Як працює мережа трифазного струму з ізольованою нейтраллю

Електронні мережі можуть працювати з заземленою або ізольованою нейтраллю трансформаторів і генераторів. Мережі 6, 10 і 35 кВ працюють з ізольованою нейтраллю трансформаторів. Мережі 660, 380 і 220 В можуть працювати як з ізольованою, так і з заземленою нейтраллю. Найбільш поширені чотирипровідні мережі 380/220, які відповідно до вимог правил улаштування електроустановок (ПУЕ) зобов`язані мати заземлену нейтраль.

Розглянемо мережі з ізольованою нейтраллю. На малюнку 1, а зображена схема такої мережі трифазного струму. Обмотка зображена з`єднаної в зірку, але все сказане нижче відноситься також і до випадку з`єднання вторинної обмотки в трикутник.

Мал. 1. Схема мережі трифазного струму з ізольованою нейтраллю (а). Замикання на землю в мережі з ізольованою нейтраллю (б).

Начебто хороша не була в цілому ізоляція струмоведучих частин мережі від землі, все таки провідники мережі мають завжди зв`язок з землею. Зв`язок цей двоїстого роду.

1. Ізоляція струмоведучих частин має певний опір (або провідність) по відношенню до землі, зазвичай виражається в Мегом. Це означає, що через ізоляцію провідників і землю проходить струм не якої величини. При непоганий ізоляції цей струм дуже малий.

Припустимо, наприклад, що між провідником однієї фази мережі і землею напруга дорівнює 220 В, а виміряний мегомметром опір ізоляції цього проводу дорівнює 0,5 МОм. Це означає, що струм на землю 220 цієї фази дорівнює 220 / (0,5 х 1000000) = 0,00044 А або 0,44 мА. Цей струм називається струмом витоку.

Умовно для наочності на схемі опору ізоляції 3-х фаз r1, r2, r3 зображуються у вигляді опорів, приєднаних кожне до однієї точки проводу. По суті струми витоку в справної мережі розподіляються рівномірно по всій довжині проводів, в кожній ділянці мережі вони замикаються через землю і їх сума (геометрична, т. Е. З урахуванням зсуву фаз) дорівнює нулю.

2. Зв`язок другого роду з`являється ємністю про водників мережі по відношенню до землі. Як це усвідомлювати?

Кожен провідник мережі та землю можна уявити для себе як дві обкладки протяжного конденсатора. У повітряних лініях провідник і земля - ​​це начебто обкладання конденсатора, а повітря між ними - діелектрик. У кабельних лініях обкладками конденсатора є жила кабелю і залізна оболонка, поєднана з землею, а діелектриком - ізоляція.

При змінній напрузі зміна зарядів конденсаторів викликає поява і проходження через конденсатори змінних струмів. Ці так звані ємнісні струми в справної мережі рівномірно розподілені по довжині проводів і в кожному окремо взятому ділянці також замикаються через землю. На рис. 1, а опору ємностей 3-х фаз на землю х1, х2, х3 умовно показані приєднаними кожне до однієї точки мережі. Чим більше довжина мережі, тим більший величину мають струми витоку і ємнісні струми.

Подивимося, що все-таки відбудеться в зображеної на малюнку 1, а мережі, якщо в одній з фаз (наприклад, А) відбудеться замикання на землю, т. Е. Провід цієї фази буде з`єднаний з землею через відносно маленький опір. Такий випадок зображений на малюнку 1, б. Так як опір між проводом фази А і землею мало, опору витоку і ємності на землю цієї фази шунтуються опором замикання на землю. Зараз під впливом лінійної напруги мережі UB через місце замикання і землю будуть проходити струми витоку і ємнісні струми 2-ух справних фаз. Шляхи проходження струму показано стрілочками нижче.

Замикання, показане на малюнку 1, б, іменується однофазовий замиканням на землю, а що виникає при цьому аварійний струм - струмом однофазового замикання.

Уявімо собі зараз, що однофазовий замикання внаслідок пошкодження ізоляції вийшло не конкретно на землю, а на корпус будь-якого електроприймача - електродвигуна, електронного апарату, або на залізну конструкцію, по якій прокладені електронні дроти (рис. 2). Таке замикання іменується замиканням на корпус. Якщо при цьому корпус електроприймача або конструкція не мають зв`язку з землею, тоді вони отримують потенціал фази мережі або близький до нього.

Мал. 2. Замикання на корпус в мережі з ізольованою нейтраллю

Дотик до корпусу рівносильно дотику до фази. Через людське тіло, його взуття, підлогу, землю, опору витоку і ємнісні опору справних фаз з`являється замкнута ланцюг (для простоти на рис. 2 ємнісні опору не показані).

Струм в цьому ланцюзі замикання залежить від її опору і може завдати людині важкої поразки або виявитися для нього смертельним.

Мал. 3. Дотик людини до провідника в мережі з ізольованою нейтраллю при наявності в мережі замикання на землю

Зі сказаного випливає, що для проходження струму через землю потрібно наявність замкненого кола (час від часу уявляють собі, що струм «йде в землю» - це помилково). У мережах з ізольованою нейтраллю напругою до 1000 В струми витоку і ємнісні струми зазвичай невеликі. Вони залежать від стану ізоляції і довжини мережі. Навіть у розгалуженій мережі вони знаходяться в межах декількох ампер і нижче. Тому ці струми, звичайно, недостатні для розплавлення плавких вставок або відключення автоматичних вимикачів.

При напрузі вище 1000 В основне значення мають ємнісні струми, вони здатні досягати декількох 10-ов ампер (якщо не передбачено їх компенсація). Але в цих мережах відключення пошкоджених ділянок при однофазних замиканнях зазвичай не застосовується, щоб не створювати перерв в електропостачанні.

Таким чином, в мережі з ізольованою нейтраллю при наявності однофазового замикання (про що говорять прилади контролю ізоляції) продовжують працювати електроприймачі. Це може бути, тому що при однофазних замиканнях лінійне (міжфазова) напруга не змінюється і все електроприймачі отримують енергію безперебійно. Але при будь-якому однофазовий замиканні в мережі з ізольованою нейтраллю напруги непошкоджених фаз по відношенню до землі ростуть до лінійних, а це сприяє появі другого замикання на землю в іншій фазі. Утворене подвійне замикання на землю робить серйозну загрозу для людей. Отже, будь-яка мережа з наявністю в ній однофазового замикання повинна розглядатися як що знаходиться в аварійному стані, тому що загальні умови безпеки при такому стані мережі різко погіршуються.

Так, наявність «землі» нарощує небезпека ураження електричним струмом при дотику до частин, що знаходяться під напругою. Це видно, наприклад, з рисунку 3, де показано проходження струму ураження при випадковому дотику до струмоведучих проводів фази А і неустраненной «землі» в фазі С. Людина при цьому виявляється під впливом лінійної напруги мережі. Тому однофазовий замикання на землю або на корпус повинні усуватися в найкоротші терміни.