 |
Необходимость заземления нейтрали по условиям электробезопасности
|
|
|
|
Род тока и частота напряжения
По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Одним из характеристик является частота тока: у переменного частота изменяется в широких пределах, а у постоянного она равна нулю.
Постоянный ток применяется там, где необходим по технологии и передачи энергии на большие расстояния.
Преимущества постоянного тока:
1. Нет реактивной мощности, передается только активная мощность;
2. На постоянном токе большая глубина регулирования скорости вращения электрических машин постоянного тока. Сейчас применяются тиристорные регуляторы частоты асинхронных двигателей (АД).
Недостатки:
1. На постоянном токе трудно трансформировать напряжение, нужно инвертирование;
2. Большая стоимость и габариты электрических машин.
Существует оптимальная частота на уровне прошлого века − 50 и 60 Гц. Такие значения частоты приводят к росту стоимости и габаритов оборудования, а если частота большая, то эти параметры уменьшаются, но увеличиваются потери (вихревые токи, гистерезис).
По мнению Мукосеева на сегодня оптимальная частота равняется 400 Гц (танки, подводные лодки, корабли и т.д.).
Выбор напряжения осветительных сетей
По режиму работы нейтрали трансформаторов различают системы с изолированной и заземленной нейтралью.
В связи с этим можно получить напряжения: 127 В, 220 В, 380 В.
Раньше по правилам ПУЕ не разрешалось применять в осветительных сетях лампы мощностью больше 250 Вт на напряжении 380 В, но сейчас разрешается.
Наиболее распространенными являются лампы накаливания. Сопоставим эти лампы на 127 В и 220 В. Чтобы получить наибольшую светоотдачу нужна большая температура нити, которая ограничивает срок службы лампы. В связи с этим существует оптимальный диаметр нити накала.
|
|
|
Сопротивление нити накала:
,
где 
− удельное сопротивление нити накала,
−длина нити накала,
− сечение нити накала.
,
где 
− номинальное напряжение лампы,
− номинальная мощность лампы.
Сопротивление нити накала лампы на 220 В в три раза больше, чем лампы на 127 В:
Тогда длина нити накала 
. Поэтому по конструкции уменьшают длину и сечение, а следовательно нужно уменьшить температуру нити накала для нормального срока службы. Поэтому для одной и той же мощности ламп накаливания световая отдача на напряжении 220 В меньше, т.е. чтобы обеспечить тот же уровень освещенности нужно затратить большую мощность или количество ламп. Лампы накаливания на напряжении 127 В применяются там, где нужна лучшая освещенность (самолетостроение).
Выбор напряжения для силовых электроприемников
От сети напряжением 220 В питаются электроприемники мощностью до 250 кВт, 380 В – 250-400 кВт, 660 В – больше 400 кВт.
Для генераторов, конденсаторных установок и вторичных обмоток понижающих трансформаторов номинальное напряжение на 5% больше, т.е. 230 В, 400 В и 690 В.
На выбор напряжения влияет мощность электроприемника, а мощность определяется электротехнологией.
Одну и ту же номинальную мощность электроприемника можно получить при разных номинальных напряжениях. Но существует экономический оптимум: если напряжение уменьшить, то увеличивается ток, а в связи с этим растут габариты оборудования, что сказывается на стоимость оборудования; если напряжение увеличить, то ухудшается КПД и коэффициент мощности электроприемника, а также нужно применять более дорогой класс изоляции.
Возможны применения систем:
Трехпроводные Четырехпроводные
1)3×220 В 220/127 В
2)3×380 В 380/220 В
3)3×660 В нет необходимости
Наиболее распространенными являются сети 3×380 В и 220/127 В.
|
|
|
Необходимость заземления нейтрали по условиям электробезопасности
Исторически вначале нейтраль трансформатора в четырехпроводной сети не заземлялась, а сейчас заземляется. Выясним, чем это диктуется с точки зрения электробезопасности.
Если в схеме с изолированной нейтралью человек коснется фазы, то ток будет протекать через человека и сопротивления Z из изоляции фаз относительно земли. Эти сопротивления соединены в звезду, поэтому их общая точка создает искусственный нуль. Следовательно, на человеке будет фазное напряжение U ф. Ток ограничивается сопротивлениями R ч человека и изоляции. Сопротивление изоляции очень большое (Z из>> R ч), поэтому ток будет небольшим.
В схеме с заземленной нейтралью ток протекает по линии наименьшего сопротивления – не через изоляцию, а через заземленную нейтраль. На человеке будет фазное напряжение, но так как ограничивается только сопротивлением человека, то он будет значительно большим, чем в схеме с изолированной нейтралью.
Казалось бы, большой ток в схеме с заземленной нейтралью свидетельствует в пользу системы с изолированной нейтралью. Однако это только одна сторона вопроса. Поясним на примере.
Предположим, что произошло замыкание нейтрали на землю (событие 1). В сети с изолированной нейтралью замыкание не является коротким, так как ток замыкания протекает через большое сопротивление изоляции, а поэтому является небольшим. Обнаружить это невозможно, режим не меняется (только осмотром). Срабатывание защиты не происходит и событие 1 может продолжаться долго. По этой причине здесь принцип неучета двух аварий не применим. Поэтому необходимо заземлять.
Вполне вероятно, что через некоторое время человек может коснуться нейтрали (событие 2). В результате замыкания на землю земля приобрела потенциал замкнувшийся фазы, а поэтому человек окажется под фазным напряжением.
В сети с заземленной нейтралью замыкание на землю является коротким, так как ток протекает через нейтраль, а не изоляцию. Релейная защита отключает поврежденный участок. Здесь принцип неучета двух аварий применим, так как маловероятно, что за время срабатывания защиты произойдет событие 2. Но даже если бы это и случилось, то ток через человека был бы небольшим, так как человек шунтируется нейтралью с малым сопротивлением заземления – ток КЗ протекает по линии наименьшего сопротивления.
|
|
|
|
|
|
