Электроснабжение электрифицированных железных дорог - Заземление нейтрали в трехфазных системах

При проектировании и эксплуатации электрических установок учитывают не только условия нормального рабочего режима, но и возможность появления нестационарных режимов работы. Наиболее опасным для электрической установки является короткое замыкание. При изучении режимов короткого замыкания различают системы с изолированной и заземленной нейтралью.
В трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 22, а) каждая фаза обладает относительно земли некоторой емкостью, равномерно распределенной по длине провода (на рис. 22, а эта емкость условно заменена сосредоточенными емкостями). В нормальном режиме работы по проводам протекают одинаковые токи, получившие название зарядных. Геометрическая сумма зарядных токов всех трех фаз равна нулю и ток в земле не протекает. Напряжения фаз сети относительно земли симметричны.

Рис. 22. Трехфазная сеть с изолированной (а) и глухозаземленной (б) нейтралями (311 — заземляющий электрод)
При нарушении изоляции и замыкании на землю,, например фазы С, напряжение ее относительно земли будет равно нулю, а напряжение неповрежденных фаз (по отношению к земле) увеличится и станет равным междуфазному напряжению установки. Емкостные токи фаз А и В также увеличатся. Сумма токов фаз уже не будет равна нулю и в земле через место соединения потечет емкостный ток замыкания на землю, который  больше емкостного тока неповрежденных фаз А к В или больше нормального зарядного тока фазы. Ток  зависит от напряжения и длины линии
(2)
где U — междуфазное напряжение, кВ;
/в, /к — длина электрически связанных воздушных и кабельных линий данного напряжения, км.
В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей токи замыкания на землю оказываются небольшими и нет необходимости мгновенно отключать линию, так как напряжение между фазами остается неизменным и сдвинутым по фазе на угол 120°. Защита в таких установках действует на сигнал, по которому персонал должен обнаружить место однофазного замыкания и устранить его. Работа при таком режиме допускается в течение 2 ч, после чего линия должна быть отключена.
Более длительная работа недопустима, так как при нарушении изоляции другой фазы относительно земли возникает двухфазное короткое замыкание через землю, что может привести к тяжелой аварии. Особенно опасно однофазное замыкание на землю через электрическую дугу, которая периодически гаснет и зажигается вновь (перемежающаяся дуга). Такая дуга может стать источником перенапряжений фаз относительно земли. Перенапряжения в 2,5—3,5 раза выше фазных напряжений, в результате чего возможны пробои изоляции и короткие замыкания в сети.
В СССР с изолированными нейтралями работают установки напряжением до 660 В (кроме установок 220/127, 380/220 В), сети 6 и 10 кВ с током замыкания соответственно 30 и 20А, сети 35 кВ с током не более 10 А. Для устранения перемежающихся дуг искусственно уменьшают ток однофазного замыкания до значения, при котором дуга не может поддерживаться. Достигается это заземлением нейтрали через дугогасящие катушки.
При глухом заземлении нейтрали (рис. 22, б) замыкание одной фазы, например С, на землю приводит к однофазному короткому замыканию, появлению в сети большого тока к.з., который вызывает срабатывание защиты и отключение поврежденного участка сети. Для уменьшения тока однофазного к. з. заземляют нейтрали у части трансформаторов в системе. Однако при этом отключается поврежденная часть сети и прерывается электроснабжение потребителей. Для повышения надежности электроснабжения в сетях с глухозаземленными нейтралями широко применяют автоматическое повторное включение (АПВ) линии и сооружают резервные линии электропередачи. В СССР с глухозаземленными нейтралями работают сети 110, 220 кВ и выше.