какое кз создает короткозамыкатель в сетях с изолированной нейтралью
Что такое изолированная нейтраль и где она используется
Сети с изолированной нейтралью используются для повышения надёжности высоковольтных линий и в опасных электроустановках. Что такое изолированная нейтраль, читайте в статье.
В настоящее время изолированную нейтраль сложно встретить в быту, вы никогда с ней не столкнетесь, если делаете проводку в квартирах. В то время как высоковольтных линиях она активно используется, а также в некоторых случаях и в сетях 380В. Подробнее о том, что такое сеть с изолированной нейтралью и какие у нее особенности, мы расскажем простыми словами в этой статье.
Что это такое
Определение понятия «изолированная нейтраль» приведено в главе 1.7. ПУЭ, в пункте 1.7.6. и ГОСТ Р 12.1.009-2009. Где сказано, что изолированной называется нейтраль у трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству вообще, или, когда она присоединена через приборы защиты, измерения, сигнализации.
Нейтралью называется точка, в которой соединены обмотки у трансформаторов или генераторов при включении по схеме «звезда».
Среди электриков есть заблуждение о том, что сокращенное название изолированной нейтрали – это система IT, по классификации п. 1.7.3. Что не совсем верно. В этом же пункте сказано, что обозначения TN-C/C-S/S, TT и IT приняты для сетей и электроустановок напряжением до 1 кВ.
В той же главе 1.7 ПУЭ есть пункт 1.7.2. где сказано, что в отношении мер электробезопасности электроустановки делятся на 4 типа — изолированную или глухо заземленную до 1 кВ и выше 1 кВ.
Таким образом есть некоторые отличия в безопасности и применении такой сети в разных классах напряжения и называть линию 10 кВ с изолированной нейтралью «система IT» по меньше мере неправильно. Хотя схематически – почти тоже самое.
В сетях до 1 кВ
В сетях выше 1000 В
В настоящее время изолированная нейтраль чаще всего используется в сетях со средним классом напряжения (1-35 кВ). Для сети 110 кВ и выше – глухозаземленная. В связи с тем, что при КЗ на землю напряжение, как было сказано, возрастает до линейного, так в ЛЭП 110 кВ фазное напряжение (между землёй и фазным проводом) – 63,5 кВ. При КЗ на землю это особенно важно, и позволяет снизить расходы на изоляционные материалы.
Кстати в КТП с высшим напряжением до 35 кВ первичные обмотки трансформаторов соединяются в треугольник, где нейтрали нет как таковой.
Низкие токи КЗ и возможность работать при однофазных КЗ на ВЛ – в распределительных сетях особенно важны и позволяют организовать бесперебойное электроснабжение. При этом угол сдвига между оставшимися в работе фазами остаётся неизменным — в 120˚.
При напряжениях в тысячи вольт емкостной проводимостью фаз пренебречь нельзя. Поэтому касание проводов ВЛЭП опасно для жизни человека. В нормальном режиме токи в фазах источника определяются суммой нагрузок и емкостных токов относительно земли, при этом сумма емкостных токов равна нулю и ток в земле не проходит.
Если опустить некоторые подробности, чтобы изложить языком, понятным для начинающих, то при КЗ на землю напряжение относительно земли поврежденной фазы приближается к нулю. Так как напряжения двух других фаз увеличиваются до линейных значений их емкостные токи увеличиваются в √3 (1,73) раз. В результате емкостный ток однофазного КЗ оказывается в 3 раза большим нормального. Например, для ВЛЭП 10 кВ длиной 10 км емкостный ток равен примерно 0,3 А. При замыкании фазы на землю через дугу в результате различных явлений возникают опасные перенапряжения до 2-4Uф, что приводит к пробою изоляции и междуфазному КЗ.
Для исключения возможности возникновения дуг и устранения возможных последствий нейтраль соединяют с землёй через дугогасящих реактор. Его индуктивность при этом подбирают согласно ёмкости в месте КЗ на землю, а также чтобы он обеспечивал работу релейной защиты.
Таким образом благодаря реактору:
Перечислим плюсы и минусы высоковольтных сетей с изолированной нейтралью.
На этом обзор принципа действия и особенностей сетей с изолированной нейтралью заканчивается. Если вы хотите дополнить статью или поделится опытом – пишите в комментариях, мы обязательно опубликуем!
Система с изолированной нейтралью
Система с изолированной нейтралью
В системе с изолированной нейтралью замыкание на землю одной фазы не является КЗ и практически не отражается на работе потребителей.
Однако этот вид повреждения создает ненормальный режим, вызывая перенапряжения, которые могут привести к нарушению изоляции относительно земли двух неповрежденных фаз и переходу однофазного замыкания на землю в междуфазное КЗ.
Рассмотрим характер изменения токов и напряжений в системе и их векторные диаграммы при однофазных замыканиях на землю, принимая для упрощения, что нагрузка системы отключена.
Каждая фаза системы обладает относительно земли емкостной и активной проводимостями.
На рисунке а) приведена схема замещения системы с изолированной нейтралью, на которой емкости и сопротивления утечки фаз показаны условно сосредоточенными. В нормальном режиме работы системы напряжения фаз относительно земли симметричны и численно равны фазному напряжению, геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю, а активные утечки по изоляции пренебрежимо малы. Емкостные токи между фазами можно не учитывать, так как при однофазных замыканиях на землю междуфазные напряжения не изменяются, а следовательно, не меняются и емкостные токи.
Таким образом, емкостный ток однофазного замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью равен тройному емкостному току на землю неповрежденной фазы при нормальном режиме и зависит от напряжения электроустановки, частоты и емкости фаз относительно земли. Практически ток Iз составляет единицы или десятки ампер.
Изменение напряжений фаз по отношению к земле можно рассматривать как результат наложения на напряжения фаз (Uа; Ub; Uc) напряжений нулевой последовательности Uао; Ubо; Ucо (рисунок в), равных по значению и противоположных по знаку фазному напряжению поврежденной фазы. При этом напряжения всех фаз относительно земли будут определяться геометрической суммой напряжений Uа; Ub; Uc в нормальном режиме работы системы и напряжений нулевой последовательности. Так, при полном замыкании на землю фазы L1 получим Uc’ = Uc + Ucj; Ub’ = Ub + Ubо; Uа’ = Uа + Uао.
Из векторной диаграммы (рисунок в)) видно, что Uc’ = Ub’ = √3*Ua, а угол между Uc’ и Ub’ равен 60°.
При однофазных замыканиях на землю междуфазные напряжения не изменяются по значению и остаются сдвинутыми по фазе на 120°, что видно из векторной диаграммы на рисунке (рисунок в)). Благодаря этому не нарушается электроснабжение потребителей, включенных на междуфазное напряжение, а система может продолжать работать с одной заземленной фазой, пока не будет найдено место повреждения, но не более 2 часов. Это является главным достоинством систем с изолированной нейтралью. Длительная работа системы в этом режиме недопустима, так как может привести к двойному замыканию на землю, возникающему вследствие повышенных напряжений неповрежденных фаз относительно земли и сопровождающегося прохождением значительного тока КЗ.
При неметаллическом замыкании на землю в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, сопровождающаяся повторными гашениями и зажиганиями. В колебательном контуре, образованном емкостью и индуктивностью системы, в этом случае возникают свободные электрические высокочастотные колебания, приводящие к возникновению перенапряжений, которые распространяются на всю электрически связанную сеть.
Значение перенапряжений может достигать 2,2 Uф (фазного напряжения) на поврежденной фазе и 3,2 Uф на неповрежденных фазах. При продолжительном горении как устойчивой, так и перемежающейся дуг перенапряжения, воздействующие на ослабленную изоляцию фаз, могут привести к двух- и трехфазным КЗ в системе и к отключению потребителей. поэтому в системах с изолированной нейтралью должны предусматриваться сигнализация и релейная защита от однофазных замыканий на землю.
Многолетний опыт эксплуатации незаземленных систем позволил установить критические значения емкостных токов замыкания на землю, которые в зависимости от номинального напряжения системы составляют 30 А при 3-6 кВ, 20 А при 10 кВ, 15 А при 15-20 кВ, 10 А при 35 кВ и 5 А в схемах блок генератор — трансформатор при напряжении генератора 6-20 кВ. если ток замыкания превышает указанные значения, то используют компенсацию его с помощью дугогасящих реакторов.
КЗ в сетях с изолированной 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.
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 нашей энергетике с изолированной нейтралью работают сети напряжением 6, 10 и 35 кВ. Сети остальных напряжений работают в режиме заземленной нейтрали.
Рис. Трехфазная сеть с изолированной нейтралью: схема протекания емкостных токов при однофазном замыкании на землю.
Сети напряжения до 1 кВ с изолированной нейтралью являются, как правило, малоразветвленной, к ним так же относятся трехпроходные сети напряжением 380 и 660 В.
Электроустановки с изолированной нейтралью следует применять при повышенных требованиях в отношениях безопасности (торфяные разработки, угольные шахты, гонные карьеры и др. опасные производства) и при условии надежного контроля изоляции сети для быстрого обнаружения замыкания на землю. Системы с изолированной нейтралью, как правило, не имеют четвертого (нулевого) провода. В таких сетях при замыкании на землю через место повреждения будут проходить только емкостные токи, обусловленные напряжением и емкостью неповрежденных фаз. Напряжение поврежденной фазы по отношению к земле будет равно нулю, а напряжение двух других фаз становится равными междуфазным напряжением. При замыкании на землю система питания сети с изолированной нейтралью не отключается и может работать до отыскания повреждения персоналом согласно ПУЭ до 3 часов.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Назначение короткозамыкателя
Здравствуйте, уважаемые посетители сайта «Заметки электрика».
Еще перед летним отпуском в этом году, мы выводили в ремонт силовой трансформатор 110/10 (кВ) мощностью 63 (МВА). Ремонтная бригада производила замену разрядников на стороне 110 (кВ) на ОПН. А мы в это время занимались полной проверкой релейной защиты и автоматики этого самого трансформатора.
Схема электроснабжения данной подстанции выстроена с высокой стороны на отделителях и короткозамыкателях. Вот я и решил написать об этом более подробно. Тема сегодняшней статьи будет называться короткозамыкатель. Я Вам расскажу про назначение и применение короткозамыкателя, а также про принцип его работы.
Назначение короткозамыкателя
Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, который необходим для создания искусственного короткого замыкания в электрической цепи.
Смысл его работы заключается в следующем. При внутреннем повреждении силового трансформатора включается короткозамыкатель и создает искусственное короткое замыкание. В это время на питающей подстанции релейная защита реагирует на ток искусственного короткого замыкания и отключает питающую линию, а соответственно, и силовой трансформатор от сети.
Короткозамыкатель может устанавливаться либо на одном полюсе, в электроустановках напряжением 110 (кВ) и выше, либо на двух полюсах, в электроустановках напряжением 35 (кВ).
В моем примере на одной подстанции короткозамыкатель установлен в ОРУ на стороне 110 (кВ) в фазе В, а на другой — в фазе С и А.
На фотографии выше видно, что короткозамыкатель КЗ-110 установлен в фазе В.
А на этой фотографии на одном вводе короткозамыкатель КЗ-110 установлен в помещении ЗРУ в крайней фазе С, а на другом вводе — в фазе А.
В общем это зависит в том числе и от конструктивных особенностей подстанции.
При установке короткозамыкателя высоковольтный выключатель на стороне 110 (кВ) не требуется, что значительно упрощает и удешевляет монтаж такого электрооборудования примерно на 40-50%, не теряя при этом надежность.
Хотя признаюсь Вам, что при написании своего дипломного проекта на тему: «Модернизация главной распределительной подстанции» я ушел от применения короткозамыкателей и отделителей, и установил на сторону 110 (кВ) вакуумные высоковольтные выключатели ВБЭ-110. На то это и дипломный проект, чтобы показать и доказать, что данная модернизация и расчеты имели право на жизнь.
На нашем предприятии имеются две главные распределительные подстанции (ГПП) напряжением 110/10 (кВ), где установлены короткозамыкатели. И у обеих подстанций схемы немного различаются. Давайте разберем работу короткозамыкателя на каждой из этих подстанций.
Работа короткозамыкателя без отделителя
Представляю Вашему вниманию электрическую принципиальную схему подстанции ГПП-1 110/10 (кВ) ввода № 1.
Питание силового трансформатора Т-1 осуществляется по воздушной линии 110 (кВ) через линейный разъединитель ЛР-110.
Как Вы видите, короткозамыкатель КЗ-110 установлен на стороне 110 (кВ) без отделителя.
В таком случае при внутреннем повреждении силового трансформатора Т-1 включается короткозамыкатель, который создает искусственное короткое замыкание на воздушной линии.
Под действием искусственного тока короткого замыкания релейная защита на питающей подстанции отключает с помощью выключателя эту линию. Линия остается без напряжения до выяснения конкретных причин повреждения силового трансформатора Т-1.
Работа короткозамыкателя с отделителем
А вот схема питания ГПП-2 110/10 (кВ) немного отличается от предыдущей схемы.
Питание силового трансформатора Т-1 осуществляется по воздушной линии 110 (кВ) через линейный разъединитель ЛР-110 и отделитель ОДЗ-110.
В данной схеме, в отличии от предыдущей, установлен отделитель ОДЗ-110. Устанавливается он на всех трех полюсах. Более подробно про отделитель я напишу в отдельной статье. Чтобы не пропустить, подпишитесь на получение извещения о выходе новых статей на сайте.
В нормальном режиме работы силового трансформатора Т-1 все три силовых контакта отделителя замкнуты.
А при возникновении внутреннего повреждения силового трансформатора Т-1 срабатывает короткозамыкатель, который создает искусственное короткое замыкание на воздушной линии.
Под действием искусственного тока короткого замыкания релейная защита на питающей подстанции отключает с помощью высоковольтного выключателя эту линию. И только после того, как линия отключится, в эту бестоковую паузу отключается отделитель, размыкая свои силовые контакты и тем самым отделяя поврежденный силовой трансформатор от сети.
Выглядит это следующим образом. Специально для Вас я снял видео работы короткозамыкателя в паре с отделителем.
Затем на этот высоковольтный выключатель на питающей подстанции действует АПВ (автоматическое повторное включение) и он включается. Линия снова становится под напряжение.
Эта схема немного сложна тем, что в ней необходима более точная и четкая слаженность работы релейной защиты на срабатывание короткозамыкателя и отделителя, а также высоковольтного выключателя на питающей подстанции. Этому способствуют различные виды блокировки устройств релейной защиты и автоматики, а также своевременное обслуживание приводов короткозамыкателя и отделителя.
Вот поэтому к релейной защите и предъявляются такие основные требования, как селективность (избирательность), быстродействие, чувствительность и надежность.
Но Вы только представьте себе, что произойдет, если релейная защита сработает не слаженно, и отделитель будет разрывать ток искусственного короткого замыкания. Это приведет к очень большим последствиям и аварии на подстанции.
Что такое отделители и короткозамыкатели?
Современная организация высоковольтных ЛЭП не предусматривает использование выключателей в узловых точках, подключенных к питающим линиям. Вместо них на большинстве подстанций используются короткозамыкатели и отделители. Такая концепция позволила, сохраняя высокий уровень надежности, существенно снизить стоимость оборудования и, что не маловажно, упростить его. Об устройстве этих электрических аппаратов и принципе действия будет рассказано ниже.
Назначение короткозамыкателя и отделителя
Кратко расскажем, для чего предназначен каждый из коммутационных аппаратов:
В сетях с классом напряжения до 110,0 кВ применяются трехполюсные аппараты, управляемые общим пусковым приводом. Для 220 кВ и выше используются однополюсные устройства (по одному на фазу). Отключаются отделители автоматически, а включаются вручную. Управление разъединителями осуществляется релейной защитой.
В зависимости от конструкции замыкание производится между фазами (в сетях до 35,0 кВ) или одной из фаз на «землю», для линий с классом напряжения от 110,0 кВ. Включается короткозамыкатель автоматически, при срабатывании релейной защиты, но если возникнет необходимость, процесс может быть запущен вручную. Что касается отключения, то для него автоматический режим не предусмотрен.
Устройство короткозамыкателя и отделителя
Кратко расскажем о конструкции электромеханических аппаратов, изображенных выше, это будет полезно при объяснении их принципа работы. Начнем с отделителя, его упрощенный чертеж представлен ниже (рис.3 1).
Рисунок 3. 1) конструкция отделителя; 2)конструкция короткозамыкателя
Обозначения (часть 1 конструкция отделителя):
Как сами устройства, так и механика их работы не отличаются сложностью. Мы уже упоминали, что применение отделителя производится при снятом напряжении с сети, то есть, когда включаются выключатели на питающей магистрали. Следовательно, на разъединители можно не устанавливать специальные вакуумные дугогасительные контактные камеры.
Теперь рассмотрим основные элементы конструкции короткозамыкателя (рис.3 2):
Конструктивно короткозамыкатель КЗ-35, а также другие модели, создающие искусственное межфазное КЗ, имеют несколько отличий от представленного на рисунке устройства. Поскольку имитируется линейное замыкание, то подвижная не соединена с «землей», она подключается к другой фазе. Соответственно, конструкция снабжена еще одним изолятором-стойкой.
Принцип действия
Механика действий этих устройств довольно простая, у отделителя она следующая: при поступлении сигнала срабатывает реле отключающее электромагнит, который блокирует пружинный механизм. В результате срабатывания привода отделителя, его поворотные штанги разводятся в разные стороны, размыкая контакты. Сигнал на отключения подают цепи управления релейной защиты.
Используются разъединители только с применением короткозамыкателей. Это связано с тем, что с помощью последних можно током КЗ вызвать срабатывание релейной защиты, как на текущей высоковольтной подстанции, так и той, к которой подключена питающая ЛЭП. Короткозамыкатель может быть запущен по сигналу защиты трансформатора или вручную, если в том возникла необходимость.
Как только сигнал на запуск получен, отключается электромагнит блокировки пружинного механизма и под его воздействием приводится в движение подвижный контакт. В результате короткозамыкатель вызовет КЗ линии, что моментально приведет в действие релейную защиту. По ее сигналу сработают высоковольтные выключатели питающей ЛЭП. Поскольку скорость срабатывания разъединителей существенно ниже, они будут производить отключение уже обесточенной магистрали.
Для закрепления материала рассмотрим несколько примеров.
Работа короткозамыкателя без отделителя
Ниже представлена принципиальная электрическая схема подстанции, где применяется короткозамыкатель без использования отделителя.
Схема подстанции 110/10
Значащие обозначения:
В данной схеме короткозамыкатель будет работать следующим образом:
После того, как будет установлена и устранена причина срабатывания защиты, отключается выключатель (то есть, производится подключения вводной линии).
Описанный выше пример организации защиты на подстанции вполне работоспособен и надежен, но применение выключателя в данном случае не оправдывает себя ввиду его высокой стоимости.
Совместная работа короткозамыкателя с отделителем
Теперь рассмотрим связку ОД-КЗ на примере подстанции с двумя трансформаторными группами, запитанными от одной входящей ЛЭП.
Пример подстанции с ОД-КЗ
Обозначения:
Для получения представления как работает данная схема, рассмотрим ситуацию с выходом из строя одного из трансформаторов:
По итогу на подстанции работает только Тр1, от которого запитываются обе секции.
Особенности
Идеальных систем не бывает, естественно, что у короткозамыкателей и отделителей имеется ряд особенностей, часть из которых можно причислить к недостаткам. Например, у последних резко снижается надежность срабатывания при оледенении. Эта проблема решается, если используются разъединители закрытого типа с элегазовым наполнением. Такие устройства стоят дороже обычных моделей, но все равно обходятся дешевле силовых выключателей.
К короткозамыкателям также имеются претензии, в частности, по скорости их срабатывания (она порядка 400-500 мс). Самое простое решение в данном случае – использование конструкций, где в качестве приводе используется пороховой заряд.
В остальном эксплуатация аппаратов, описанных в статье, вполне оправдывает себя, о чем говорит популярность связки ОД-КЗ.