Изолированная нейтраль¶

Изолированная нейтраль — это режим электрической сети, при котором нейтральная точка трансформатора или генератора не имеет электрической связи с заземляющим устройством (землёй) или присоединена к нему через устройства с большим сопротивлением (дугогасящие реакторы, резисторы). Данный способ заземления нейтрали применяется в электрических сетях напряжением преимущественно до 35 кВ включительно, а также в некоторых сетях 110 кВ и выше для ограничения токов однофазного замыкания на землю.

¶Основные характеристики

В сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы потенциал нейтрали относительно земли близок к нулю (при симметрии фазных напряжений). При возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) через место повреждения протекает ток, обусловленный ёмкостной проводимостью фаз относительно земли. Величина этого тока зависит от ёмкости сети (длины линий, числа присоединений) и может достигать десятков ампер. При этом напряжение неповреждённых фаз относительно земли возрастает до линейного (в √3 раз), что создаёт повышенные требования к изоляции.

Основным отличием изолированной нейтрали от глухозаземлённой или эффективно заземлённой нейтрали является то, что однофазное замыкание на землю не приводит к аварийному отключению линии — сеть продолжает работать в аварийном режиме в течение ограниченного времени (обычно до 2 часов), необходимого для поиска и устранения повреждения. Это свойство считается преимуществом для сетей с воздушными линиями, где кратковременные замыкания на землю (например, при падении ветки) могут быть самоустраняющимися.

¶История применения

Метод изолированной нейтрали начал применяться в первых электрических сетях переменного тока в конце XIX века. Первоначально все сети малого напряжения (до 1 кВ) и среднего напряжения (6–35 кВ) выполнялись с изолированной нейтралью, так как заземление нейтрали считалось необязательным. Однако с ростом протяжённости линий и увеличением ёмкостных токов замыкания на землю стали возникать проблемы: дуговые перенапряжения, феррорезонансные явления, трудности с обнаружением места повреждения.

В 1910–1920-х годах в СССР и за рубежом начали внедрять компенсацию ёмкостных токов с помощью дугогасящих реакторов (катушек Петерсена), что позволило снизить токи замыкания до безопасных значений и уменьшить вероятность перехода однофазного замыкания в междуфазное. В 1930–1950-х годах для сетей 110 кВ и выше в большинстве стран перешли на эффективное заземление нейтрали, но для распределительных сетей 6–35 кВ изолированная нейтраль (с компенсацией или без) остаётся основным режимом во многих странах, включая Россию.

¶Режимы работы

¶Нормальный режим

При симметричной нагрузке и отсутствии замыканий на землю напряжения фаз относительно земли равны фазным напряжениям (например, 6,35 кВ для сети 10 кВ). Ток через нейтраль отсутствует, так как она не соединена с землёй.

¶Однофазное замыкание на землю

При замыкании одной фазы на землю (например, фазы А) её потенциал становится равным потенциалу земли (0 В). Напряжение неповреждённых фаз (В и С) относительно земли возрастает до линейного (например, 10 кВ для сети 10 кВ). Через место замыкания протекает ёмкостный ток, равный геометрической сумме токов утечки всех трёх фаз. Этот ток может быть рассчитан по формуле: \[ I_з = 3 \cdot \omega \cdot C \cdot U_ф \] где \( \omega \) — угловая частота, \( C \) — ёмкость фазы относительно земли, \( U_ф \) — фазное напряжение.

¶Компенсированная нейтраль

Для снижения тока замыкания на землю нейтраль может быть присоединена к земле через дугогасящий реактор (катушку с регулируемой индуктивностью). При настройке реактора в резонанс с ёмкостью сети (компенсация) ток в месте замыкания становится минимальным (активная составляющая), что облегчает гашение дуги.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Возможность продолжения работы сети при однофазном замыкании на землю без немедленного отключения потребителей.
• Меньшие токи замыкания на землю по сравнению с глухозаземлённой нейтралью (при малой ёмкости сети).
• Снижение опасности поражения людей и животных током при случайном прикосновении к оборванному проводу (при малых токах).
• Упрощение конструкции заземляющих устройств подстанций (не требуется низкоомное заземление нейтрали).

¶Недостатки

• Повышенные требования к изоляции оборудования (должна выдерживать длительное воздействие линейного напряжения).
• Риск дуговых перенапряжений при перемежающихся замыканиях, которые могут достигать 2,5–3,5 кратного значения фазного напряжения и повреждать изоляцию.
• Трудность обнаружения места однофазного замыкания на землю (требуются специальные приборы и методы).
• Возможность развития однофазного замыкания в междуфазное (двойное замыкание на землю) при длительной работе в аварийном режиме.
• Феррорезонансные процессы в трансформаторах напряжения при определённых условиях.

¶Применение

¶Сети 6–35 кВ

В России и странах бывшего СССР изолированная нейтраль (часто с компенсацией ёмкостных токов) является основным режимом для распределительных сетей 6, 10 и 35 кВ. Это связано с большой протяжённостью воздушных линий и необходимостью обеспечения бесперебойного электроснабжения сельскохозяйственных и промышленных потребителей. В городских кабельных сетях 10 кВ также применяется изолированная нейтраль, но при больших ёмкостных токах (более 30–50 А) часто переходят на режим с резистивным заземлением нейтрали.

¶Сети 110 кВ и выше

Для сетей 110 кВ и выше изолированная нейтраль применяется редко, в основном на подстанциях с трансформаторами, работающими в блоке с линией (без сборных шин). В магистральных сетях 220 кВ и выше используется эффективное заземление нейтрали (глухое или через малое сопротивление).

¶Сети до 1 кВ

В сетях напряжением до 1 кВ (например, 380/220 В) изолированная нейтраль применяется в системах IT (фр. isolé terre — изолированная земля) согласно международной классификации. Такие сети используются в медицинских учреждениях (операционные, палаты интенсивной терапии), на взрывоопасных производствах, в шахтах и других местах, где требуется высокая надёжность электроснабжения и безопасность при первом замыкании на землю.

¶Классификация по способу заземления нейтрали

В электроэнергетике различают несколько способов заземления нейтрали, которые определяют поведение сети при аварийных режимах:

• Изолированная нейтраль — нейтраль не соединена с землёй или соединена через большое сопротивление (дугогасящий реактор).
• Глухозаземлённая нейтраль — нейтраль непосредственно соединена с заземляющим устройством (используется в сетях 110 кВ и выше, а также в сетях 380/220 В).
• Эффективно заземлённая нейтраль — нейтраль заземлена через малое сопротивление, обеспечивающее при однофазном замыкании ток, достаточный для срабатывания релейной защиты (применяется в сетях 110–220 кВ).
• Резистивное заземление нейтрали — нейтраль заземлена через резистор (низкоомный или высокоомный), что ограничивает ток замыкания и снижает перенапряжения (используется в кабельных сетях 6–35 кВ).

¶Нормативное регулирование в России

В Российской Федерации режим работы нейтрали в электрических сетях регламентируется «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) и отраслевыми стандартами. Согласно ПУЭ (7-е издание), для сетей 6–35 кВ допускается работа с изолированной нейтралью или с компенсацией ёмкостного тока. При этом для сетей 6 кВ с кабельными линиями и током замыкания на землю более 30 А, а для сетей 10 кВ — более 20 А, рекомендуется применение дугогасящих реакторов. Для сетей 35 кВ компенсация обязательна при токе более 10 А.

¶Интересные факты

• В сетях с изолированной нейтралью при однофазном замыкании на землю напряжение на неповреждённых фазах возрастает до линейного, что может привести к пробою изоляции и развитию аварии. Это явление называется «переход однофазного замыкания в двухфазное».
• В СССР в 1950-х годах проводились эксперименты по переводу сетей 110 кВ на изолированную нейтраль, но от этой практики отказались из-за сложностей с защитой и перенапряжениями.
• В некоторых странах (например, в Германии) для распределительных сетей 10 кВ широко применяется резистивное заземление нейтрали, которое считается более безопасным, чем изолированная нейтраль, так как снижает дуговые перенапряжения.

¶Источники

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание, глава 1.7.
• ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
• Кужеков С.Л., Гончаров С.В. «Режимы заземления нейтрали в электрических сетях 6–35 кВ». — М.: Энергоатомиздат, 2019.
• Бургсдорф В.В. «Заземление нейтрали в электрических сетях». — М.: Госэнергоиздат, 1961.