Система с изолированной нейтралью. Системы с компенсацией емкостных токов замыкания на землю

Рисунок 1. Способы заземления нейтрали а — изолированная нейтраль; б — нейтраль, заземленная через дугогасящую катушку; в — глухозаземленная нейтраль;

е — нейтраль, заземленная через активное сопротивление;

д — нейтраль, заземленная через реактор

Распределенные вдоль линии емкости и сопротивления изоляции каждого провода относительно земли условно могут быть представлены в виде сосредоточенных эквивалентных емкостей С_а, С_в, С_с, С_о и r_аr_в r_с. Полные проводимости проводов трехфазной четырехпроводной системы относительно земли в комплексной форме могут быть представлены в виде

   

где   - активные проводимости изоляции между фазными проводами (а, в, с), нулевым проводом (0) и землей, равные соответственно:

             

Комплексная   проводимость  нулевой точки   (0)   трансформатора,  генератора и т. д. относительно земли в зависимости от способа заземления нейтрали может учитывать:

сопротивление заземляющего устройства r_з: (g₀=1/r_з);

сопротивление дугогасящей катушки: z=r_k+jwL_k(g₀=1/z_k=1/r_k+jwL_k);

где r_к и L_к—соответственно активное  сопротивление и индуктивность катушки; активное сопротивление R_о (g_о=1/R_о); реактивное индуктивное сопротивление L(g_о=1/jwL) и т. д.

В трехфазной трехпроводной   системе с изолированной нейтралью g_о=0.

В симметричной трехфазной системе (нагрузка симметрична и g_а=g_b=g_c;

C_a=C_b=C_c)  в нормальном режиме напряжения фаз относительно земли U_a=U_b=U_c  симметричны, равны по модулю и равны фазному напряжению U_ф; геометрические суммы токов утечки  и ёмкостных токов  соответственно образуют токи  в фазах, которые равны по модулю, т. е. , и геометрическая  сумма их равна нулю,  т. е.   или  I_о=0;  напряжение смещения  нейтрали .

В случаях, если g_а¹g_b¹g_c;или C_а¹C_b¹C_c, симметрия системы нарушается. Напряжение смещения нейтрали U₀в соответствии с теорией несимметричных режимов трехфазных цепей определяется по формуле:

Ток в нулевом проводе определится по формуле:

Система с изолированной нейтралью

Рассмотрим режим однофазного замыкания на землю в трехфазной системе напряжением выше 1 000 В с изолированной нейтралью. В большинстве случаев ёмкостные проводимости фаз относительно земли можно полагать равными, т. е.

где С_А=С_В=С_С  - ёмкость фазы относительно земли.

Расчетная схема замещения системы в нормальном режиме дана на рисунке 10.2, а:

В случае повреждения и последующим за этим полным металлическом замыкании, например, фазы А на землю (рис. 10-2,б) через место аварии  К  проходит ток, который замыкается как зарядный через ёмкостные проводимости относительно земли неповрежденных (здоровых) фазных проводов, т.е. g_{с в} и  g_сс. Емкостная проводимость поврежденной фазы g_са шунтируется рассматриваемым замыканием, и ток  I_{с а}  в фазе А справа от места замыкания равен нулю, если пренебречь очень малым током, который наводится токами I_{с в}и I_cсна данном участке линии. Режим однофазного замыкания на землю в трехфазной системе можно представить как результат двух налагающихся друг на друга состояний: первое - нормального режима работы, обусловливающего нормальную систему напряжений и токов; второе, - налагающееся на первое и обращающее в нуль напряжение в точке замыкания, является как бы следствием приложения в месте замыкания ко всем фазам напряжения, равного по величине, но обратного по знаку напряжению поврежденной фазы в нормальном режиме, т. е.  (-). Фиктивная система напряжений (-) вызывает фиктивный емкостный ток I_СВ, который,                                                           

стекая в землю у места аварии, тремя ветвями распределяется между емкостями с_а, С_В и С_С и возвращается по неповрежденным проводам через обмотки трансформатора или генератора. Таким образом, ток Iсо, налагаясь на нормальные емкостные токи системы, усиливает последние в неповрежденных фазах и компенсирует в поврежденной, создавая однофазную перегрузку трансформаторов и генераторов и, следовательно, резкую асимметрию системы токов и напряжений.

Рисунок  10-2 - Система напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью.

а — расчетная схема замещения в нормальном режиме; б—расчетная схема замещения в аварийном режиме; в - векторная диаграмматоков и напряжений.

Изложенное можно ясно представить по векторной диаграмме напряжений и токов при замыкании на землю фазы А системы рисунок 10-2, а. Напряжения всех фаз относительно земли  при замыкании на землю фазы А определяются геометрической суммой напряжений фаз относительно земли в нормальном режиме работы  и напряжения смещения нейтрали    т. е.

Согласно векторной диаграмме   

а угол между векторами  и   равен 60°. Следовательно, напряжения неповреждённых  фаз В и С относительно земли увеличиваются в Ö3  раз и становятся равными междуфазному напряжении установки, а напряжение поврежденной фазы А относительно земли — нулю.

Емкостные токи фаз    при замыкании на землю фазы А также определяются геометрической суммой ёмкостных токов фаз в нормальном режиме     и током смещения нейтрали  , т. е.

Из векторной диаграммы   

а угол между векторами  и   равен 60°. Ёмкостный ток замыкания на землю   равен геометрической сумме емкостных токов неповрежденных фаз  и   в аварийном режиме, т. е. согласно векторной диаграмме.

Таким образом, емкостный ток однофазного замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю