ЗАЩИТА СТАТОРА ГЕНЕРАТОРА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Введение
Как известно, замыкание на землю токоведущих частей электрических установок является преобладающим видом повреждения в сетях всех напряжений, ОЗЗ составляют до 75% от всех видов повреждений в электроустановках.
Причины возникновения замыканий различны, они появляются в следствие электрических и механических повреждений изоляции, дефектах в изоляторах и изоляционных конструкциях, их загрязнения и увлажнения, обрывов тросов и проводов, разрывов токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещении почвы, частичных повреждениях изоляции при монтаже и строительстве, частичных разрядов, резко изменяющих напряженность электрического поля на границах между элементами изолирующих конструкций, а также в результате воздействия грозовых и внутренних перенапряжений.
Основной особенностью замыканий фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью является тот факт, что оно не приводит к короткому замыканию, так как в этом случае ЭДС поврежденной фазы не шунтируется накоротко, а лишь закорачивается емкостью (фаза – земля) этой фазы. Возникающий при этом в месте повреждения ток замыкается через емкость проводов "здоровых" фаз относительно земли и имеет небольшую величину (до нескольких десятков ампер). Снижения линейного напряжения в сети не происходит, в связи с чем однофазное замыкание на землю не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генераторов, а значит, в отличие от КЗ, замыкание на землю не требует немедленной ликвидации.
Однако, стоит отметить, что при этом фазное напряжение "здоровых" фаз относительно земли повышается до междуфазного и создаются опасные условия для эксплуатации изоляции. Также в связи с повышением напряжения возникает риск перехода относительно безопасного однофазного замыкания в более разрешительное междуфазное КЗ.
Многие специалисты-практики, работающие на предприятиях, сообщают о значительном количестве повреждений на двигателях, трансформаторах и генераторах, связанных с их заводским браком, при этом с годами ситуация не улучшается. Отмечают значительные затраты, связанные с их ремонтом и простоем соответствующих механизмов. При этом подчёркивают, что устройства отключаются защитами от междуфазных КЗ.
Создать селективную, высокочувствительную и в тоже время универсальную защиту от ОЗЗ, пригодную для любых видов сетей с малым током замыкания на землю, до настоящего времени не удалось никому. Действительно, трудно создать такую защиту от ОЗЗ учитывая все многообразие различных типов электроустановок, режимов заземления нейтральных точек сети и их параметров.
Параметры сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме
В нормальном режиме (рисунок 1) напряжения фаз А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U A, U B, U C, которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания Е A, Е B, Е C:
U A= U N+ E A
U B= U N+ E B (1.1)
U C= U N+ E C,
где U N – напряжение на нейтрали по отношению к земле (напряжение смещения нейтрали).
Рисунок 1 – Схема генератора с изолированной нейтралью в нормальном режиме
Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду, а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали отсутствует: U N = 0.
Очевидно, что в данном режиме нет повода для срабатывания защиты от ОЗЗ, однако следует учитывать, что в реальной сети присутствуют разного рода небалансы, благодаря которым в неповрежденной сети появляются сигналы, которые могут быть восприняты защитами как признак возникновения ОЗЗ.
Напряжения сети при металлическом однофазном замыкании фазы А на землю
При однофазном замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью (Рисунок 2) аварийного отключения поврежденного фидера не происходит, так как линейные напряжения остаются такими же, как и до замыкания. Напряжение нейтрали в момент возникновения однофазного замыкании на землю становится равным по величине и противоположным по фазе напряжению поврежденной фазы:
U0= 
Рисунок 2 – Схема генератора с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю фазы А
На поврежденной фазе появляется напряжение нулевой последовательности:
3 U 0= U (1)A+ U (1)B+ U (1)C= U BA+ U CA=‒3 E A=3 U N (1.3)
Данную зависимость можно наглядно наблюдать на рисунке 3:
Рисунок 3 ‒ Векторные диаграммы фазных токов и напряжений при замыкании одной фазы на землю
Напряжения фаз по отношению к земле находятся из (1.1), с учетом (1.2):
U (1)A=‒ E A+ E A=0
U (1)B=‒ E A+ E B= E BA= U BA (1.4)
U (1)C= ‒ E A+ E C= E CA= U CA