Нейтраль трансформатора, назначение заземления нейтрали

Принципы устройства

Трансформатор преобразует (трансформирует) параметры в электрический переменный ток. Это происходит из-за явления электромагнитной индукции. Основными частями устройства являются катушки (обмотки) с проводами и ферромагнитным сердечником.

Ток идет на катушку, и она называется первичной. Вторичных витков может быть 1, 2 и более. Сила снимается с тех, у кого уже изменены свойства.

У повышающего трансформатора на вторичной обмотке больше витков, чем на первичной. При прямой связи индуцированное напряжение увеличивается, а ток уменьшается.

Устройство понижающих трансформаторов различно. Делаются они с точностью до наоборот. У них в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, поэтому индуцированное напряжение уменьшается.

Электроэнергию с высоким напряжением и малым током выгоднее передавать на большие расстояния, так как потери энергии на производство тепла наименьшие.

Вот что они делают. А трансформаторы затем преобразуют ток в нужные параметры.

Способ соединения обмоток трансформатора может быть выбран как «треугольник», «звезда» или «зигзаг». В случае «треугольника» обмотки соединяются последовательно, образуя замкнутый контур. Метод «звезда» предполагает соединение концов фазных обмоток в одну точку. Она называется нулевой точкой (нейтральной.

При «зигзаге» каждая фазная обмотка состоит из 2-х частей на разных полюсах. Соединение 2-х частей происходит друг против друга. Получившиеся три вывода соединяются «звездой».

Соединение звездой используется для высоковольтных трансформаторов. Нейтраль или конец вторичной обмотки заземлены. При объединении в «звезду» фазный провод заземляется.

Применение

Силовые трансформаторы используются для преобразования тока, который передается по электрическим сетям. Такие устройства способны работать с большими усилиями. Они преобразуют напряжение на линиях с 35…750 кВ в напряжение 6 и 10 кВ и затем в 400 В. После этого электроэнергией могут пользоваться потребители бытового уровня.

Трансформаторы тока используются для снижения тока до требуемого значения. Применяются в бесконтактных цепях управления для защиты людей и оборудования от поражения электрическим током.

Трансформаторы тока также используются в измерительных и защитных устройствах, сигнальных цепях и других устройствах.

Особенность трансформатора тока в том, что его вторичная обмотка работает в режиме, близком к короткому замыканию. Если по какой-либо причине цепь на вторичной обмотке разорвется, напряжение на ней возрастает до значительных значений.

Скачок напряжения может привести к повреждению оборудования, подключенного к сети. Следовательно, защитное заземление должно присутствовать.

Также есть трансформаторы напряжения, импульсные трансформаторы, автотрансформаторы, сварочные и другие. Каждый из них имеет свою схему и функции для заземления. Чтобы сделать это правильно, нужно изучить техническую документацию на оборудование.

Зачем заземлять

Заземление нейтрали трансформатора необходимо для создания устойчивой работы электроустановки и безопасности людей, которые могут находиться на подстанции.

Рабочая земля трансформатора является частью защитной. Это означает, что заземление, предназначенное для стабильной работы устройства, также защищает от поражения электрическим током.

Правила электромонтажа требуют, чтобы все силовые трансформаторы были заземлены.

В трансформаторах напряжения заземлен только трансформатор. По правилам устройства электроустановок у трансформатора напряжения вторичную обмотку заземляют путем присоединения общей точки или одного из концов обмотки к заземляющему проводнику.

В трансформаторах тока вторичные обмотки заземлены. Для соединения проводов поставляются специальные зажимы. Обмотки нескольких установок могут быть соединены проводником и подключены к шине.

В электротехнике выделяют понятие сети с эффективно заземленной нейтралью. Это относится к силовому трансформатору, в котором большая часть нейтральных обмоток заземлена (заземление глухой нейтрали).

При однофазном замыкании напряжение на поврежденных фазах не должно превышать в 1,4 раза напряжение на рабочих фазах в нормальных условиях.

Дугогасящие реакторы

В сетях, рассчитанных на 110 кВ и выше, защита обеспечивается глухозаземленной нейтралью. Если сеть рассчитана на 35 кВ и ниже, применяют заземление с изолированной нейтралью. Преимущество изолированной нейтрали заключается в том, что если произойдет замыкание фазы на землю, это не вызовет короткого замыкания.

На трансформаторах с системой изолированной нейтрали устанавливаются легкоцокольные зависимые реакторы. Они компенсируют емкостные токи, возникающие при замыкании на землю.

Дело в том, что вдоль линии электропередачи накапливается электрический заряд (емкостное электричество). И как только происходит обрыв или другое повреждение изоляции, при контакте с землей возникает ток.

Если он достигает 30 А, образуется разрядная дуга. В результате кабель нагревается, изоляция начинает разрушаться, а вместе с ней и жила.

Это явление приводит к двухфазным и трехфазным коротким замыканиям. Срабатывает защита и трансформатор полностью отключается. Сотни и тысячи потребителей электроэнергии остаются без электричества.

Чтобы этого не произошло, установлены реакторы гашения дуги. Через них заземляется нейтраль. При однофазном замыкании на землю увеличивается индуктивность дугового реактора. Индуктивная проводимость компенсирует емкостную проводимость, и электрическая дуга не возникает.

Через дуговые реакторы заземляется нейтраль первичной обмотки одного из трансформаторов в сети, где обмотки соединены по типу звезда-треугольник».

Если произойдет замыкание на землю, благодаря такой системе заземления трансформатор сможет работать еще 2 часа, пока проблемы не будут устранены.

Классификация

ЗОН рассчитан на напряжение 110 кВ, на что указывает соответствующее цифровое обозначение в маркировке. Эти агрегаты различаются по следующим критериям:

• предназначен для трансформаторов с защитой от замыкания на землю или без нее (исполнение I или II),
• эксплуатация в холодном или жарком климате (буквы УХЛ или Т),
• расположение на улице или в помещении (цифра 1 или 3 соответственно).

Модернизированные заземлители выпускаются также с усиленной изоляцией (дополнительное обозначение М или В соответственно).

Условия эксплуатации заземлителей

Заземлители должны эксплуатироваться в условиях, для которых они предназначены, в зависимости от используемого типа. Техническое обслуживание и ремонт необходимо проводить в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации и регламента производителя.

Эти работы должны выполняться с привлечением обученного и аттестованного персонала в соответствии с установленной разрешительной системой.

Перед подключением оборудования к сети необходимо провести следующие проверки:

• чистота и целостность изоляторов;
• плотность резьбовых соединений;
• наличие смазки в соответствующих узлах;
• достаточное контактное давление.

Корректность работы агрегата предварительно проверяется включением и выключением нескольких управляющих выключателей.

Техническое обслуживание включает в себя регулярные осмотры узлов, смазку трущихся деталей, контроль состояния контактов, очистку контактов и других элементов. Периодичность технического обслуживания определяется условиями и интенсивностью эксплуатации, но должна проводиться не реже одного раза в год.

От исправности и технического состояния ЗОНС зависит безопасность обслуживающего персонала и целостность энергетического оборудования.

Заземление нейтрали трансформатора

Используются следующие нейтральные режимы:

• глухозаземленная нейтраль,
• изолированная нейтраль,
• эффективно заземленная нейтраль.

Выбор режима нейтрали в электрических сетях определяется бесперебойностью электроснабжения потребителей, надежностью работы, безопасностью обслуживающего персонала и работоспособностью электроустановок при однофазном замыкании на землю, нарушении симметрии электрической системы:

• меняются фазные напряжения относительно земли, возникают токи замыкания на землю, в сетях возникают перенапряжения.
• Степень изменения симметрии зависит от нейтральной моды.

Глухозаземленная нейтраль

Если нейтраль обмотки трансформатора соединена с заземляющим устройством напрямую или через малое сопротивление, такая нейтраль называется глухозаземленной, а подключенные к ней сети соответственно глухозаземленными.

Изолированная нейтраль

Нейтраль, не подключенная к заземляющему устройству, называется изолированной нейтралью.

Компенсированная нейтраль

Сети, нейтраль которых соединена с заземлителем через реактор (индуктивное сопротивление), компенсирующий емкостной ток сети, называются сетями с резонансно заземленной или компенсированной нейтралью.

Сети, нейтраль которых заземлена через резистор (резистор), называются сетями с резистивно заземленной нейтралью.

Электроустановки в зависимости от мер электробезопасности делятся на 4 группы:

• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю),
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малым током замыкания на землю),
• электроустановки напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью,
• электроустановки до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Режимы нейтрали трехфазных систем

Напряжение, кВ	Нейтральный режим	Примечание
0,23	Глухо заземленная нейтраль	Требования безопасности. Все коробки электрооборудования заземлены
0,4
0,69	Изолированная нейтраль	Для повышения надежности электроснабжения
3.3
6
10
20
35
110	Эффективно заземленная нейтраль	Для уменьшения напряжения разомкнутых фаз по отношению к земле при коротком замыкании фазы на землю и для уменьшения номинального напряжения изоляции
220
330
500
750
1150

Читайте также: О знаках заземления электроустановок: размер значка по ГОСТ и варианты исполнения

Режим работы нейтрали

Нейтральный режим оказывает существенное влияние на режимы работы электроприемников, схемные решения системы электроснабжения, параметры выбранного оборудования.

Назначение заземления нейтрали трансформатора для повышения чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю.

В штатном режиме к нейтрали специального заземляющего трансформатора нейтрали (ТН) подключают высокоомный резистор и, при необходимости, дугогасящий реактор (СГР).

Для обеспечения чувствительности и селективности защиты от ОЗЗ необходимо кратковременно увеличивать ток через устройство защиты. Причина в возможности кратковременного индуктивного заземления нейтрали специальным заземляющим трансформатором нейтрали.

При возникновении ОЗЗ на линии трансформатор замыкается выключателем на сборные шины через 0,5 с.За счет заземления нейтрали создается однофазный ток короткого замыкания, ограниченный индуктивностью КЗ , достаточной для обеспечения чувствительности от замыкания на землю и создания условий для гашения дуги.

Защита работает без выдержки времени отключения линии. Автоматический выключатель размыкается с установленной выдержкой времени. Отключение линии предотвращает двойные замыкания на землю (ДЗЗ) и множественные замыкания на землю (КЗЗ), неизбежные в сетях 6-10 кВ с высокой деградацией кабелей и оборудования.

Такой режим отключения поврежденных кабельных линий уже несколько лет находится в опытной эксплуатации в ОАО «Пятигорские электрические сети». Однако отключение линий возможно только при наличии надежного резерва и в случаях, предусмотренных правилами устройства электроустановок.

Предотвращение перехода СЗЗ в ЭРС или МЗЗ осуществляется резистором Rн (см рисунок 1), подключенным к нейтрали ТГН. В штатном режиме переключатель Q3) в цепи ТЗН отключен. В случае неисправности срабатывает реле контроля изоляции КСВ1 и (или) реле тока КА1, либо блок обнаружения поврежденной фазы (см рис. 1).

После замыкания контактов срабатывает реле времени КТ1, замыкающие контакты которого включают выключатель Q3. Переключатель Q3 шунтирует резистор Rн и ДГР.

Замыкающие контакты реле КТ1 с выдержкой времени 0,3 с выключают выключатель Q3. При замыкании этих контактов срабатывает промежуточное реле KL1. Размыкание контактов реле разрывает цепь КТ1.

Возврат устройства осуществляется оператором с помощью ключа SA. При этом реле К13 замыкает свои контакты в цепи реле КТ1. После выключения выключателя Q3 сеть снова переходит в режим заземленной нейтрали через высокое сопротивление и, при необходимости, через ДГР.

При увеличении тока через реле срабатывает защита от ОЗЗ с воздействием на сигнал с выдержкой времени 0,2 с Срабатывание автоматического выключателя с выдержкой времени 0,2 с Сеть снова переходит в режим с нейтралью заземлен через резистор.

Заземление нейтрали трансформатора 110 кв

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов.

Сети напряжением 35 кВ и ниже работают с изолированной нейтралью или заземлением через дуговые реакторы.
Каждый тип заземления имеет свои преимущества и недостатки.

В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. Небольшой ток течет в месте повреждения из-за емкости двух фаз относительно земли. Значительные емкостные токи обычно полностью или частично компенсируются установкой дугового реактора в трансформатор нейтрали.

Оставшийся малый ток в результате компенсации не способен поддерживать дугу в месте повреждения, поэтому поврежденный участок обычно не выключается автоматически.

Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании дугой могут возникать перенапряжения, распространяющиеся на всю электрически связанную сеть, которая может содержать участки ослабленной изоляции.

Для защиты трансформаторов, работающих в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от действия повышенных напряжений изоляцию их нейтрали выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов.

При таком уровне изоляции не требуется никаких средств защиты нейтрали, за исключением разрядников вентильного типа, подключенных параллельно дуговому реактору.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) идет от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 и распределяется обратно пропорционально сопротивлению ветвей.

Поврежденная часть выводится из строя под действием защиты от замыкания на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухой земли, ток не переходит на однофазное короткое замыкание.

Учитывая тот факт, что однофазное короткое замыкание является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и серьезным видом повреждения, принимаются меры по снижению токов короткого замыкания. Одной из таких мер является частичное заземление нейтрали трансформатора.

Нейтрали автотрансформаторов не заземляют, так как они рассчитаны на работу с обязательным заземлением концов общей обмотки.

Количество заземленных нейтралей на каждом участке сети определяется расчетным путем и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями к релейной защите по поддержанию токов замыкания на землю на определенном уровне, так и обеспечением защиты изоляции заземленных нейтралей от перенапряжений.

Последнее обстоятельство связано с тем, что все трансформаторы 110-220 кВ бытовых установок имеют пониженный уровень изоляции нейтрали. Так, для трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтрали соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением коммутационных аппаратов с классом изоляции 35 кВ со стороны нейтрали.

Трансформаторы 220 кВ также имеют пониженный на один класс уровень изоляции нейтрали. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больше, чем выше класс напряжения трансформатора.

Выбор заданного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обоснован величиной напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном коротком замыкании. И оно может достигать почти 1/3 линейного напряжения (например, для сети 110 кВ действующим значением является около 42 кВ).

Понятно, что изоляция класса 35 кВ к заземленной нейтрали должна быть защищена от перенапряжения. Кроме того, при обрывах фаз (или огораживании) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями.

Достаточно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищены разрядниками 2xРВС-20 с максимальным допустимым действующим напряжением гашения 50 кВ.

Однако практика показывает, что не только кратковременные перенапряжения могут воздействовать на нейтраль трансформаторов. На нейтраль может воздействовать фазное напряжение частоты тока (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), что опасно как для изоляции трансформатора, так и для ОПН в нейтрали.

Такое напряжение может появляться и длительное время (десятки минут) оставаться незамеченным в режимах безфазной коммутации выключателей, разъединителей и отделителей ненагруженных трансформаторов, а также в некоторых аварийных режимах.

Создание внешнего контура

Для создания внешнего контура заземления трансформатора используются вертикальные электроды, соединенные горизонтальными перемычками. Перемычки изготовлены из листовой стали толщиной 4 мм и шириной 40 мм. Электроды втыкаются в землю по периметру трансформатора.

Проверьте удельное сопротивление земли. Оно должно быть не более 100 Ом*м. Исходя из этого, необходимо создать цепь с максимальным сопротивлением 4 Ом.

Если взять круг диаметром 16 м, с условным трансформатором посередине, то для изготовления контура заземления потребуется не менее восьми электродов длиной 5 м.

Они расположены на расстоянии ок. 1 м от фундамента подстанции. Чем ближе бруски к стене, тем лучше. Соединения горизонтальных полос укладывают по краю на глубину 0,5-0,7 м.

Это требование размещения связано с соображениями безопасности. Заземляющий проводник не должен быть поврежден при проведении ремонтно-строительных работ.

Защита от молний

Для выполнения молниезащиты подстанции с металлической кровлей необходимо подключение кровли к внешнему контуру заземления.

Соединение происходит в двух противоположных точках. То есть в одной точке крыша соединяется с внешним контуром, а с противоположной стороны крыша тоже соединяется с контуром. Проводник подключения будет представлять собой провод толщиной 8 мм.

Если крыша не металлическая, поверх нее делается специальный молниеотвод.

Создание внутреннего контура

Трансформаторная подстанция разделена на 3 помещения. Отдельно выделяют помещение для высокого и низкого напряжения – это комнаты подключения (на вход и на выход). А трансформаторная камера поставляется отдельно, непосредственно для трансформатора.

В каждой комнате должна быть проложена земляная полоса. Его крепят к стенам на высоте 0,4…0,6 м для заземления всех металлических частей, не предназначенных для проведения электричества. Для крепления используются дюбели или специальные держатели круглых и плоских заземлителей.

К полосе заземления подключается швеллер, предназначенный для установки трансформатора. Его укладывают в напольное покрытие. Подключаются и другие детали (автоматический мост, металлические элементы ограждения, крепеж, точка подключения выносного заземления). Все металлические опорные конструкции и стальные рамы подключены к системе заземления.

Для разборных соединений используются болты, в остальных случаях элементы свариваются между собой. Для фиксации переносного заземления используйте барашковую гайку с проушинами».

Перемычки выполнены из гибкого медного провода ПВ3. Однако изоляционную оболочку с такого провода необходимо снимать, чтобы можно было контролировать целостность жил.

Заливка в стены осуществляется путем вставки гильз и заполнения свободного пространства негорючим материалом. Полоса окрашена в желтый цвет с зелеными полосами. Этот цвет имеет защитный нулевой провод.

Нейтральная шина подключается к контуру заземления. Корпус трансформатора подключается к цепи перемычками.

При осмотре трансформатора на входе устанавливается защитный барьер и табличка «Осторожно! Высокое напряжение!».