СПОСОБ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ
NEUTRAL WIRE EARTHING METHOD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для снижения уровня перенапряжений в электросетях, оснащенных приборами контроля сопротивления изоляции по постоянному току, например в судовых электросетях, электросетях медицинских учреждений, электросетях предприятий горной, нефтедобывающей, сталеплавильной, химической отраслей промышленности.
Известно устройство для глубокого ограничения перенапряжений в распределительном устройстве электросети с изолированной или компенсированной нейтралью (патент РФ №2040841 C1, H02H 9/04, 25.07.1995), пригодное для использования в сетях, оснащенных приборами контроля изоляции, в котором для снижения уровня перенапряжений используется ограничитель перенапряжений нелинейный, отключаемый от сети через некоторое время после возникновения однофазного замыкания.
Недостатком способа, реализуемого при использовании вышеописанного устройства, является его неспособность ограничить перенапряжения при повторных однофазных замыканиях в виде перемежающейся дуги, когда дуга за период промышленной частоты может несколько раз зажигаться и гаснуть, что значительно снижает надежность электросети.
Известно устройство для защиты электрооборудования от перенапряжений (патент на полезную модель РФ №44008 U1, H02H 9/04, 10.02.2005), также пригодное для использования в сетях, оснащенных приборами контроля изоляции, в котором к фазам сети подключаются RC-цепочки, соединенные по схеме звезда с изолированной нейтральной точкой.
К недостаткам способа, реализуемого при помощи этого устройства, можно отнести то, что он способен ограничить только коммутационные перенапряжения на отключаемых участках цепи и не позволяет существенно снизить наиболее опасные для сети дуговые перенапряжения при однофазных замыканиях на землю, воздействующие на фазную изоляцию электрооборудования и в значительной степени определяющие его надежность и безопасность.
N
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ резистивного заземления нейтрали (Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 415 с.), заключающийся в заземлении нейтрали сети через резистор с сопротивлением R, выбираемым по условию
где ω - угловая частота сети,
ф
С - суммарная фазная емкость сети.
Недостаток известного способа заключается в том, что в случае его применения становится невозможным использование средств контроля сопротивления изоляции с целью повышения надежности и безопасности электросети. Непосредственное включение резистора между нейтралью и землей приведет к тому, что средства измерения сопротивления изоляции, действие которых основано на приложении постоянного напряжения между сетью и землей, будут измерять величину сопротивления не изоляции, а резистора, включенного между нейтралью и землей. Поэтому в тех электрических системах, где непрерывный контроль изоляции является обязательным, применение известного способа заземления нейтрали недопустимо.
Изобретение решает задачу повышения надежности и безопасности электросистем с резистивной нейтралью за счет обеспечения непрерывного контроля сопротивления их изоляции.
Для решения поставленной задачи в известном способе заземления нейтрали, заключающемся в ее заземлении через резистор, предлагается между резистором и электрической сетью включать конденсаторы с суммарной емкостью не менее 40 мкФ, а сопротивление резистора выбирать из диапазона 0,25-30 кОм.
При осуществлении способа конденсаторы и резистор могут быть, например, включены между естественной нейтралью электросети и землей последовательно друг с другом или может быть сформирована искусственная нейтраль путем подключения конденсаторов к сети по схеме «звезда», а их общая точка затем присоединена к земле через резистор.
Вариант соединения схемы выбирают исходя из возможности доступа к нейтрали электросети.
Возможность постоянного контроля изоляции обеспечивается тем, что сопротивление устройства заземления нейтрали по постоянному потенциалу равно бесконечности. Это следует из выражения для комплексного сопротивления  устройства заземления нейтрали, которое выглядит следующим образом.
N
где R - сопротивление резистора,
ω - угловая частота, подаваемого сигнала,
С - эквивалентная емкость конденсаторов, включаемых последовательно с заземляющим нейтраль резистором.
Как видно из выражения (2), при частоте ω, равной нулю, сопротивление устройства заземления нейтрали  равно бесконечности, в результате чего обеспечивается развязка электросети и земли по постоянному току, а следовательно, появляется возможность контроля изоляции.
При таком способе заземления нейтрали через резистор ограничение перенапряжений достигается уже не в результате стекания на землю зарядов, накопленных фазными емкостями сети после гашения дуги. Процесс стекания зарядов на землю через резистор становится невозможным из-за включения конденсаторов в нейтраль сети. Ограничение перенапряжения в этом случае достигается за счет воздействия на дуговые и переходные процессы при повторяющихся однофазных замыканиях, осуществляемого соответствующим подбором параметров конденсаторов и резистора, включенных в нейтраль.
см
N
Согласно известным теориям дуговых перенапряжений их максимальные кратности определяются особенностями поведения дуги и переходного процесса после ее гашения. Предлагаемый способ заземления нейтрали изменяет характер восстанавливающегося напряжения на поврежденной фазе после гашения дуги с колебательного на апериодический, что исключает возможность возникновения перемежающейся дуги, являющейся причиной наибольших перенапряжений. К тому же устройство заземления нейтрали участвует в перераспределении суммарного заряда на емкостях сети после гашения дуги, тем самым воздействуя на формирование напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу U, величину, определяющую кратность перенапряжений при повторных замыканиях. В связи с этим параметры устройства заземления нейтрали следует подбирать таким образом, чтобы поведение дуги соответствовало самым низким уровням максимальных кратностей этих перенапряжений. Опытным путем установлено, что наименьшие величины перенапряжений соответствуют сопротивлению резистора R, выбранному из диапазона 0,25-30 кОм, и суммарной емкости конденсаторов С не менее 40 мкФ.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг.1 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети;
на фиг.2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда»;
на фиг.3 - схема физической модели, которая применялась при исследовании параметров электросети с устройством, реализующим предлагаемый способ заземления нейтрали при использовании конденсаторов, включенных в нейтраль сети;
на фиг.4 - схема физической модели, которая применялась при исследовании параметров электросети с устройством, реализующим предлагаемый способ заземления нейтрали при использовании конденсаторов, включенных по схеме «звезда».
На прилагаемых схемах приняты следующие обозначения:
1 - конденсаторы; 2 - резистор; 3 - обмотка электрооборудования; 4 - осциллограф; 5 - устройство контроля изоляции; 6 - фазные емкости сети; 7 - неустойчивый контакт между фазой сети и землей; 8 - нагрузка.
На фиг.1 и 2 изображены варианты схемы устройства, реализующего предлагаемый способ заземления нейтрали. В варианте, изображенном на фиг.1, устройство состоит из последовательно включенных конденсаторов 1 и резистора 2, которые подключаются к нейтральной точке сети, образованной обмотками источника 3. В варианте, изображенном на фиг.2, устройство состоит из конденсаторов 1, соединенных звездой и образующих нейтральную точку сети, резистора 2, включенного между нейтральной точкой емкостных элементов и землей.
см
max
Для определения сочетания емкости конденсаторов 1 и сопротивления резистора 2, позволяющего наиболее значительно снизить максимальные перенапряжения, проводились эксперименты на физической модели электросети. На фиг.3 и 4 изображены схемы физической модели электросетей с подключенными к ним устройствами, реализующими предлагаемый способ. Модели состояли из питающего трансформатора с обмотками 3, устройства заземления нейтрали с элементами 1 и 2, обеспечивающего контроль сопротивления изоляции при помощи устройства 5, и конденсаторов, моделирующих фазные емкости сети 6. В ходе экспериментов создавались неустойчивые замыкания одной из фаз на землю при помощи контакта 7, в результате чего возникало смещение нейтрали по постоянному потенциалу. Величина напряжения смещения нейтрали U позволяет с помощью выражения (3) количественно определять максимальную величину перенапряжения U на здоровых фазах при последующем зажигании дуги.
фm
где U - амплитуда фазного напряжения сети,
з
ψ - момент повторного зажигания дуги,
см
U - напряжение смещения нейтрали по постоянному потенциалу,
з
К - коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды высокочастотных колебаний напряжения из-за их затухания и из-за влияния междуфазной емкости.
см
см
Величина напряжения смещения нейтрали U регистрировалась осциллографом 4. В ходе экспериментов было зарегистрировано более 15000 ее значений для различных сочетаний величин фазных емкостей 6, сопротивления резистора 2 и емкости конденсаторов 1. В результате было установлено, что максимальные напряжения смещения нейтрали U при определенных сочетаниях величин сопротивления резистора и емкости конденсаторов значительно снижаются по сравнению с аналогичной величиной в сети без использования предлагаемого способа заземления нейтрали. В таблице 1 указаны кратности максимальных напряжений смещения нейтрали по постоянному потенциалу после гашения дуги относительно амплитуды фазного напряжения при использовании устройства, схема которого изображена на фиг.1.
см
Из таблицы 1 видно, что наименьшее напряжение смещения нейтрали обеспечивается, если сопротивление резистора находится в диапазоне от 0,25 кОм до 30 кОм, а емкость конденсаторов не менее 40 мкФ. При таком сочетании параметров обеспечивается высокая надежность и безопасность электросети. При емкости менее 40 мкФ, а также при значениях сопротивления, не относящихся к указанному диапазону, напряжение смещения нейтрали U превышает наименьшее значение более чем в три раза, а следовательно, высокая надежность электросети не обеспечивается.
В таблице 2 указаны кратности максимальных напряжений смещения нейтрали по постоянному потенциалу после гашения дуги относительно амплитуды фазного напряжения при использовании устройства, схема которого изображена на фиг.2.
см
Из таблицы 2 видно, что наименьшее напряжение смещения нейтрали U достигается при сопротивлении резистора, находящемся в диапазоне от 0,25 кОм - 30 кОм, и емкости конденсаторов не менее 40 мкФ. При таком сочетании параметров обеспечивается высокая надежность и безопасность электросети. При емкости менее 40 мкФ, а также при значениях сопротивления, не относящихся к указанному диапазону, напряжение смещения нейтрали превышает наименьшее значение более чем в три раза, а следовательно, высокая надежность электросети не обеспечивается.
Примеры реализации способа показаны на фиг.3 и фиг.4, где представлены физические модели схемы сети с подключенными устройствами, реализующими предлагаемый способ заземления нейтрали. Напряжение сети 230 В, фазная емкость 4 мкФ. Для контроля изоляции сети используется прибор «Электрон-1», осуществляющий измерение сопротивления изоляции по постоянному току. Реализация способа заключается в том, что к сети подключается: батарея конденсаторов (ЛСЕ-40с-5.9У1.1) 1 и резистор (ПЭВ-50IV-74) 2 по предложенным схемам. Устройства, реализующие способ заземления нейтрали, имеют следующие параметры.
Для схемы, изображенной на фиг.3, сопротивление резистора - 910 Ом; суммарная емкость конденсаторов - 8×5.9 мкФ.
Для схемы, изображенной на фиг.4, сопротивление резистора - 910 Ом; суммарная емкость конденсаторов - 3×8×5.9 мкФ.
Из фиг.3 и 4 видно, что в нормальном режиме электросеть изолирована от земли по постоянному току, тем самым обеспечивается возможность контроля изоляции. Регистрация перенапряжений при помощи осциллографа 4 показала, что после установки устройств, реализующих способ заземления нейтрали, максимальное значение кратности напряжения смещения нейтрали по постоянному потенциалу относительно амплитуды фазного напряжения составило 0,4 при реализации схемы, изображенной на фиг.3, и 0,37 - при реализации схемы, изображенной на фиг.4.
Таким образом видно, что обе реализованные схемы подключения конденсаторов позволяют получить очень близкие результаты по ограничению напряжения смещения нейтрали и решают поставленную задачу.