Основные характеристики систем с разным режимом нейтрали

Нейтраль электрической системы любого назначения может быть изолирована от земли (корпуса судна) или электрически с ней связана. В судовых электрических системах могут быть различные режимы ра­боты нейтрали; при этом различными будут условия электробезопаснос­ти человека, экономичности системы, надежности электроснабжения и пожаробезопасности на судне.

Электробезопасность человека при различных режимах нейтрали следует рассматривать и сопоставлять, оценивая возможную величину тока через человека при прикосновении к голому проводнику одной фазы. Такое прикосновение в условиях эксплуатации судовых электри­ческих установок вполне вероятно, и с ним следует считаться.

Заметим, что одновременно прикосновение к проводам двух фаз ставит человека в значительно более опасные условия, так как независимо от нейтрали ток через тело человека будет определяться линейным напряжением установки. Однако одновременное касание голых проводов двух фаз встречается редко, и было бы несправедливо принимать его за критерий безопасности установки.

Рассмотрим условия безопасности в системе с изолированной ней­тралью.

Прикасаясь к голому проводу одной из фаз трехфазной системы с изолированной нейтралью, человек оказывается подключенным в цепь в которой протекает ток

где Gф — проводимость изоляции каждой из фаз по отношению к корпусу судна;

Gч — проводимость тела человека;

Со — емкость каждой из фаз системы по отношению к корпусу.

Из выражения следует, то ток через тело человека с про­водимостью Gч в системе с изоли­рованной нейтралью определяется Uф Rф и Со. При прочих равных условиях наименьшее значение то­ка I будет при С0=0. С ростом С0 ток I возрастает, следователь­но, опасность поражения растет.

Если емкость сети больше неко­торого предельного значения, кото­рое можно назвать критическим Скр (при U= 220 V f = 50 гц, Сkр = 0,147 мкф), то при любом уровне сопротивления изоляции, измеряемом на постоянном токе, ток I оказывается больше безопас­ного.

Следовательно при С0>Скр повышение уровня сопротивления изоляции электрической системы с изолированной нейтралью не может быть средством, обеспечивающим безопасность человека. Чем больше С0, тем ближе ток I к току через тело человека в системе с глухим заземлением нейтрали. Начиная с С0 = 2—5мкф ток I в системах с изолированной и глухозаземленной нейтралью практически одина­ков. Однако при емкости каждой из фаз С0 < Скр, что может наблю­даться на малотоннажных судах, судовая система с изолированной нейтралью обеспечивает лучшие условия безопасности, и эти усло­вия тем лучше, чем выше сопротивление изоляции каждой из фаз.

На средне- и крупнотоннажных судах современных типов, по дан­ным измерений, С0>Скр, поэтому на таких судах системы с изолированной и заземленной нейтралью обеспечивают практически одинаковые условия электробезопасности. Для эффективного повышения безопасности на судах с С0>Скр следует перейти от си­стем с изолированной нейтралью к системам с нейтралью, заземленной через индуктивность, с тем, чтобы скомпенсировать емкост­ную составляющую тока через тело человека индуктивной составляю­щей. Систему с нейтралью, заземленной через индуктивность, можно назвать компенсированной системой или системой с компенсированной нейтралью,

Снижение тока I путем заземления нейтрали через индуктивность очень значительно, если индуктивность настраивается так, что соблю­даются условия резонанса: индуктивный ток Il равен емкостному току Ic (Il= Iс).

Судовые электрические системы с компенсированной нейтралью при любом практически возможном на судах С0 сохраняют все преиму­щества систем с изолированной нейтралью — в этом их ценная особен­ность.

Важно уяснить, что при полной компенсации емкостной составля­ющей тока утечки индуктивной составляющей ток через тело челове­ка, касающегося одной из фаз компенсированной системы, все же не бу­дет равен нулю: останется нескомпенсированная активная составляю­щая тока Ia. Ее величина определяется величиной потерь в дросселе (индуктивности). Чаще всего преобладает первая составля­ющая; чтобы уменьшить ее, следует сделать все возможное для умень­шения потерь в меди и стали дросселя (индуктивности).

Существенно, что ток Ia также можно скомпенсировать, например, путем автоматического подключения дополнительной емкости в отсутст­вующую фазу. Так, при прикосновении к фазе A, дополнительную емкость следует подключить к фазе В, и т. д. Очевидно, что решение задачи компенсации не только тока Iс, но и тока Ia несколько усложняет схему компенсирующего устрой­ства. Однако для систем с очень большой емкостью (С0>5-6 мкф) уменьшить ток через тело человека до безопасной величины (30 ма и менее) целесообразно за счет компенсации как Iс, так и Ia. Компен­сация Iс и Ia позволяет уменьшить ток через человека практически до нуля, остаются неуравновешенными только высшие гармо­нические составляющие тока через человека.

Итак, исходя из условий электробезопасности для судов с С0<<Скр (малотоннажных), следует применять систему с изолированной нейтралью, а для судов с С0>Скр (средне- и крупнотоннажных)— систему с компенсированной нейтралью. На морских судах современ­ных типов, как правило, С0>>Сkр.

Экономичность решения вопросов электроснабжения на судах су­щественно зависит от режима нейтрали системы лишь в том случае» если при системе с глухим заземлением нейтрали в качестве обратного провода использовать корпус судна. Тогда, за счет применения одно­жильных кабелей вместо двухжильных, однополюсных выключателей— вместо двухполюсных, а также за счет исключения трансформаторов для питания однофазных приемников напряжением 220 или 127 б, по расчетам, можно уменьшить расходы на распределительную сеть на 30-50%. Помимо экономии в весе и стоимости кабеля и транс­форматоров, снижаются расходы на электромонтажные работы и кро­ме того, уменьшаются габариты и вес распределительных устройств очевидно, что экономия тем больше, чем больше на судне однофазных приемников. Так, на пассажир­ских судах возможная экономия выше, чем на судах сухогрузных.

Возможное уменьшение расхо­дов на распределительную сеть — основное преимущество трехфаз­ной системы с глухозаземленной нейтралью.

На судах с С0>Скр переход от режима с изолированной нейтралью к режиму с глухозаземленной ней­тралью практически не изменяет условий электробезопасности, но открывает перспективу уменьше­ния расходов на распределитель­ную сеть.

На судах с С0<Скр переход к системе с глухозаземленной ней­тралью ухудшает условия электро­безопасности. Возможная экономия в стоимости распределительной се­ти при этом едва ли может быть принята во внимание, тем более, что на судах с малым Со протяжен­ность сети мала и, значит, эконо­мия также соответственно мала.

Надежность электроснабжения потребителей на судне существен­но зависит от режима нейтрали су­довой электрической системы.

В системах с изолированной ней­тралью могут быть, как известно, трех- и двухфазные к. з., отключаемые защитой аварийного участка.

При однофазном замыкании на корпус судна в системе с изолирован­ной нейтралью ток повреждения мал, треугольник междуфазных на­пряжений практически не изменяется, приемники продолжают работать нормально. Повреждение может быть исправлено без отключения по­врежденного участка и, следовательно, без перерыва электроснабжения потребителей.

В системе с глухозаземленной нейтралью могут быть не только трех-и двухфазовые к. з., отключаемые защитой аварийного участка, но и однофазные. При однофазных к. з. ток повреждения велик: в некото­рых случаях он может быть больше тока трех- или двухфазного к. з., следовательно, однофазные к. з. также должны отключаться защитой поврежденного участка.

Статистика повреждений не раз устанавливала, что однофазные замыкания на корпус судна встречаются в десятки раз чаще трех- или двухфазных замыканий между токопроводами.

Отключение защитой приемников не только при трех- и двухфазных, но и при однофазных к. з., увеличивает в десятки раз вероятность вне­запного перерыва питания в системах с глухим заземлением нейтрали, уменьшает надежность электроснабжения потребителей, в том числе потребителей, жизненно важных для судна (двигатели рулевой маши­ны, охлаждающие, масляные насосы и др.), требует расширения приме­нения схем с автоматическим вводом резерва.

Как было замечено, в системе с глухим заземлением нейтрали воз­можно использовать два напряжения: линейное и фазное, и, следова­тельно, нет необходимости трансформировать напряжение для питания бытовых потребителей судна, что удешевляет распределительную сеть и уменьшает ее вес. Однако сеть без трансформаторов имеет и свои недостатки: так, например, при повреждении в сетях бытовых потре­бителей остаточное напряжение на шинах ГРЩ в аварийном и послеаварийном. режимах будет меньше, чем в сетях с трансформаторами, возрастет ток утечки и т. д.

В системе с компенсированной нейтралью надежность электроснаб­жения не меньше чем и в системе с изолированной нейтралью.

Пожаробезопасность. Трех- и двухфазные короткие замыкания в судовых системах происходят редко, вероятность их мала. Причем еще меньше вероятно замыкание двух или трех фаз через корпус судна. Сле­довательно, большие аварийные токи через корпус судна в системах с изолированной или компенсированной нейтралью практически никог­да не протекают. Напротив, в системах с глухим заземлением нейтрали большие аварийные токи через корпус судна протекают относительно часто — при каждом однофазном к. з. При этом каждое однофазное к. з. может сопровождаться электрической дугой между фазой и корпусом судна. Возможно образование дуги и в местах плохого контакта на пути тока между местом короткого замыкания и точкой заземления нейтрали источника тока.

Вероятность возникновения пожара в системах с глухим заземлением нейтрали велика, поэтому классификационные общества всех стран исключают применение на танкерах систем с глухим заземлением ней­трали.