РОЗДІЛ 3. ТЕХНІЧНІ АСПЕКТИ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ

___________________________________________________________________

“Сучасний інтелектуал прагне неперервно самовдосконалюватися, проте досягнути максимального креативного, морального та духовного досвіду йому заважає обмеженість у часі життя”

(М.П. Костюченко)

3.1.Електроенергетичні системи, електричні мережі й електроустановки трифазного струму

________________________________________________________________________

Електроенергетична система (ЕЕС).Система електропостачання. Електрична мережа: суть, типи.

Лінії електропередавання (ЛЕП). Повітряні та кабельні ЛЕП. Принципіальна схема передачі змінного струму від генератора (Г) до споживачів.

Електроустановки: суть, типи.

Електрообладнання: означення, конструктивні елементи. Електротехнічний пристрій. Приймач електричної енергії (електроприймач): суть, категорії.

Поняття силових трансформаторів (СТ): суть, типи. Схеми з’єднання обмоток трансформатора. Нейтральна точка СТ. Групи з’єднання обмоток трифазних трансформаторів.

Нейтраль вторинної обмотки СТ: суть, глухозаземлена нейтраль, ефективно заземлена нейтраль, компенсована нейтраль.

Реактори: суть, шунтувальні реактори, заземлювальні реактори.

____________________________________________________________________________________

Відповідно ПУЕ,ПТЕ і ПБЕ[42; 44; 45] та інших джерел розглянемо ряд понять, на яких базується технічна сторона теоретичних засад електробезпеки.

Енергетична система (енергосистема) – сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, з’єднаних між собою і зв’язаних спільністю режиму в неперервному процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної енергії і теплоти при загальному управлінні цим режимом.

Електроенергія виробляється переважнона гідравлічних, теплових і атомних електростанціях. Гідрогенератори і турбогенератори електростанцій генерують номінальну напругу від 6,3 до 30 кВ [62]. При потужності турбогенераторів, рівній сотням мегават, величина струму досягає десятки тисяч ампер. Передача таких струмів на великі відстані практично неможлива у зв’язку з істотними втратами електричної енергії, які прямо пропорційні квадрату сили струму (закон Джоуля-Ленца) та необхідністю використання проводів великих поперечних перерізів.

Головним засобом передачі електроенергії є підвищення пропускної здатності ліній електропередачі (ЛЕП), що досягається зростанням напруги. Підвищувальні трансформатори на електростанціях перетворюють електроенергію на відносно вищі напруги, аніж генераторні напруги. Як відомо з курсу фізики, зі збільшенням напруги на трансформаторі зменшується сила струму. Тому “підвищення напруги лінії електропередачі до 110 кВ дозволяє в схемі електропередачі в 500 раз зменшити величину струму в лінії порівняно зі струмом, що протікає в навантаження ”[5, с. 237].

Лінія електропередачі (ЛЕП) – елемент електропостачальної системи, призначений для передавання та розподілу електричної енергії напругою до і понад 1 кВ без зміни її параметрів. Лінії електропередачі поділяються на кабельні та повітряні.

Кабельний виріб– електричний виріб, який вирізняється гнучкістю та призначений для передачі по ньому електричної енергії, електричних сигналів інформації [59].

Повітряна лінія електропередачі (ПЛ) – пристрій для передачі електроенергії по проводам, які розташовані відкрито і прикріплюються за допомогою ізоляторів й арматури до опор або кронштейнів і стояків на інженерних спорудах (мостах, шляхопроводах тощо).

Електричною частиною енергосистеми називається сукупність електроустановок електричних станцій і електричних мереж енергосистеми.

Електроенергетична система (ЕЕС)– електрична частина енергосистеми і приймачів електричної енергії, які від неї живляться, об’єднаних спільністю процесу виробництва (генератори електростанцій), перетворення (силові трансформатори), передачі (лінії електропередачі), розподілу (розподільні пристрої) та споживання електричної енергії (електродвигуни, електричні джерела світла, електротермічне обладнання тощо).

Електропостачання– забезпечення споживачів електричною енергією.Вказане забезпечення реалізується за допомогою електричної мережі та ліній електропередачі.

Системою електропостачання називається сукупність електроустановок, призначених для забезпечення споживачів електричною енергією.У ПТЕ наводиться визначення: електрична мережа – сукупність електроустановок для передачі та розподілу електричної енергії.

Електрична мережа складається із підстанцій, розподільчих пристроїв (РП), струмопроводів, кабельних і повітряних ліній електропередачі (ЛЕП), які функціонують на певній території.

Електричні мережі прийнято підрозділяти на такі типи [62]: мережі низької напруги (НН) (до 1 кВ); мережі середньої напруги (СН) (3 – 35; 66 кВ); мережі високої напруги (ВН) (110 – 220 кВ); мережі надвисокої напруги (НВН) (330 –750 кВ); мережі ультрависокої напруги (УВН) (понад 1000 кВ).

Мережі бувають постійного струму, однофазного і трифазного змінного струмів, внутрішні та зовнішні. Внутрішні мережі прокладають усередині приміщень ізольованими проводами відкритим і захованим способами. Зовнішні мережі, як і ЛЕП, бувають кабельними (підземними) і повітряними. Повітряні лінії та мережі високої напруги виконують, як правило, з голих сталеалюмінієвих проводів, які закріплюють на штирових ізоляторах (лінії до 35 кВ) або на гірляндах підвісних ізоляторів, які в свою чергу закріплюють на дерев’яних (лінії до 35 кВ) або на металевих опорах на бетонному фундаменті (лінії понад 35 кВ).

Зазначимо, що в основах електробезпеки розглядають спрощену структуру трифазної електричної мережі, яка схематично складається з джерела живлення – вторинної обмотки понижувального трансформатора. Ця мережа має визначену схему з’єднання (“зірка”, “трикутник”, “зигзаг” тощо), а також проводів лінії електропередачі, до яких може бути приєднаний певний електротехнічний пристрій (приймач або споживач електричної енергії), що використовує електричну енергію для виконання певної функції, тобто для перетворення електричної енергії в інший вид енергії (кінетичну, теплову, хімічну тощо) [59]. Роль електротехнічного пристрою може відігравати певний електротехнічний виріб (наприклад, електродвигун) або сукупність взаємопов’язаних електротехнічних виробів (електрообладнання), яке має виробниче або побутове призначення.

Приймач електричної енергії (електроприймач) – пристрій, в якому електрична енергія перетворюється на інший вид енергії для її використання. Більш конкретно, електроприймач –це апарат, агрегат, механізм чи пристрій, який призначений для перетворення електричної енергії в інший вид енергії (теплову, механічну, хімічну тощо) з метою її використання. 

У відношенні забезпечення надійності електропостачанняелектроприймачі поділяються на три категорії:

1. Електроприймачі I категорії– особлива група електроприймачів, які забезпечуються електроенергією від двох (трьох) незалежних взаємно резервованих джерел живлення, які не допускають перериву електропостачання, яке може спричинити за собою небезпеку для життя людей, значний збиток виробництву, пошкодження багатовартісного основного обладнання, розладнання складного технологічного процесу, масовий брак продукції.

2. Електроприймачі II категорії– електроприймачі, які забезпечуються електроенергією від двох незалежних взаємно резервованих джерел живлення, в яких допустимі перериви електропостачання на проміжок часу, необхідного для включення резервного живлення, а перерив електропостачання в яких може призвести до масового недовипуску продукції, масовим простоям обладнання, порушенню нормальної життєдіяльності значної кількості міських і сільських мешканців.

3. Електроприймачі III категорії– електроприймачі, які забезпечуються електроенергією від одного джерела живлення при умові, що перериви електропостачання необхідні для ремонту або заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, не перевищують 1 доби.

Генератори електростанцій передають до приймачів як активну, так і реактивну енергію. Активний струм використовується для виконання корисної роботи, а реактивний – для створення електромагнітних полів. Розглянемо мережу однофазного змінного струму.

Далі розглянемо фізичні процеси в електроприймачах однофазного змінного струму. Цей матеріал відомий студентам електроенергетичних спеціальностей, тому подається з метою повторення.

В активних приймачах електричної енергії коливання напруги u = U_msinwtта струмуiзбігаються за фазою (вектор напруги на активному опоріRзбігається за фазою зі струмом ):

                                   i = u / R = U_m/ R×sinwt = I_m×sinwt,                                            (3.1)

де амплітудне значення струму I_m= U_m/ R, а діюче значення струму I = I_m/  = U_m/ (R ) = U / R, тобто закон Ома для кола з активним опором справедливий не тільки для миттєвих значень (i = u / R), але й для діючих значень:

                                                       I = U / R                                                                (3.2)

Активна потужністьPзнаходиться як середнє значення миттєвоїпотужностіp = i×u= I_mU_m×sin²wt =UI×(1–cos 2wt) за періодT, тобто:

    P = (1/ T) × = (1/ T) × = U×I = (IR) ×I = I²×R, Вт.             (3.3)

Як бачимо, миттєва потужність pна активному опорі Rпульсує з подвійною частотою(p= U×I (1 –cos 2wt), тобто двічі за період досягає свого максимального значення в позитивній координатній площині (p, wt).

Таким чином, в колі з активним опором енергія електричного струму

                                    E = P×t = I U ×t = I² ×R×t, кВт×год                                             (3.4)

весь час поступає із мережі до споживача та необоротно перетворюється в ньому в теплову енергію (термічні печі, електронагрівальні плитки, праски тощо), механічну енергію (повністю завантажені електродвигуни тощо), променеву та теплову енергію (освітлювальні лампи), яка розсіюється в зовнішньому середовищі. 

Якщо в колі змінного струму є тільки індуктивний елемент (обмотка електричної машини, трансформатора, котушка електромагнітного реле, контактора тощо, то виникає електрорушійна сила (е.р.с.) самоіндукції e_L, яка згідно з законом Ленца, перешкоджає будь-якій зміні струму, тобто за другим законом Кірхгофа:

                                                       e_L = – u.                                                                (3.5)

Підставляючи (3.1) в формулу

                                                  e_L = – L×di / dt                                                           (3.6)

і виконуючи операцію диференціювання, будемо мати:

                                         u = u_L = U_m× sin (wt + p/2),                                                  (3.7)

де U_m= wLI_m.

Вираз (3.7) показує, що діюча напруга на індуктивності випереджує вектор сили струму  на кут p/2. Звідси маємоU = wLI, враховуючи, що U_m/ = U, I_m/ = I,отримуємо:

                                                     I = U / X_L ,                                                              (3.8)

де X_L = wL – індуктивний опір при круговій частоті струму w = 2pf, L – індуктивність обмотки (котушки), f = 50 Гц.

Отже, в колі з індуктивністю (реактивним елементом)вектор прикладеної напруги урівноважується вектором е.р.с. самоіндукції і випереджує вектор сили струму  на кут p/2. Миттєва потужністьq_Lпісля типових тригонометричних перетворень буде мати вигляд:

                q_L = i u_L = I_m × sin wt × U_m× sin (wt + p/2) = I × U_L× sin 2wt.                          (3.9)

Це означає, що електрична потужність також пульсує з подвійною частотою, як і при активному опорі. Проте, на відміну від кола з активним опором, при індуктивності миттєва потужність двічі за період змінює знак, тобто перекачується з мережі в котушку (обмотку) і навпаки. Формально це означає, що середнє значення потужності

                      Q_Lср = (1/ T) × = (1/ T) ×  = 0                             (3.10)

і корисна робота не виконується (А = Q_L×t = 0).

Таким чином,з врахуванням (3.9) і за умови sin 2wt = 1, максимальна миттєва потужність на індуктивності, тобто реактивно-індуктивна потужність визначається так :

                                       Q_L= IU_L = I× IX_L= I²×wL, вар                                              (3.11)

Ця потужність перетворюється в енергію магнітного поля E_L в котушці або в обмотках електродвигуна, трансформатора, магнітного пускача тощо:

                            E_L = Е_М = .                                   (3.12)

У першу четверть періоду (Т/4) енергія перекачується з мережі в котушку (обмотку), накопичується в ній у вигляді магнітного поля, а в наступну четверть періоду енергія магнітного поля повертається в мережу. Реактивна потужність не виконує ніякої корисної роботи, проте вона чинить суттєвий негативний вплив на режим роботи електричної мережі, зокрема нагріває резистивні елементи електричного кола. Зауважимо, що індукційний струм, що виникає внаслідок самоіндукції, за правилом Ленца протидіє змінам струму в колі, уповільнюючи його зростання або зменшення. Індуктивність контуру з котушкою є мірою його інертності по відношенню до змін струму.

Розглянемо коло з реактивним елементом – ємністю С. Для незмінного заряду qконденсатора та напруги на ньому U маємо С = q / U. Для змінного струму i = I_m×sinwt, де i = dq / dt, С = dq / du. Звідси du = (I_m / С) ×sinwtdt. Миттєве значення напруги на конденсаторі визначається інтегруванням:

                          u_C = (I_m / С) = I_msin (wt–p/2).                                 (3.13)

Звідси максимальне значення напруги на конденсаторі U_Cm = I_m/ (wС),або через діючі значення:

                                                     I = U / X_С ,                                                            (3.14)

де ємнісний опір X_С = 1 / (wС).

Миттєва ємнісна потужність

                  q_С= i u_С =I_m × sin wt × I_msin (wt–p/2) =–Q_m×sin2wt,                         (3.15)

де Q_m=  , тобто миттєва потужність на конденсаторі коливається з подвійною частотою. Звідси діюче значення реактивно-ємнісної потужності

                                               Q_C = I² / (wC), вар                                                      (3.16)

Тоді середнє значення потужності за період

                                   Q_Cср = = 0                                          (3.17)

Це означає, що й витрати енергії за період також дорівнюють нулю. Відбуваються обмін енергією між джерелом і конденсатором з подвійною частотою (енергія накопичується в електричному полі ємності в першу четверть періоду, а потім повертається в мережу у другу четверть періоду). Проте на відміну від котушки індуктивності, конденсатор відіграє роль інерційного елементу: коливання напруги на конденсаторі відстають від коливань струму  на кут p/2. Величина енергії електричного поля , яка зосереджується в конденсаторі, визначається так:

                         E_С = =                                  (3.18)

І, нарешті, розглянемо випадок, близький до реального, а саме послідовне з’єднання активного опору, індуктивності та ємності в колі змінного струму (рис. 3.2, а). З врахуванням вище викладеного, діюче значення результуючої напруги  визначається векторною сумою:

                                              = + +                                                     (3.19)

На векторній діаграмі (рис. 3.2, б) вектор результуючої напруги  випереджує вектор діючого значення струму на кут j – кут зсуву фаз між фазною напругою і відповідним йому фазним струмом. За теоремою Піфагора знайдемо діюче значення напруги U = = = , звідси маємо закон Ома для послідовного кола:

,                                    (3.20)

де Z =  = – повний опір кола.

Зазначимо, що на відміну від електроприймача, споживач електричної енергії – юридична або фізична особа, що використовує електричну енергію для забезпечення потреб власних електроустановок на підставі договору [44].

Елементи електроенергетичної системи мають назву “електроустановки”. Термін “електроустановка”є узагальненим поняттям, що відображає такі технічні об’єкти, як електричні мережі, трансформатори, електрообладнання, електричні машини (генератори, електродвигуни), електричні апарати, електровимірювальні пристрої тощо.

 Електроустановки класифікуються так:

1. Відкриті або зовнішні електроустановки – електроустановки, не захищених будівлею від атмосферних впливів (сюди відносяться електроустановки, які захищені тільки накриття, сітчасті огорожі тощо).

2. Закриті або внутрішніелектроустановки – електроустановки, розміщені всередині будинку, що захищає їх від атмосферних впливів.

3. Електроустановки до 1кВ і електроустановки понад 1кВ – електроустановки за діючим значенням напруги відповідно U<1000 В іU³1000 В.Зокрема електроустановки малої напруги U£50 В.

4. Електроустановки промислові та електроустановки побутові.

5. Електроустановки з малими струмами замикання на землю (I_з.з. £500А) і електроустановки з великими струмами замикання на землю (I_з.з. >500А).

Відповідно до Правил безпечної експлуатаціїелектроустановок споживачів [42], електрообладнання–це

– пристрої, в яких виробляється, трансформується, перетворюється, розподіляється електроенергія;

–  комутаційні апарати в розподільчих пристроях (РП) електроустановок;

–  всі види захисту електроустановок.

Розглянемо конструктивні елементи електрообладнання.

Джерело живлення (генератор електростанції, вторинна обмотка силового трансформатора) і трифазний приймач електричної енергії (електродвигун, електроплита тощо) мають нейтральні точки.

Нейтральна точка (“нейтраль”) обмотки джерела або приймача електричної енергії, “…є точка, напруга якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки одинакові за абсолютним значенням” [15, с. 159]. Зокрема, нейтраль – загальна точка обмоток фаз трифазного трансформатора, з’єднаних в “зірку” або в “зигзаг”, або заземлена точка однофазної системи (рис. 3.3).

Заземлена нейтральна точка має назву нульової точки, зважаючи на те, що на неї подається нульовий потенціал землі.

Заземлений режим нейтралі застосовують для силових трансформаторів класу напруги 110, 220, 330, 500, 660, 750, 1150 кВ. При цьому схема і група з’єднання двообмоткових трансформаторів така Y_н / D -11, а триобмоткових –Y_н / D / D -11-11, Y_н / Y_н / D- 0-11, Y_н / Y / D- 0-11, де знак Y_н позначає з’єднання кінців первинної обмотки за схемою “зірка” з виведеною нейтральною точкою, D– з’єднання кінців вторинної обмотки за схемою “трикутник”, Y– за схемою “зірка”.

 Зазначимо, що трансформаторів невеликої потужності напругою 10 / 0,4 і 6 / 0,4 кВ застосовують групи сполучення обмоток Y / Y_н . З’єднувати обмотки зіркою слід при високих напругах, оскільки фазна напругаU_фв менша за лінійну U_л (U_л= U_ф), що дає змогу зменшити вимоги до ізоляції обмотки.

 З’єднання трикутником застосовують при відносно низьких напругах і великих струмах, що дає змогу зменшити переріз проводів обмоток, оскільки в цьому разі фазний струм у проводах обмотки менший у  рази за лінійний струм (І_л= І_ф).

І, нарешті, при несиметричних режимах використовують трифазні трансформатори з фазами обмотки вищої напруги, з’єднаними зіркою, і фазами обмотки нижчої напруги –зигзагом(рис. 3.4).

Відповідно ГОСТ 11677-75, група з’єднання обмоток трифазних трансформаторів показує величину кута зсуву вектора лінійної електрорушійної сили (ЕРС) обмотки низької напруги (НН) по відношенню до вектору лінійної ЕРС обмотки високої напруги (ВН).

При з’єднанні фаз обмоток трансформатора за схемою Y / Y кут зсуву векторів відповідних лінійних напруг U_ab і U_AB дорівнює нулю і такий трансформатор відноситься до групи 0.

При з’єднанні фаз за схемою Y / D цей же кут дорівнює 330° = 30°× 11 і трансформатор відноситься до групи 11. Кут зсуву завжди відлічується від вектору U_ABза часовою стрілкою до однойменного вектору U_ab.

На рис. 3.4 зображені типові схеми та групи з’єднання обмоток двохобмоткових (а – д) і триобмоткових трансформаторів (е, ж), де СН – обмотки середньої напруги.

Уведемо декілька практично-орієнтованих термінів [39; 45]:

Ізольована нейтраль – нейтраль генератора або вторинної обмотки силового трансформатора, яка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через резистор з великим опором, через опір приладів сигналізації, вимірювання захисту, заземлюючі дугогасильні реактори та інші подібні їм пристрої з великим опором, наявність яких практично не впливає на струм замикання на землю (рис. 3.3).

Зазначимо, що дугогасильний реактор являє собою індуктивність, призначену для гасіння дуги ємнісного струму замикання на землю й обмеження перенапруг при повторних запалюваннях заземлюючої дуги. Дугогасильні реактори підключаються до нейтралі трансформаторів або генераторів роз'єднувачами.

Глухозаземлена нейтраль – нейтраль генератора або трансформатора, яка приєднана до заземлюючого пристрою безпосередньо або через малий опір (наприклад, через трансформатор струму) (рис. 3.5). Глухозаземленою може бути також середня точка джерела в трипровідній мережі змінного струму. Глухозаземлену нейтраль розглядають як частинний випадок ефективно заземленої нейтралі.

Ефективно заземлена нейтраль – заземлена нейтраль вторинної обмотки силового трансформатора напругою вище 1 кВ , яка розрахована на великіструми замикання на землю.Це заземлення нейтралі трансформатора через малий індуктивний опір, роль якого відіграє котушка зі змінною індуктивністю L(реактор) (рис.3.3, б).

Реактор– це статичний електромагнітний пристрій, призначений для використання його індуктивності в електричному колі. 

Іншими словами, реактор – це котушка, яка створює індуктивний струм, що резонансно компенсує ємнісний струм ЛЕП.

Існують різноманітні реактори [61; 62]: струмообмежувальні, дугогасильні, фільтрові, шумозаглушувальні, комутувальні, струмообмежувальні тощо. Для компенсації реактивної потужності, яку генерують ЛЕП до 1150 кВ, застосовуються шунтувальні реактори серій РОМ, РОД, РОДЦ, РТД тощо, а для компенсації ємнісних струмів замикання на землю застосовуються заземлювальні реактори, зокрема серії РЗДСОМ (реактор заземлювальний, дугогасильний зі ступеневим регулюванням, однофазний, масляний) і серії РЗДПОМ (реактор заземлювальний, дугогасильний з плавним регулюванням, однофазний, масляний). Заслуговує уваги статичний компенсатор реактивної потужності, який являє собою поєднання батареї шунтових конденсаторів і реакторів з тиристорним ключем, що забезпечує без інерційне регулювання на всьому діапазоні потужності.

Нейтраль генератора або трансформатора, приєднана до заземлюючого пристрою через дугогасильний реактор для компенсації ємнісного струму в мережі при однофазних замиканнях на землю – це компенсована нейтраль. Електричні мережі 10 (6) – 20 кВ виконуються з незаземленою або компенсованою нейтраллю. Як показала практика, “допускається робота з незаземленою нейтраллю при струмах однофазних замикань на землю до 30 А – при 6 кВ, 20 А – при 10 кВ  і 15 А – при 20 кВ ”[62, с. 733].

Наявність нейтралі генератора або трансформатора в мережі з ізольованою або компенсованою нейтраллю, яка приєднана до заземлюючого пристрою через резистор – це заземлена через резистор нейтраль. Ця нейтраль застосовується для захисту мережі від перенапруг або (і) виконання селективного захисту у випадку замикання на землю, що спричиняє до збільшення струму замикання на землю.

_____________________________________________________________________________

3.2.Класифікація електроустановок відносно заходів електробезпеки та режими навантаження електроприймачів

_____________________________________________________________________________

Класифікація електроустановок відносно заходів електробезпеки у відповідності з ПУЕ. Симетричний режим навантаження і електроустановки напругою до 1 кВ в електричних трифазних мережах з ізольованою нейтраллю. Схемні рішення. Сфери застосування.Електроустановки напругою до 1 кВ в електричних трифазних чотирипровідних мережах з глухозаземленою нейтраллю. Схема з’єднання елементів вторинної обмотки трансформатора до чотирьох провідної мережі. Симетричний та асиметричний режими роботи мережі. Сфери застосування.

Електроустановки напругою вище 1 кВ в електричних трифазних мережах з ефективно заземленою нейтраллю: суть, схемне рішення, сфери застосування.Електроустановки напругою вище 1 кВ в електричних мережах з ізольованою, компенсованою або (і) заземленою через резистор нейтраллю: суть, схемні рішення, сфери застосування. Компенсована нейтраль. Мережа з компенсованою нейтраллю.Мережі з заземленою через резистор нейтраллю.

_____________________________________________________________________________

Відносно заходів електробезпеки ПУЕ підрозділяє електроустановки на такі чотири типи [45]:

– електроустановки напругою до 1 кВ в електричних мережах з ізольованою нейтраллю;

– електроустановки напругою до 1 кВ в електричних мережах з глухозаземленою нейтраллю;

– електроустановки напругою вище 1 кВ в електричних мережах з глухозаземленою або ефективно заземленою нейтраллю;

– електроустановки напругою вище 1 кВ в електричних мережах з ізольованою, компенсованою або (і) заземленою через резистор нейтраллю.

Розглянемо електроустановки напругою до 1 кВ в електричних мережах з ізольованою і глухозаземленою нейтралями джерела живлення.

1. Електроустановки напругою до 1 кВ в електричних трифазних мережах з ізольованою нейтраллю, тобто нейтраллю генератора, вторинної обмотки силового трансформатора, яка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через пристрої з великим опором (прилади сигналізації, вимірювання захисту, заземлюючі дугогасильні реактори та інші подібні їм пристрої з великим опором).

В мережах з ізольованою нейтраллю джерело живлення (генератор, вторинна обмотка трансформатора) має обмотки, з’єднані за схемою “зірка” або за схемою “трикутник” (рис. 3.6). Нейтральна точка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через резистор з великим опором, через опір приладів сигналізації, вимірювання та інших подібних їм пристроїв, наявність яких практично не впливає на струм замикання на землю. Як показано в [15], електрична мережа з ізольованою нейтраллю при високому опорі ізоляції та малої ємності, як правило, більш безпечна в період нормального (неаварійного) режиму роботи електроустановки (студенти повинні самостійно це пояснити).

Електричні мережі електроустановок з ізольованою нейтраллюживляться від трифазних трансформаторів, нейтралі яких не мають заземлення, проте приєднані до заземлювача через пробивний запобіжник (розрядник), який служить захистом від можливих перенапруг у вторинних колах, у випадку переходу вищої напруги первинної обмотки знижувального трансформатора у вторинну мережу та при пробою ізоляції між обмотками. Пробивний запобіжник FV зв’язаний з землею через малий опір заземлюючого пристрою (R_з = 4 Ом) і спрацьовує шляхом пробою повітряного проміжку (біля 0,2 мм) у слюдяній пластинці.

У першій схемі (рис. 3.6, а) нейтральна точка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через пробивний запобіжник, резистор з великим опором, через опір приладів сигналізації, вимірювання та інших подібних їм пристроїв, наявність яких практично не впливає на струм замикання на землю.

У другій схемі (рис.3.6, б) захист від можливих перенапруг здійснюється розрядником, який включений у фазу А вторинної обмотки трансформатора (вторинні обмотки трансформатора з’єднані за схемою “трикутник”). Це досить поширена схема.

Мережі з ізольованою нейтраллю є відносно короткі. Тому їх доцільно застосовувати на об’єктах з підвищеною небезпекою ураження струмом за умови незначної ємності проводів відносно землі, відсутності дії агресивного середовища та можливості підтримувати високий рівень ізоляції проводів мережі відносно землі. Це трьохпровідні мережі з робочою напругою 36, 42, 127, 220, 380 і 660 В.

Електроустановки з ізольованою нейтраллю є джерелом живлення електроприймачів, що працюють в умовах підвищеної небезпеки ураження електричним струмом (торф’яні підприємства, вугільні шахти, відкриті розробки тощо), а також електроприймачів з симетричним навантаженням. Наприклад, живлення цеху токарних станків, в яких основою приводу служать трифазні асинхронні електродвигуни.

Формалізуємо вище викладене. Під формалізацією будемо розуміти процес перетворення вербального судження про об’єкт предметної галузі в логічне висловлювання у вигляді формальної системи або (і) математичної структури.

Розглянемо симетричний режим навантаження при з’єднанні обмоток джерела живлення та електроприймачів зіркою (рис. 3.7). Симетричне навантаження створюють трифазні асинхронні двигуни, трифазні індукційні печі, трифазні світильники тощо. Формальною ознакою симетричності навантаження є те, що векторна сума електрорушійних сил (е.р.с.) трифазного джерела або струмів фаз у будь-який момент часу дорівнює нулю:

+ + = 0; + + =  = 0,                                          (3.22)

де – струм в нульовому проводі (зображення вектора, наприклад , адекватне зображенню цієї ж величини в комплексній формі ).

Миттєві електрорушійні сили (е.р.с.), які індукуються на трьох фазних обмотках, мають вигляд (рис. 3.8 а, б):

            e_A = E_Аsinwt; e_B= E_Вsin ( wt– 2p / 3); e_C =E_Сsin ( wt– 4p / 3),                    (3.23)

де E_А = E_В = E_С = E_m – амплітуди е.р.с., вектори яких ( , , ) зміщеніпослідовно один від одного на кут 2p / 3 (120°). Як наслідок, миттєві значення фазних напруг (u_A , u_B , u_C) змінюються таким же чином. Тому вектори фазних напруг ( , , ) і лінійних напруг ( , , ) зміщеніпослідовно один від одного на кут 2p / 3 (рис. 3.8, в). внаслідок симетричного навантаження модулі фазних і лінійних напруг однакові, тобто:

                          U_A = U_B = U_C = U_ф ; U_AB = U_BC = U_CA = U_л                                             (3.24)

Як видно з рис. 3.9, в, лінійні та фазні вектори напруг пов’язані між собою такими залежностями:

                = – ; = – ; = – .                       (3.25)

Опустивши перпендикуляр з вектора  на вектор  легко знайти співвідношення між лінійною і фазною напругами, враховуючи те, що вектори фазних напруг зсунуті під кутом 120° одна відносно одної: U_AB / 2 = U_Acos 30°; U_AB = U_A (3.8, г). Таким чином, зв'язок між лінійною і фазною напругами така:

                                                     U_л = ×U_ф                                                                                 (3.26)

Якщо споживачі на кожній фазі однакові і становлять активне навантаження R, то як показано в підручниках з електротехніки [2], фазні струми збігаються за фазою з відповідними фазними напругами (рис. 3.9, а). При виключно індуктивному навантаженні Lпадіння напруги на індуктивності випереджує струм  на кут p/2, а при виключно ємнісному навантаженні падіння напруги на ємності відстає від змін струму  на p/2. При активно-індуктивному навантаженні фази вектор струмів відстає на відповідний кут від фазної напруги, а при активно-ємнісному навантаженні струм випереджує фазну напругу.

В реальному випадку, при наявності в колі послідовно з’єднаних активного, індуктивного та ємнісного опорів фазна напруга  випереджує струм на кут j_А за умови, що індуктивний опір X_Lбільше ємнісного опору X_C , тобто X_L>X_C (рис. 3.9, б), де:

                      X_L = w L = 2 p f × L; X_C = 1/ (w C) = 1/ (2 p f × C)                             (3.27)

Таким чином, при з’єднанні трифазної системи зіркою і симетричному (рівномірному) активному навантаженні фаз вектори лінійних напруг випереджують відповідні фазні напруги на кут 30° (рис. 3.9, а). При симетричному активно-реактивному навантаженні існує зсув фаз на кут jміж векторами фазних струмів  і відповідних фазних напруг  (рис. 3.9, б).

Режим з ізольованою нейтраллю означає, що електроустановка має електричний зв'язок з землею тільки через опір ізоляції, характер якого приймається чисто ємнісним. Якщо активний опір однофазного замикання на землю (ОЗЗ)позначити як R_з, а ємнісний опір електричної трифазної мережі –X_C, то діюче значення електричного струму замикання на землю І_з при фазній напрузі U_фвизначається співвідношенням:

                                 І_з = U_ф / .                                       (3.28)

Носіями ємності в коротких мережах (шахтні мережі) є головним чином джерела напруги та електроприймачі тому, що питома вага кабельної мережі у створенні ємності складає всього 20 –30 % [62]. В протяжних ЛЕП (як повітряних, так і кабельних) ємність мережі головним чином визначається ємністю самої лінії.

Враховуючи те, що для трифазної мережі ємнісний опір

                                                        X_C = 1 / (3wС),                                                   (3.29)

струм через людину, яка доторкнулася до струмоведучої частини електрообладнання, яке знаходиться під напругою, істотно залежить від числового значення ємності: зі збільшенням С зменшується X_C і відповідно збільшується струм замикання на землю І_з , а значить і сила струму через людину.

Таким чином, в мережі з ізольованою нейтраллю ОЗЗ викликає струм замикання на землю І_з , який переважно визначається ємністю мережі (X_C>>R_з). На практиці струм замикання І_з зменшують компенсаційними котушками (реакторами), які включають між нейтраллю мережі та заземлюючим пристроєм (див. рис. 3.3).

Як результат, мережа з ізольованою нейтраллю має перевагу над іншими мережами – відносно менші струми ОЗЗ і простота реалізації цього режиму. Разом з тим, до недоліків вказаної мережі відносяться високі перенапруги при дугових переміжних ОЗЗ, велика ймовірність переходу ОЗЗ в двофазне КЗ і виникнення ферорезонансних процесів [32].

Розглянемо замкнене коло змінного струму з активним і реактивним опорами. Повна комплексна потужність нерозгалуженого кола визначається через показникові форми струму й  напруги , де b – a = j – зсув фаз між напругою і струмом. Добуток комплексу напруги ( ) на спряжений вираз комплексу струму ( ) дає повну комплексну потужність , тобто:  = × = U×I×  = U×I×  = U×I× (cosj + j×sinj) = U×I×cosj + j×U×I×sinj = P + j×Q . Звідси маємо формули активної P, реактивної Qта повної (загальної) Sпотужностей (див. рис. 1.1, в):

                                 P = UIcosj; Q = UIsinj; S = U×I.                                        (3.30)

Нехай маємо трифазну мережу змінного струму, яке живиться трансформатором, вторинна обмотка якого з’єднана за схемою зірка. При симетричному навантаженні струми і напруги всіх трьох фаз рівні, тому споживана потужність електроприймачем визначається так:

                         P = 3 U_фI_фcosj; Q = 3U_фI_фsinj; S = 3U_фI_ф .                                (3.31)

При з’єднанні обмоток джерелазіркою U_ф= U_л / , I_ф = I_л , звідси маємо:

                   P = U_л І_лcosj; Q = U_л І_лsinj; S = U_л І_л,                          (3.32)

де U_л і І_л – лінійна напруга та струм відповідно, а j – кут зсуву фаз між напругою і струмом. Очевидно повна комплексна потужність  та її модуль визначаються за формулами:

                                        = × =U×I×  =P + j×Q,                                              (3.33)

                                         = S = U×I=                                                (3.34)

де дійсна частина комплексної потужності (Re ) є активною потужністюP, яка пов’язана з виконанням певної корисної роботи в електричному колі (обертання ротора електродвигуна, нагрівання резистивних елементів кола тощо), а уявна частина (Im ) –реактивна потужністьQ, яка обумовлена енергією магнітного поля індуктивності та електричного поля ємності.

При з’єднанні однакових електроприймачів (симетричне навантаження) зіркою маємо U_ф= U_л/ , I_ф = I_л, а при з’єднанні трикутником  U_ф= U_л , I_ф = I_л / .

Студентам рекомендується математично довести тезис: “При зміні виду з’єднання приймача з трикутника на зірку споживана потужність зменшується в три рази.При зміні виду з’єднання джерела з трикутника на зірку споживана потужність збільшується в три рази” [51, с. 62].

Ми ж зазначимо, що схеми з’єднання системи “джерело – електроприймач” відіграють суттєву роль в процесах забезпечення безпеки електрообладнання. Якщо фазні напруги вторинних обмоток знижувального силового трансформатора (джерела) U_ф= 220 В, то, як можна довести, при переході від однієї схеми з’єднання вказаної системи до іншої

                                  (DÙY) ® (DÙD) «(YÙY)® (YÙD),                                         (3.35)

де знак Ù означає кон’юнкцію (логічне “ і”), знак ® – імплікацію (“ якщо...то”), знак « – відношення еквівалентності. Зокрема, схема з’єднання системи (DÙD) зображений на рис. 3.10, а векторна діаграма струмів і напруг на рис. 3.11.

Електричні мережі електроустановок з глухозаземленою нейтраллю– мережі великих промислових підприємств, міські та сільські мережі, мережі власного витрачання електростанцій, мережі сільськогосподарського виробництва та підприємств невиробничої сфери, побуту тощо.

Електроустановки з генераторною напругою 230/133, 400/230 і 690/400В та відповідно з експлуатаційною лінійною / фазною напругою 220/127, 380/220 і 660/380 В, що мають глухозаземлену нейтраль, широко застосовують там, де неможливо забезпечити надійну ізоляцію проводів (через високу вологість, агресивність середовища, велику протяжність тощо), у випадку великих значень ємнісних струмів замикання на землю (довгі мережі), а також коли не можна швидко відшукати чи усунути ушкодження ізоляції.

Електричні мережі з глухозаземленою нейтраллюживляться від вторинних обмоток знижувальних трансформаторів трансформаторної підстанції(ТП) з номінальною напругою 400/230 (друга ступінь електропостачання). Переважно застосовується мережа 380/220 для живлення електродвигунів на номінальну напругу 380 В й освітлювальних установок на 220В. Як показано в [15], електрична мережа з глухозаземленою нейтраллю, як правило, більш безпечна в аварійний період роботи (студенти повинні самостійно це пояснити).

Мережа з глухозаземленою нейтраллю розрахована як на симетричне, так і на асиметричне навантаження, при якому числові значення струмів на фазних провідниках є різні.

На рис. 3.13 зображена схема трифазної чотирипровідноїмережі з глухозаземленою нейтраллю з приєднаними до неї трифазним електродвигуном (М) іоднофазним електроприймачами (електролампа, розетка). Група з’єднань обмоток трансформатора Y / Y_н – 0.

Статистика показує, що більше 75% замикань в електроенергетичних системах приходиться на долю ОЗЗ. Тому електробезпека істотно залежить від значень струмів ОЗЗ, які, в свою чергу, залежать від режиму нейтралі [32].

Для режиму з глухозаземленою нейтраллю, яка приєднана до заземлюючого пристрою безпосередньо, струм ОЗЗ, діюче значення якого визначається за законом Ома, може досягати надто великих значень, враховуючи мале значення опору R_р кола струму ОЗЗ:

                                       І_з = U_ф / R_р ,                                                                           (3.36)

де R_р – опір заземлюючого пристрою, U_ф– фазна напруга.

Опір заземлюючого пристрою або опір робочого заземлення R_р до якого приєднана нейтраль джерела живлення або виводи джерела однофазного струму, в будь який час року не повинні перевищувати 2, 4 і 8 Ом відповідно для лінійних напруг 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму або 380, 220 і 127 В джерела однофазного струму [45].

На практиці важко дотримуватися симетричного навантаження, при якому в нульовому проводі струм буде рівний нулю.

Потужність електроприймача дискретно зростає прямо пропорційно падінню напруги на електропиймачі, яка відповідає ряду: (127 В) ® (220 В) « (220 В)® (380 В). Таким чином, схема з’єднання системи “джерело – електроприймач” типу (YÙD) найбільш небезпечна з точки зору пожежної безпеки та електробезпеки.

Вторинна обмотка трансформатора у вказаній мережі має схему з’єднання, подану на рис. 3.12.Вказані електроустановки єджерелом живлення переважної більшості електрообладнання.

Несиметричний режим роботи мережіз глухозаземленою нейтраллю пов'язаний з різними навантаженнями на фазних провідниках (проводах) L₁ ,L₂ ,L₃.Якщо включений в роботу електродвигун, то маємо симетричний режим навантаження, а якщо додатково підключити електролампу, то режим буде несиметричним.При цьому відбувається порушення симетрії фазних струмів, які подамо в комплексній формі , , , що в свою чергу спричиняє до встановлення різних за величиною фазних напруг , ,  на затискачах приймача навіть при симетрії аналогічних напруг на затискачах вторинної обмотки трансформатора. Наявність нейтрального провідникаN і струму в ньому послаблює вказану асиметрію за рахунок падіння напруги на нульовому проводі

                                                        = × ,                                                   (3.37)

де – повний опір нейтрального провідника (рис. 3.14).

Практика показує, що падіння напруги на нульовому проводі = ×  значно менше падіння напруги на фазних проводах , , (рис. 3.14). Зокрема, на фазі А маємо:

= × = ×  = × × ,                                                        (3.38)

де – комплексний струм у фазному проводі А; – повний опір фазного проводу та навантаження, який складається з активного опору  наявних резистивних елементів та реактивного опору , пов’язаного з наявністю індуктивності Lта ємності С в мережі, а значить індуктивного X_L і ємнісного X_C опорів; j =  – одиничне уявне число.

Розглянемо асиметричний режим більш докладно. При несиметричному навантаженні Z_A¹Z_B¹Z_Cнапруга в однієї із двох фаз може зменшитися ( ), а в інших – збільшиться ( , ) порівняно з номінальною напругою(U =220 B). При цьому виникне напруга ( ) на нульовому проводі, що порушить правильну експлуатацію електрообладнання (рис. 3.14).