Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству либо присоединенная к нему через большое сопротивление.
Электрические сети с изолированной нейтралью применяются в электрических сетях на напряжении 380 - 660 В и 3 - 35 кВ.
Применение сетей с изолированной нейтралью при напряжении до 1000 В
Трехпроводные электрические сети с изолированной нейтралью применяются на напряжении 380 - 660 В при необходимости соблюдения повышенных требований электробезопасности (электрические сети угольных шахт, калийных рудников, торфяных разработок, передвижных установок). Сети передвижных электроустановок могут выполняться четырехпроводными.
В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли симметричны и численно равны фазному напряжению установки, а токи в фазах источника — фазным токам нагрузки.
В сетях напряжением до 1 кВ (как правило, небольшой протяженности) пренебрегают емкостной проводимостью фаз относительно земли.
При касании человеком фазы сети проходящий через его тело ток
Iч = 3Uф/(3rч+ z)
где Uф — фазное напряжение; rч — сопротивление тела человека (принимается равным 1 кОм); z — полное сопротивление изоляции фазы относительно земли (составляет 100 кОм и более на фазу).
Поскольку z >>rч, ток I, незначителен. Следовательно, прикосновение человека к фазе относительно безопасно. Именно это обстоятельство обусловливает применение изолированной нейтрали в электроустановках указанных объектов, помещения которых с точки зрения опасности поражения людей электрическим током относятся к помещениям особо опасным или с повышенной опасностью.
При неисправной изоляции, когда z << rч, человек, касаясь фазы, попадает под фазное напряжение. В этом случае ток. проходящий через тело человека, может превосходить смертельно опасное значение.
При однофазных замыканиях на землю напряжение исправных фаз относительно земли возрастает до линейного и ток, проходящий через тело человека при его прикосновении к неповрежденной фазе в момент замыкания, всегда опасен, так как достигает нескольких сотен миллиампер (здесь z << rч и вместо значения Uф в формулу следует подставлять линейное значение напряжения, т. с. √3.
Следствием сказанного является применение в таких сетях в качестве защитной меры защитного отключения или заземления в сочетании с контролем состояния изоляции сети. Длительная работа сети при однофазных замыканиях на землю в указанных электроустановках не допускается.
Основанием для применения заземления в сочетании с контролем изоляции сечи служит то обстоятельство, что ток глухого замыкания на землю Iз в сетях с изолированной нейтралью не зависит от сопротивления заземления корпусов электрооборудования, нормально не находящихся под напряжением (в связи с тем, что проводимость в месте замыкания на землю значительно превосходит сумму проводимостей нейтрали, изоляции и емкости фаз относительно земли), и напряжение поврежденной фазы относительно земли Uz составляет небольшую часть фазного напряжения источника.
Значения величин Iз и Uz при симметричных сопротивлениях изоляции относительно земли определяются так:
Iз = 3Uф/z, Uz = Iз х rz = 3Uф х (rz/z)
где rz — сопротивление заземления корпусов электрооборудования. Так как z >> rz, то Uz << Uф.
Как видно из формул, в сетях с изолированной нейтралью замыкание одной фазы на землю не вызывает токов короткого замыкания, ток I, составляет несколько миллиампер. Защитное отключение обеспечивает автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током и в подземных сетях строится на основе автоматического контроля за состоянием изоляции.
К трехпроводным электрическим сетям напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю) относятся сети напряжением 3 - 33 кВ. Здесь емкостной проводимостью фаз относительно земли пренебречь нельзя.
В нормальном режиме токи в фазах источника определяются геометрической суммой нагрузок и емкостных токов фаз относительно земли Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю, поэтому ток в земле не проходит.
При глухом замыкании на землю напряжение относительно земли этой поврежденной фазы становится примерно равным нулю, а напряжения относительно земли двух других (поврежденных) фаз увеличиваются до линейных значений. Емкостные токи неповрежденных фаз также увеличиваются в √3 раз, поскольку к емкостям фаз уже приложены не фазные, а линейные напряжения. В результате емкостный ток однофазного замыкания на землю оказывается в 3 раза большим нормального емкостного тока фазы.
Абсолютное значение указанных токов относительно невелико. Так, для воздушной линии электропередачи напряжением 10 кВ и длиной 10 км емкостный ток равен примерно 0,3 А, а для кабельной линии такого же напряжения и протяженности — 10 А.
Применение трехпроводной сети напряжением 3 - 35 кВ с изолированной нейтралью обусловлено не требованиями электробезопасности (такие сети всегда опасны для человека), а возможностью обеспечения нормальной работы электроприемников, включенных на междуфазное напряжение, в течение определенного промежутка времени. Дело в том, что при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью междуфазное напряжения остаются неизменными по величине и сдвинутыми по фазе на угол 120°.
Повышение напряжения в неповрежденных фазах до линейного значения распространяется на всю есть, и при длительном воздействии возможно повреждение изоляции и последующее короткое замыкание между фазами. Поэтому в таких сетях для быстрого отыскания замыканий на землю должен выполняться автоматический контроль изоляции, действующий на сигнал при уменьшении сопротивления изоляции одной из фаз ниже заданного значения.
В сетях, питающих подстанции передвижных установок, торфяных разработок, угольных шахт и калийных рудников защита от замыканий на землю должна действовать на отключение.
При замыкании фазы на землю через перемежающуюся дугу могут возникнуть резонансные явления и опасные перенапряжения до (2,5 - 3,9)Uф, которые при ослабленной изоляции приводят к ее пробою и короткому замыканию. Поэтому уровень линейной изоляции определяется кратностью резонансных перенапряжений.
Перемежающиеся дуги возникают в сетях при емкостных токах замыкания на землю свыше 10 и 15 А при напряжении соответственно 35 и 20 кВ, свыше 20 и 30 А при напряжении соответственно 6 и 10 кВ.
Для исключения возможности возникновения перемежающихся дуг и устранения связанных с этим опасных последствий для изоляции электрооборудования в нейтраль трехпроводной сети включают индуктивный дугогасящий реактор. Индуктивность реактора подбирают таким образом, чтобы емкостный ток в месте замыкания на землю был возможно меньшим и в то же время обеспечивал работу релейной зашиты, реагирующей на однофазное замыкание на землю.
М. А. Короткевич