Трехфазные электрические сети и их основные параметры

Лекция 8

Источниками питания современных электроустановок обычно являются трёхфазные электрические сети, которые представляют собой совокупность трёх источников напряжения переменного тока с частотой 50 Гц (понижающие трансформаторы или генераторы), обмотки которых соединены по схеме электрической звезды (рис. 4.2,а), и линий электропередач. Общий вывод обмоток (общую точку электрической звезды), называют нейтралью (N) электрической сети, а три других вывода, к которым подключаются проводники линий электропередач, называют фазами (A, B, C). Напряжения переменного тока, генерируемые каждым источником трёхфазной сети, называются фазными напряжениями (Ú_A , Ú_B , Ú_C). Они сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120 электрических градусов (рис. 4.2,б).

Напряжения, действующие между любыми парами фаз электрической сети, называют линейными (Ú_AB, Ú_BC, Ú_CA). При равенстве модулей фазных напряжений (|Ú_A| = |Ú_B| = |Ú_C| = U_ф) равными будут и модули линейных напряжений: |Ú_AB|= |Ú_BC| = |Ú_CA| = U_л = U_ф. Чаще всего имеют дело с линейными напряжениями U_л = 380 В и с фазными U_ф = 220 В.

Линии электропередач в трёхфазных сетях могут быть воздушного или кабельного типа. В том и другом случае проводники электрической сети обладают некоторым активным сопротивлением изоляции и ёмкостью относительно земли: R_A , R_B , R_C, R_N и C_A , C_B , C_C , C_N (рис. 4.3). В дальнейшем с целью упрощения расчётов будем полагать, что R_A = R_B = R_C = R_из , C_A = C_B = C_C = C_ф.

Ёмкость фазного проводника относительно земли зависит от геометрических соотношений (высота подвеса, сечение, размеры), диэлектрических свойств изоляции и её состояния.

Комплексное сопротивление изоляции каждой фазы электрической сети относительно земли определяется как результат параллельного соединения активной (R_из) и ёмкостной (X_ф = 1/ jw C_ф) составляющих: Ź_из = R_из || X_ф = R_из / (1 + jw R_из C_ф). Аналогично определяется сопротивление Ź_N для нейтрали.

Модуль комплексного сопротивления изоляции фазного проводника электрической сети относительно земли определяется по формуле:

где w = 2p f – круговая частота электрической сети;

f = 50 Гц – линейная частота электрической сети.

По действующим нормам в сети с рабочим напряжением до 1000 В активное сопротивление изоляции фаз электрической сети относительно земли на участке между смежными предохранителями или за последним из них должно иметь величину не менее 500 кОм при отключенных потребителях. В разветвлённой электрической сети число таких параллельно подключенных участков может быть достаточно большим. Кроме того, при подключении к сети потребителей сопротивление их изоляции дополнительно уменьшает результирующее сопротивление фаз относительно земли.

Ёмкость фаз относительно земли определяется типом линии (воздушная, проводная, кабельная), её геометрическими параметрами и не может быть уменьшена. Особенно большой ёмкость фаз может быть в кабельных линиях большой протяжённости, при этом соответственно уменьшается величина модуля комплексного сопротивления изоляции фаз и ослабляется её защитное действие.

В зависимости от режима нейтрали различают два наиболее распространённых типа электрических сетей:

• трёхфазная трёхпроводная сеть с изолированной нейтралью (СИН);

• трёхфазная четырёхпроводная сеть с глухозаземлённой нейтралью (СЗН).

Нейтраль в СИН очень хорошо изолирована от земли, поэтому для данного типа сети можно считать, что Z_N = | Ź_N| ® ¥.

Нейтраль в СЗН подключена к специальному заземляющему устройству. Согласно требованиям ПУЭ сопротивление заземления нейтрали R₀ в любое время года не должно превышать 4 Ом для фазных напряжений 220 В, или для линейных напряжений 380 В.

Четвёртый (нейтральный) провод СЗН (N) – подключен к нейтрали и наряду с фазными проводами A, B и C является рабочим проводником электрической сети, т. е. может участвовать в процессе питания потребителей электроэнергии. Нейтральный провод СЗН, так же как и фазные, обладает активной R_N и ёмкостной C_N составляющими сопротивления изоляции относительно земли, включенными параллельно R₀. В этой параллельной цепочке величина R₀ слишком мала по сравнению с двумя другими и, следовательно, результирующее сопротивление изоляции нейтрального провода в СЗН (Z_N) практически определяется лишь величиной R₀, поэтому можно считать, что в СЗН Z_N» R₀.

Таким образом, общую схему трёхфазной электрической сети можно представить, как показано на рис. 4.3, где следует полагать Z_N ® ¥ для случая СИН и Z_N» R₀ для случая СЗН.

В трёхфазной сети различают нормальный (НР) и аварийный (АР) режимы работы. Нормальный режим характеризует исправное состояние электрической сети. При аварийном режиме одна из фаз оказывается замкнутой на землю через сравнительно малое сопротивление замыкания (R_зм ), которое характеризует процесс растекания тока замыкания в грунте в точке максимального потенциала (т. е. непосредственно в точке контакта токоведуших элементов с грунтом). Обычно сопротивление замыкания составляет десятки или сотни Ом и реже – единицы Ом, например, когда провод замыкается на заземлённую металлическую конструкцию или падает в водный бассейн.