ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РАБОТА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электроустановками называется со­вокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансфор­мации, передачи, распределения элект­рической энергии и преобразования ее в другой вид энергии.

Электрическая сеть представляет сово­купность электроустановок, служащих для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций рас­пределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропере­дачи. Работа электроустановки 3-х фазного переменного тока промышленной частоты 50 гц во многом определяется режимом работы нейтралей генераторов или транс­форматоров. Практикуется в основном два вида централей, изолированная нейтраль и заземленная нейтраль.

Изолированная нейтраль - это нейтраль генератора или трансформатора, которая не присоединена к заземляющему устройс­тву или присоединена через устройства с большим электрическим сопротивлением (приборы сигнализации, защиты, дугогасительные реакторы). Заземленная нейтраль - это нейтраль генератора или трансфор­матора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству или через малое электрическое сопротивление. От режима работы нейтралей зависит в значительной степени уровень изоляции электроустановок, выбор коммутационной аппаратуры, величины перенапряжений и способы их ограничения, величины токов однофазных коротких замыканий на землю (корпус), условия работы релейной защиты и т.п.

Замыканием на землю называется слу­чайное соединение находящихся под напря­жением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или непосредственно с землей.

Замыканием на корпус называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с их конструктивными частями, нормально не находящимися под напряжением.

Электроустановки, в которых ток за­мыкания на землю (корпус) не превыша­ет 500 А, считаются электроустановками с малыми токами замыкания на землю. Электроустановки с током замыкания на землю (корпус) более 500 А считаются электроустановками с большими токами замыкания на землю.

С малыми токами однофазного замы­кания на землю (033) работают электроус­тановки напряжением до и выше 1000 В с изолированной нейтралью генератора или трансформатора. Это 3-фазные электроус­тановки с линейным напряжением соответственно 220-380-660 в и 3-35 кВ.

С большими токами замыкания на зем­лю работают электроустановки с заземлен­ной нейтралью (эффективно заземленной нейтралью) напряжением 110 кВ и выше. С заземленной нейтралью работают также 4 проводные 3-фазные электрические сети напряжением до 1000 В, в которых токи 033 могут не иметь больших значений. Это электроустановки напряжением 220/127 В, 380/220 В, 660/380 В.

Однофазные аварийные замыкания на землю (корпус) составляют до 75% от всех видов повреждений в электроустановках.

Режим работы нейтрали в значитель­ной  степени  влияет также  на условия электробезопасности людей. В электроус­тановках с изолированной и заземленной нейтралью применяются разные элект­розащитные мероприятия, которые будут рассмотрены ниже. Электроустановки по условиям электробезопасности разделя­ются на электроустановки напряжением до 1000 В включительно и выше 1000 В.   

а) Электроустановки с изолирован­ной нейтралью.

Рассмотрим работу электрической сети с изолированной нейтралью генератора.

Каждый провод сети с изолированной нейтралью относительно земли обладает определенной величиной сопротивления изоляции, а также определенной величи­ной электрической емкости, т.к. каждый из проводов можно рассматривать, как протяженный конденсатор. На воздушных линиях обкладками конденсатора являются проводник и земля, а диэлектриком воздух; на кабельных линиях обкладками конденса­тора являются жила кабеля и металлическая оболочка кабеля, соединенная с землей, а диэлектриком служит изоляция жил ка­беля. Сопротивление изоляции измеряется в мегаоммах. (1 мОм = 10⁶ Ом); емкость измеряется в микрофарадах (1 мкф = 10^-6 ф). Это означает, что при нормальном режиме работы электроустановки через сопротив­ления изоляции и землю протекают токи утечки, а через конденсаторы на землю протекают токи, называемые емкостными  (I_CO).

В исправной электрической сети гео­метрическая  сумма токов утечки и емкостных токов (т.е. с учетом сдвига фаз в 3- фазной сети на 120°) равна нулю.

Эти токи равномерно распределены по всей длине проводов. При этом между каж­дой фазой сети и землей будет действовать фазное напряжение сети (V_ф= V_л:√3).

Токи утечки можно определить по фор­муле:

I_ут= V_ф : R_из

Например, при V_л = 380 в и R_из = 1 мом ток утечки будет равен:

I_ут= 380 (√3∙1∙10⁶)

Емкостные токи определяются по фор­муле:

I_со= V_ф :X_c = V_ф ∙ 2πfC_o∙10^-6(A)

Их величина зависит от величины на­пряжения электрической сети и протяжен­ности воздушных и кабельных линий.

Приближенно I_со можно определить по следующим формулам:

Ico = (V∙e):350 (A) - для воздушных линий

Ico = (V∙e):10 (A) - для кабельных ли­ний   

где V- линейное напряжение сети (кв)

е - длина сети (км)

При нормальных условиях работы сети токи утечки и емкостные токи невелики и не оказывают влияния на нагрузку генераторов или трансформаторов.

При возникновении замыкания одной из фаз на землю, земля получает потенциал поврежденной фазы, а между исправными фазами и землей будет линейное напря­жение. Под действием этого линейного напряжения через место замыкания и через землю будут протекать токи утечки и ем­костные токи двух исправных фаз.

Ток замыкания на землю возрастает в 3 раза и имеет, как правило, емкостной характер:

 I_c= 3 I_co

Если замыкание на землю неметалли­ческое, то в месте замыкания может воз­никать, так называемая, перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и за­горается при токах 1с более 5-10 А. При этом могут возникать опасные для изоляции электрооборудования перенапряжения от­носительно земли, достигающие величины равной (3-4) V_ф сети, что может привести к пробою изоляции и возникновению 2-фазных коротких замыканий. Опасность дуговых перенапряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения электрической сети, поэтому величина токов замыкания на землю 1с нормируется. В сетях напряже­нием 6 кВ - 1с не должно превышать 30 А, в сетях 10 кВ - не превышать 20 А, в сетях 35 кВ - не превышать 10 А.

С целью уменьшения токов замыка­ния на землю в сетях 3-35 кВ применяют компенсацию емкостных токов замыкания на землю путем заземления нейтралей генераторов или трансформаторов через специальные дугогасящие катушки.

Так как емкостной ток замыкания на землю и индуктивный ток дугогасящей катушки отличаются по фазе на 180°, то в месте замыкания на землю они ком­пенсируют друг друга. В результате ток замыкания на землю не будет превышать 5-10 А, благодаря чему не возникает пе­ремежающаяся дуга.

С точки зрения электробезопасности возникает повышенная опасность для лю­дей, т.к. человек, касающийся неповреж­денной фазы и корпуса, оказывается под действием линейного напряжения.

При однофазных замыканиях на землю не нарушается система межфазных напря­жений, устойчивость работы электрической сети и потребителей, поэтому не требуется немедленное отключение питающих линий энергоснабжения, чтобы не создавать пере­рыва в электроснабжении потребителей.

Исключение составляют электроуста­новки, где требуются повышенные условия электробезопасности (электроустановки торфоразработок, угольных шахт, пере­движные электроустановки). В этих элект­роустановках применяется немедленное от­ключение токов 033. Отключаются релейной защитой также синхронные генераторы и двигатели при внутренних замыканиях обмо­ток статора на корпус при 1О5-10А из-за возможного выгорания железа статора.

В электрических сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания состав­ляют до 63% от всех повреждений.

ПТЭ электроустановок потребителей до­пускают работу электрических питающих сетей с однофазным замыканием на землю в течение 2-х часов с обязательным нахождением и от­ключением поврежденной питающей линии.

В сетях с изолированной нейтралью должен осуществляться непрерывный кон­троль изоляции.

Трехфазная электрическая сеть до 1000 В, которая связана с сетью напря­жением выше 1000 В через понижающий трансформатор должна быть защищена пробивным предохранителем на случай повреждения изоляции между обмотками высшего и низшего напряжения. Пробивной предохранитель устанавливается на нейтра­ли трансформатора или на фазе обмотки низшего напряжения.

Должен предусматриваться контроль за целостностью пробивных предохрани­телей.

б) Электроустановки с эффективно заземленной нейтралью.

В 3-фазных электроустановках напря­жением 110 кВ и выше при нормальном режиме работы между каждым фазным про­водом сети и землей имеет место фазное напряжение электрической сети.

При возникновении замыкания одной из фаз на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника питания, к которому приложено фазное напряжение сети.

При этом токи 033 могут достигать значений в несколько десятков килоампер.

Длительное протекание таких токов может вызвать повреждение электрооборудования, поэтому в этих электроустановках предус­матривается быстрое отключение их уст­ройствами релейной защиты. В этом случае также устраняются перенапряжения, вызыва­емые перемежающимися дугами, (что имеет место в электроустановках с изолированной нейтралью. Недостатком указанных элект­роустановок является возникновение пере­рыва в питании электропотребителей после отключения токов 033, а также значительная стоимость заземляющего устройства, кото­рое согласно ПУЭ, должно обладать весьма малым сопротивлением (R≤0,5ом). 3-фазные четырехпроводные электрические сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В относятся к сетям с занулением, работа которых рассматривается ниже.

в) Электроустановки постоянного тока.

В электроустановках постоянного тока с номинальным напряжением электроприем­ников 110-220-440 В каждый из проводов имеет относительно земли некоторое со­противление изоляции, распределенное по всей его длине. При этом между «плюсовым» и «минусовым» полюсом через сопротивле­ния изоляции проводов и землю образуется электрическая цепь и протекают некоторые токи утечки.

При нормальном режиме работы токи утечки незначительны.

Если сопротивления изоляции каждого из проводов относительно земли одина­ковы, то каждый из проводов будет иметь относительно земли напряжение равное 0,5 V_ном сети. При неодинаковых сопротивле­ниях изоляции относительно земли напря­жения распределяются таким образом, что их сумма будет равна V_ном сети.

При замыкании одного из проводов на землю между землей и другим рабочим проводом возникает напряжение, равное полному напряжению сети.

Это значительно увеличивает опасность поражения человека при касании неповрежденного провода. Режим работы электроус­тановки а этом случае не нарушается, если не применено защитное отключение.

В этих электроустановках должен осу­ществляться непрерывный контроль изо­ляции. В электроустановках, применяемых для систем электрической тяги, приняты следующие величины номинальных напря­жений электроприемников:

Городской наземный транспорт (трам­вай, троллейбус) - 550 В; метрополитен - 750 В;

магистральные и пригородные желез­ные дороги - 3000 В;

промышленный электротранспорт: под­земный - 250 В; наземный -500 В, 1500 В.

На шинах питающих тяговых подстанций номинальные напряжения приняты на 10% выше, чем на токоприемниках подвижного состава.

В тяговых электрических сетях контак­тный провод и контактный рельс на мет­рополитене являются плюсовым полюсом источника постоянного тока, которые изо­лированы от земли с помощью специальных изоляторов, закрепленных на металличес­ких или железобетонных конструкциях опор контактной сети и других сооружениях.

Ходовые рельсы являются минусовым полюсом источника тока. Все металличес­кие части опор контактной сети и других сооружений заземляются на ходовые рель­сы с помощью специальных заземляющих проводников.

В случаях нарушения изоляции кон­тактной сети, обрыва контактной сети, замыкания разнополярных проводов, не­исправности в подвижном составе и т.д. возникают короткие замыкания. Из-за устойчивого горения дуги постоянного тока при коротких замыканиях могут воз­никнуть пережоги контактных проводов, разрушиться токоприемники и другое электрооборудование, возникнуть пожары на подвижном составе, что может вызвать длительный перерыв в движении подвиж­ного состава и угрозу для жизни людей.

Поэтому в системе электрической тяги предусматривается быстрое, надежное, селективное отключение токов короткого замыкания на поврежденных участках кон­тактной сети с помощью быстродействую­щих автоматических выключателей посто­янного тока, имеющих собственное время отключения порядка 0,04-0,05 сек.

Для обеспечения четкого отключения токов короткого замыкания на участках контактной сети должны быть соблюдены условия, при которых токи короткого за­мыкания были бы больше максимальных расчетных токов нагрузки линии и установок зашиты быстродействующих линейных вы­ключателей.

Если указанные условия не выполня­ются, то применяются специальные техни­ческие мероприятия, способствующие на­дежному отключению быстродействующих выключателей. Это позволяет обеспечить также повышенную электробезопасность людей.