет равным нулю. При этом дуга в точке замыкания на землю практически полностью отсутствует, поэтому катушка индуктивности, включенная в нейтрали, называется дугогасящей катушкой.
Сеть с изолированной нейтралью, в которой в нейтраль включена дугогасящая катушка индуктивности, называется сетью с компенсированной нейтралью, так как емкостной ток замыкания на землю компенсируется индуктивным током катушки.
Если емкостной ток в точке замыкания больше индуктивного тока катушки, то сеть работает с недокомпенсацией емкостного тока замыкания на землю. Если индуктивный ток катушки больше емкостного тока, то сеть работает с перекомпенсацией.
В соответствии с ПТЭ (15 издание, 1996 год, пункт 5.11.8): «Компенсация емкостного тока замыкания на землю дугогасящими реакторами должна применяться при емкостных токах, превышающих следующие значения:
| UНОМ, кВ | 6 | 10 | 15-20 | 35 |
| IЗ, А | 30 | 20 | 15 | 10 |
В сетях 6-35 кВ с ВЛ на железобетонных и металлических опорах должны использоваться дугогасящие реакторы при емкостном токе замыкания на землю более 10 А».
Компенсированная нейтраль — что это такое?
Смысл схемы компенсированной нейтрали заключается в реактивном сопротивлении, согласованном с общей емкостью сети между фазой и землей, устанавливаемыми между нейтралью и землей таким образом, чтобы при замыкании на землю значение тока повреждения было близко к нулю:
Рисунок 1 — Замыкание на землю в сети с заземлением через компенсирующее реактивное сопротивление
Преимущества схемы с компенсированной нейтралью:
Недостатки схемы с компенсированной нейтралью:
Система с компенсированной нейтралью обеспечивает компенсацию емкостного тока сети.
В действительности, ток повреждения составляет сумму токов, которые проходят в следующих цепях:
Происходит взаимная компенсация этих токов, поскольку:
На практике за счет малого сопротивления катушки возникает слабый резистивный ток со значением в несколько ампер (см. рис. 2).
Рисунок 2 — Векторная диаграмма токов при замыкании на землю
Защита
Методика обнаружения повреждения основана на использовании активной составляющей тока нулевой последовательности.
В действительности, повреждение вызывает циркуляцию тока нулевой последовательности во всей сети, но при этом только в поврежденной цепи есть резистивный ток нулевой последовательности. Кроме того, при настройке устройств защиты необходимо учитывать возможность возникновения самоустраняющихся повторяющихся повреждений (возвращающиеся отказы). Когда реактивное сопротивление заземления и емкость сети согласованы
При этом компенсирующее реактивное сопротивление называется дугогасительной катушкой или катушкой Петерсена.
Применение
Данный способ заземления нейтрали применяется в распределительных сетях среднего напряжения с высоким значением емкостного тока Ic.
Сети с компенсированной нейтралью: режимы работы, достоинства и недостатки
Сети 6-35 кВ в РФ в основном выполняются с изолированной нейтралью. За счет этого минимизируются токи короткого замыкания на землю. Это повышает надежность работы сети, так как некоторые «земли» самоустраняются. А с другими сеть может работать длительное время, необходимая для поиска места КЗ, его локализации, производства необходимых переключений. В результате можно сохранить работоспособность электрооборудования потребителей, грамотно выводя из строя линию с повреждением, заменив ее резервной.
Малые токи КЗ на землю позволяют занизить и требования к заземляющим устройствам. Наличие всего трех проводов и режимов работы сети со сверхтоками только при междуфазных замыканиях между ними позволяет упростить и устройства РЗА. Достаточно установить два трансформатора тока для регистрации любых замыканий между фазами. Традиционно они ставятся в фазы «А» и «С».
Недостатки сети с изолированной нейтралью.
Но за простоту всегда приходится платить.
Для того, чтобы электрооборудование выдерживало этот режим, оно изначально рассчитывается на линейное напряжение сети. Но и этого оказывается мало. Всегда существуют участки с ослабленной изоляцией, на которые резкое повышение напряжения может подействовать губительно. Возникает двойное замыкание, ток его возрастает. Нередко в случаях КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью происходят повреждения электрооборудования в местах, достаточно далеких от места КЗ.
Добавим к этому и тот факт, что при замыканиях, происходящих через дугу, регулярно погасающую в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, фазное напряжение возрастает далеко не в корень из трех раз. Оно становится больше линейного. Считается, что в этих случаях напряжение может подскакивать в 2,5 раза, и даже более.
Еще один недостаток, связанный с замыканиями на землю: в трансформаторах напряжения при этом происходят феррорезонансные процессы. Это приводит к выходу их из строя за счет перегрева первичной обмотки резонансными токами, во много раз превышающими номинальный. С этими процессами борются, усложняя конструкцию ТН и их цепей, но стопроцентной защиты пока достичь не удается.
Емкостные токи замыкания на землю.
Но и токи замыкания на землю не всегда бывают такими уж и небольшими. За счет чего они образуются? Ведь очевидного пути для их распространения нет – нейтраль-то изолирована.
При КЗ на землю одной из фаз ее емкость выпадает из общей картины. Но в точке замыкания она через землю и эквивалентные емкости соединяется с другими фазами сети. Через эту цепь и протекает ток замыкания, носящий емкостной характер.
Ток этот можно рассчитать, и даже измерить. При превышении им определенных значений замыкание уже не будет таким безобидным, его действие будет довольно разрушительным.
Компенсация емкостных токов
При превышении емкостными токами замыкания на землю величин, указанных в таблице, сеть должна быть снабжена установками компенсации.
Установка компенсации емкостных токов состоит из двух элементов. Первый из них – трансформатор, задача которого – выделить из трехфазной сети потенциал нейтрали. Это почти обычный силовой трансформатор, у которого первичная обмотка соединена в звезду с нулевым выводом. Нейтраль звезды соединяется с землей через дугогасящую катушку.
Второе ее название – катушка Петерсона. Она бывает также похожа на силовой трансформатор с маслонаполненным баком, а иногда имеет и другую конструкцию. Но основная ее особенность в том, что ее индуктивность регулируется, плавно или ступенчато.
При отсутствии замыкания ток через катушку минимален. Предварительно ее настраивают в резонанс с общей емкостью сети. На устройствах со ступенчатой регулировкой это выполняется довольно приближенно и грубо. Если суммарное емкостное сопротивление сети больше, чем индуктивное сопротивление катушки, этот режим работы называется недокомпенсацией. Если ситуация противоположная – перекомпенсацией. Режим с перекомпенсацией для электроустановок является предпочтительным.
Но емкостное сопротивление сети постоянно изменяется в зависимости от подключенных к ней кабельных линий. В результате режим установки компенсации требует постоянной корректировки. Наиболее эффективным является применением плавной регулировки индуктивности катушки Петерсона. Он производится за счет изменения зазора в ее магнитопроводе с помощью специального электропривода. За этим следит автоматика.
Помимо основного электрооборудования в состав установки компенсации емкостных токов, входят и вспомогательные элементы. Это трансформатор тока, служащий для измерения тока замыкания на землю, специальная обмотка для выделения 3Uo.
Работа установки компенсации
При замыкании на землю в точку КЗ течет емкостной ток сети. При наличии установки компенсации туда же отправляется и ток через дугогасящую катушку. В точке КЗ они взаимно компенсируют друг друга, снижая или сводя к минимуму ток в поврежденной фазе.
При этом дуговое замыкание при переходе синусоидального напряжения КЗ через ноль гаснет. Для ее повторного зажигания напряжения оказывается недостаточно. Так минимизируются все вредные воздействия замыкания на землю на всю сеть целиком.
Составляющей тока, оставшейся нескомпенсированной, достаточно для срабатывания земляной защиты присоединения. Тем не менее, ее рано вводить на безусловное отключение линии, так как ошибки в действиях защиты все же случаются.
Чтобы сделать работу ОЗЗ максимально эффективной, современные катушки Петерсона содержат в своем составе резистор с заранее рассчитанной величиной сопротивления. В момент замыкания контактором он подключается в цепь катушки на ограниченное время, достаточное для срабатывания защиты. Так нейтраль кратковременно приобретает резистивное заземление.
За счет ввода активной составляющей тока замыкания на землю произойдет отключение только линии, подпитывающей КЗ.
Недостатки сети с компенсированной нейтралью
Основной недостаток, связанный с применением установок компенсации, как ни странно, вытекает из их достоинства. Снижая величину емкостного тока, они минимизируют повреждения в точке КЗ и не дают ему развиться до междуфазного.
Если речь о кабельной линии, то найти потом это повреждение достаточно сложно.
К тому же компенсированная нейтраль не излечивает полностью сети с изолированной нейтралью от их собственных недостатков, описанных выше.
Режимы работы нейтрали трансформатора, разновидности, достоинства и недостатки.
В высоковольтных сетях возможны следующие виды заземления нейтрали трансформатора:
Также возможны комбинации из нескольких способов соединения с землей, реализуемых поочередно в комплексе. Рассмотрим по очереди все эти способы, их достоинства и недостатки и показания к применению.
Изолированная нейтраль
Это некогда еще самый распространенный способ заземления нейтрали, применяемый в сетях 6-35 кВ. Сейчас он понемногу вытесняется другими способами.
Достоинство изолированной нейтрали – наличие небольших токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), с которыми сеть может работать некоторое время, необходимое для поиска и устранения повреждения.
Ток замыкания носит емкостной характер. Он обусловлен наличием емкостной связи между электрооборудованием, кабельными и воздушными линиями и землей. Активная составляющая тока почти отсутствует, так как резистивной связи между нейтралью и землей нет. Но недостатки таких сетей пересиливают ее достоинство.
При достаточной разветвленности сети емкостные токи увеличиваются, так как увеличивается количество одновременно подключенного к ней электрооборудования. Настает момент, когда ток становится настолько ощутимым, что все равно и почти сразу приводит к перерастанию ОЗЗ в междуфазное.
Режимы работы нейтрали по уровню напряжения
К тому же при ОЗЗ резко повышается напряжение на неповрежденных фазах. Особенно это проявляется при замыканиях с перемежающейся дугой, погасающей при прохождении синусоидального напряжения в месте КЗ через ноль. При повторном нарастании напряжения дуга загорается вновь.
При резком погасании дуги осуществляется зарядка емкостей фаз, на которых ОЗЗ нет, до напряжения, выше номинального рабочего. Последующее зажигание дуги дает толчок к их дополнительному заряду и так далее. Результат грозит пробоем изоляции в других местах сети, имеющих ослабленную изоляцию. Дополнительно возникает риск возникновения резонансных явлений в сердечниках трансформаторов напряжения.
Это явление, называемое феррорезонансом, гарантированно выводит из строя их первичные обмотки.
Работу трансформаторов, у которых нейтраль изолирована, целесообразно использовать в неразветвленных сетях малой протяженности.
Компенсированная нейтраль
Большие емкостные токи ОЗЗ приходится снижать. Для этого сеть с изолированной нейтралью дополняется установкой компенсации. В состав ее входит силовой трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду и имеющей вывод нейтрали. Вторичная обмотка его иногда не используется, а может питать какую либо нагрузку.
Нейтраль трансформатора установки компенсации заземляется через дугогасящую катушку (катушку Петерсона), представляющую собой реактор с изменяемой индуктивностью.
Обмотка его находится на магнитопроводе и помещена в бак с маслом, как у обычного трансформатора. Регулировка индуктивности осуществляется либо переключением отводов, либо путем изменения зазора в магнитопроводе. В сетях 35кВ распространен способ подключения катушки непосредственно к нейтрали силового трансформатора. Настройка катушки возможна в резонанс с емкостью сети, но тогда ток ОЗЗ исчезает совсем. Его не зафиксировать стандартными элементами защиты, состоящими из ТТНП и токового реле, реагирующего на ток нулевой последовательности.
Чтобы защита работала, используют режим работы катушки с перекомпенсацией. Но использование компенсированного заземления не избавляет сеть от опасных перенапряжений, не устраняет проблему ферромагнитного резонанса. Оно всего лишь снижает токи ОЗЗ.
Про ферромагнитный резонанс смотрите в видео ниже:
Но и это может обратиться во вред: неразвившееся повреждение в кабельной линии в дальнейшем сложнее найти.
Тем не менее, установки компенсации встраиваются во все разветвленные и протяженные сети 6-35 кВ РФ.
Высокоомное резистивное заземление нейтрали
Парадокс в том, что многие основные руководящие документы в РФ, в том числе ПУЭ, ПТЭЭС и ПТЭЭП, не слишком подробно повествуют о резистивном заземлении нейтрали. Хотя польза от него очень ощутима. 
Есть два случая высокоомного заземления:
Высокоомным заземление называется потому, что сопротивление резистора выбирается из соображений возможности длительной работы сети с ОЗЗ.
Но при этом сохраняются достоинства сети с изолированной нейтралью: есть время на поиск повреждения. Но при этом снижаются величины перенапряжений путем шунтирования емкостей фаз сети резистором.
Что приводит к ускорению их разряда при погасании дуги, что в свою очередь снижает потолочное значение, до которого они успевают зарядиться. В итоге минимизируется риск выхода из строя изоляции электрооборудования от перенапряжений, а также – уменьшается до минимума вероятность возникновения феррорезонансных явлений.
Про резистивное заземление нейтрали можно посмотреть в видео ниже:
Низкоомное заземление нейтрали
Уменьшение сопротивления резистора необходимо в случае, если требуется обеспечить быстродействующее отключение присоединения с ОЗЗ релейной защитой.
При этом еще больше снижается величина перенапряжений, что приводит к повышению степени безаварийности работы электрооборудования.
Увеличение тока КЗ через низкоомный резистор приводит к необходимости увеличения его способности отводить тепло. Если это невозможно, то предусматривается ограничение длительности протекания тока с помощью устройств РЗА. При срабатывании защиты резистор отключается, и нейтраль переводится в изолированный режим работы.
Есть и второй вариант: перевод нейтрали через заранее установленное время, необходимое для ликвидации повреждения в ней устройствами РЗА, с низкоомного заземления на высокоомное. Режим низкоомного заземления иногда применяется в комбинации с установками компенсации емкостных токов. В случае фиксации ОЗЗ к сети кратковременно подключается резистор, помогающий срабатывать устройствам защиты. 
Эффективно заземленная нейтраль
Схемы непосредственного заземления нейтралей трансформаторов используются в сетях 110 кВ и выше.
Главная задача при таком режиме работы – получение сравнительно больших токов ОЗЗ для облегчения их фиксации и отключения релейной защитой. Однако при этом увеличиваются капиталовложения на обустройство контуров заземления, по сравнению с электроустановками, имеющими изолированную нейтраль.
А при питании повреждения от нескольких источников одновременно величина тока КЗ в месте ОЗЗ значительно превышает их величины при междуфазных КЗ.
Для исключения этого недостатка нейтрали трансформаторов, подключенных к линии с нескольких сторон, не соединяют с землей одновременно: соединение выполняется на одном из них. За этим следят оперативные работники, занятые эксплуатацией сетей.
Режимы работы нейтрали. Изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль, глухозаземленная.
В электрических сетях России приняты следующие режимы работы нейтрали:
• изолированная нейтраль (небольшие емкостные токи замыкания на землю; напряжения 6-5-35 кВ и 0,4 кВ);
• компенсированная нейтраль (определенные превышения значений емкостных токов; напряжения 6+35 кВ);
• эффективно заземленная (глухозаземленная) нейтраль (большие токи замыкания на землю; напряжения > 110 кВ; 0,4 кВ);
• высокоомное и низкоомное заземление нейтрали (напряжения 6, 10 кВ).
Таблица 1. Характеристика режима изолированной нейтрали
1. Возможность работы сети с ОЗЗ в течение ограниченного времени до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного элемента.
2. Не требуются дополнительная аппаратура и затраты на заземление нейтрали.
3. Возможность самогашения дуги и самоликвидации части ОЗЗ.
4. Безопасность длительного воздействия перенапряжений, возникающих в переходных режимах ОЗЗ, для элементов с нормальной изоляцией.
5. Простое (в большинстве случаев) решение проблемы защиты и селективной сигнализации устойчивых ОЗЗ.
1. Высокая вероятность возникновения наиболее опасных дуговых перемежающихся ОЗЗ.
2. Высокая вероятность вторичных пробоев изоляции и перехода ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания за счет перенапряжений до 3,5U ф mах при дуговых замыканиях.
3. Значительное (в несколько раз) увеличение действующего значения тока в месте повреждения при дуговых перемежающихся ОЗЗ за счет свободных составляющих переходного процесса.
4. Возможность существенных повреждений электрических машин током в месте повреждения, прежде всего, при дуговых перемежающихся ОЗЗ.
5. Возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети и повреждений ТН.
6. Высокая степень опасности для человека и животных, находящихся вблизи места ОЗЗ.
7. Ограничения по величине I с сум на развитие сети.
8. Высокая степень помех по ЛЭП при дуговых ОЗЗ.
Таблица 2. Характеристика режима резонансного заземления нейтрали (компенсированная нейтраль)
1. Возможность работы сети с ОЗЗ до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного элемента.
2. Уменьшение тока в месте повреждения (при резонансной настройке ДГР остаточный ток содержит только некомпенсируемые активную составляющую и высшие гармоники).
3. Значительное снижение скорости восстановления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги тока ОЗЗ.
4. Высокая вероятность (с учетом пп. 2
и 3) самогашения дуги и самоликвидации большей части ОЗЗ (при ограниченных значениях остаточного тока в месте повреждения).
5. Практически исключается возможность возникновения дуговых перемежающихся ОЗЗ.
6. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолированной нейтралью (до значений 2,5U ф ном при первом пробое изоляции или дуговых прерывистых ОЗЗ).
7. Безопасность длительного воздействия перенапряжений в установившемся и переходном режимах ОЗЗ для элементов
с нормальной изоляцией.
8. Исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети.
9. Уменьшение влияния дуговых ОЗЗ на линии связи.
1. Дополнительные затраты на заземление нейтрали через ДГР и устройства для автоматического управления настройкой компенсации.
2. Трудности с решением проблемы защиты и селективной сигнализации ОЗЗ.
3. Возможность возникновения прерывистых дуговых ОЗЗ, сопровождающихся перенапряжениями на неповрежденных фазах до 2,5
4. Увеличение вероятности возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ и максимальных перенапряжений на неповрежденных фазах до (2,6—3) при расстройках компенсации.
5. Возможность (с учетом пп. 3 и 4) вторичных пробоев в точках сети с ослабленной изоляцией.
6. Невозможность скомпенсировать (без использования специальных устройств) в месте повреждения активную составляющую и высшие гармоники.
8. Ограничения (с учетом п. 7) на развитие сети.
Таблица 3. Характеристики режима высокоомного заземления нейтрали
1. Возможность работы сети с ОЗЗ до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного элемента (при ограниченных значениях тока замыкания в месте повреждения).
2. Возможность самогашения дуги и самоликвидации части ОЗЗ (при ограниченных значениях тока ОЗЗ в месте повреждения).
3. Практически исключается возможность возникновения дуговых перемежающихся ОЗЗ.
4. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолированной нейтралью (до значений 2,5 при первом пробое изоляции или дуговых прерывистых ОЗЗ).
5. Безопасность длительного воздействия перенапряжений в переходных режимах ОЗЗ для элементов с нормальной изоляцией.
6. Практически исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети.
7. Простое решение проблемы защиты и сигнализации устойчивых ОЗЗ.
1. Дополнительные затраты на заземление нейтрали сети через резистор.
2. Увеличение тока в месте повреждения.
4. Возможность (с учетом п. 3) вторичных пробоев в точках сети с ослабленной изоляцией.
6. Утяжеление условий гашения дуги в месте повреждения по сравнению с сетями, работающими с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока ОЗЗ.
7. Большая мощность заземляющего резистора (десятки киловатт) и проблемы с обеспечением его термической стойкости при устойчивых ОЗЗ.
Таблица 4. Характеристики режима низкоомного заземления нейтрали
1. Практически исключается возможность дальнейшего развития повреждения, например, перехода ОЗЗ в двойное замыкание на землю или междуфазное КЗ (при быстром отключении поврежденного элемента).
2. Простое решение проблемы защиты от ОЗЗ.
3. Полностью исключается возможность возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ (при достаточном для их подавления значении накладываемого активного тока).
4. Уменьшается длительность воздействия на изоляцию элементов сети перенапряжений на неповрежденных фазах в переходных режимах ОЗЗ.
5. Исключается возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети.
6. Уменьшается вероятность поражения людей или животных током ОЗЗ в месте повреждения.
1. Дополнительные затраты на заземление нейтрали сети через резистор.
2. Невозможность работы сети с ОЗЗ.
3. Увеличение числа отключений оборудования и линий из-за переходов кратковременных самоустраняющихся (при других режимах заземления нейтрали) пробоев изоляции в полные (завершенные) пробои.
4. Возможность увеличения в некоторых случаях объема повреждения оборудования (из-за увеличения тока ОЗЗ).
5. Возможность возникновения дуговых прерывистых ОЗЗ при недостаточно больших значениях накладываемого активного тока.
6. Возможность вторичных пробоев в точках с ослабленной изоляцией за счет перенапряжений на неповрежденных фазах (при первом пробое изоляции до 2,5 ) до ключения защитой поврежденного элемента.
7. Увеличение числа отключений выключателей элементов сети.
При глухом заземлении нейтрали замыкание одной фазы на землю является однофазным КЗ, характеризующимся большим током. Напряжение фаз по отношению к земле при этом не выше фазного номинального; исключаются перемежающиеся дуги. Однофазные КЗ отключаются автоматически. Отключение приводит к перерывам в электроснабжении потребителей.
Другим недостатком глухого заземления (глухозаземленной) нейтрали является значительное усложнение и удорожание заземляющих устройств. Последнее связано с тем, что для систем с большим током замыкания на землю ПУЭ допускают максимальное сопротивление заземляющего контура 0,5 Ом, поэтому число заземляющих электродов должно быть значительным. Вследствие значительного тока однофазного КЗ, который может быть больше тока трехфазного КЗ, глухо заземляют не все нейтрали трансформаторов.