So funktioniert ein Drehstromnetz mit isoliertem Neutralleiter

Elektrische Netzwerke können mit geerdetem oder isoliertem Neutralleiter von Transformatoren und Generatoren betrieben werden. 6-, 10- und 35-kV-Netzwerke arbeiten mit isoliertem Neutralleiter von Transformatoren. 660-, 380- und 220-V-Netze können sowohl mit isoliertem als auch mit geerdetem Neutralleiter arbeiten. Die gängigsten Vierleiternetze 380/220, die den Anforderungen entsprechen Regeln für die Elektroinstallation (PUE) muss einen geerdeten Neutralleiter haben.

Betrachten Sie Netze mit isoliertem Neutralleiter... Abbildung 1a zeigt ein Diagramm eines solchen Drehstromnetzes. Die Wicklung ist in Sternschaltung dargestellt, die nachstehenden Ausführungen gelten jedoch auch für den Fall der Dreieckschaltung der Sekundärwicklung.

Reis. 1. Diagramm eines Drehstromnetzes mit isoliertem Neutralleiter (a). Netzwerkerdung mit isoliertem Neutralleiter (b).

Unabhängig davon, wie gut die Gesamtisolierung der stromführenden Teile des Netzwerks von der Erde ist, sind die Leiter des Netzwerks immer mit der Erde verbunden. Diese Beziehung ist zweifach.

1. Die Isolierung stromführender Teile weist einen bestimmten Widerstand (oder Leitfähigkeit) gegenüber der Erde auf, der normalerweise in Megaohm ausgedrückt wird.Das bedeutet, dass eine bestimmte Strommenge durch die Isolierung der Leitungen und die Erde fließt. Bei guter Isolierung ist dieser Strom sehr klein.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Spannung zwischen dem Draht einer Phase des Netzwerks und der Erde 220 V beträgt und der Isolationswiderstand dieses Drahtes, gemessen mit einem Megaohmmeter, 0,5 MΩ beträgt. Dies bedeutet, dass der Strom zur Erde 220 von dieser Phase 220 / (0,5 x 1.000.000) = 0,00044 A oder 0,44 mA beträgt. Dieser Strom wird Leckstrom genannt.

Herkömmlicherweise werden zur besseren Übersichtlichkeit im Diagramm des Isolationswiderstands der drei Phasen R1, R2, R3 in Form von Widerständen dargestellt, die jeweils an einen Punkt des Drahtes angeschlossen sind. Tatsächlich sind die Leckströme in einem funktionierenden Netzwerk gleichmäßig über die gesamte Länge der Drähte verteilt, in jedem Abschnitt des Netzwerks werden sie durch den Boden geschlossen und ihre Summe (geometrisch, d. h. unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung) ist Null.

2. Eine Verbindung zweiter Art entsteht durch die Kapazität der Netzwerkleitungen gegenüber der Erde. Was bedeutet das?

Jeder Netzwerkdraht und jede Erdung können als zwei betrachtet werden längliche Kondensatorplatten… Bei Freileitungen sind Leiter und Erde wie die Platten eines Kondensators, und die Luft zwischen ihnen ist ein Dielektrikum. In Kabelleitungen sind die Kondensatorplatten der Kabelkern und der Metallmantel, die mit der Erde verbunden sind, und der Isolator ist die Isolierung.

Bei Wechselspannung führt die Änderung der Ladungen an den Kondensatoren dazu, dass Wechselströme entstehen und durch die Kondensatoren fließen. Diese sogenannten kapazitiven Ströme verteilen sich in einem funktionierenden Netzwerk gleichmäßig über die Länge der Drähte und werden in jedem einzelnen Abschnitt auch durch die Erde geschlossen. In Abb.In Fig. 1 sind die Widerstände der Kondensatoren der drei Phasen gegen Erde x1, x2, x3 konventionell mit jeweils einem Netzpunkt verbunden dargestellt. Je größer die Länge des Netzwerks, desto größer sind die Leck- und kapazitiven Ströme.

Sehen wir uns an, was in dem in Abbildung 1 gezeigten Netzwerk passiert, wenn in einer der Phasen (z. B. A) ein Erdschluss auftritt, d. h. der Leiter dieser Phase wird über einen relativ kleinen Erdschluss mit der Erde verbunden Widerstand. Ein solcher Fall ist in Abbildung 1, b dargestellt. Da der Widerstand zwischen der Leitungsphase A und der Erde klein ist, werden der Ableitwiderstand und die Kapazität zur Erde dieser Phase durch den Erdungswiderstand überbrückt. Unter dem Einfluss der Netzspannung des Netzes UB entstehen nun die Ableitströme und kapazitive Ströme von zwei Betriebsphasen fließen durch den Fehlerpunkt und die Erde. Strompfade sind in der Abbildung durch Pfeile gekennzeichnet.

Der in Abbildung 1, b dargestellte Kurzschluss wird als einphasiger Erdschluss bezeichnet, und der resultierende Fehlerstrom wird als einphasiger Strom bezeichnet.

Stellen Sie sich nun vor, dass ein einphasiger Kurzschluss aufgrund eines Isolationsschadens nicht direkt am Boden, sondern am Körper eines elektrischen Empfängers – eines Elektromotors, eines elektrischen Geräts oder einer Metallstruktur, auf der elektrische Leitungen verlegt sind ( Abb. 2). Ein solcher Verschluss wird Gehäusekurzschluss genannt. Wenn gleichzeitig das Gehäuse des elektrischen Empfängers oder die Struktur nicht mit der Erde verbunden ist, nehmen sie das Potenzial der Netzphase oder in deren Nähe an.

Reis. 2. Kurzschluss zum Rahmen im Netzwerk mit isoliertem Neutralleiter

Das Berühren des Körpers ist dasselbe wie das Berühren der Phase.Es entsteht ein geschlossener Stromkreis durch den menschlichen Körper, die Schuhe, den Boden, die Erde, den Ableitwiderstand und die Kapazität der nutzbaren Phasen (der Einfachheit halber sind die kapazitiven Widerstände in Abb. 2 nicht dargestellt).

Der Strom in diesem Kurzschluss hängt von seinem Widerstand ab und kann eine Person schwer verletzen oder töten.

Reis. 3. Eine Person berührt einen Draht in einem Netzwerk mit isoliertem Neutralleiter, während im Netzwerk Erde vorhanden ist

Aus dem Gesagten folgt, dass ein geschlossener Stromkreis erforderlich ist, damit der Strom durch die Erde fließen kann (manchmal wird angenommen, dass der Strom „zur Erde fließt“, was nicht stimmt). In Netzen mit isolierter Neutralleiterspannung bis 1000 V sind Ableit- und kapazitive Ströme meist gering. Sie sind abhängig vom Zustand der Isolierung und der Länge des Netzes. Selbst in einem ausgedehnten Netzwerk liegen sie bei wenigen Ampere und weniger. Daher reichen diese Ströme in der Regel nicht aus, um Sicherungen zum Schmelzen zu bringen oder die Verbindung zu unterbrechen Leistungsschalter.

Bei Spannungen über 1000 V sind vor allem kapazitive Ströme von Bedeutung; Sie können mehrere zehn Ampere erreichen (wenn ihre Kompensation nicht vorgesehen ist). Allerdings wird in diesen Netzen in der Regel auf die Abschaltung fehlerhafter Abschnitte bei einphasigen Fehlern verzichtet, um keine Versorgungsunterbrechungen zu verursachen.

Daher funktionieren die elektrischen Empfänger in einem Netzwerk mit isoliertem Neutralleiter bei Vorliegen eines einphasigen Kurzschlusses (der durch Isolationskontrollgeräte signalisiert wird) weiterhin. Dies ist möglich, da sich im Falle eines einphasigen Kurzschlusses die Netzspannung (Phase zu Phase) nicht ändert und alle elektrischen Verbraucher unterbrechungsfrei mit Strom versorgt werden.Bei einem einphasigen Fehler in einem Netz mit isoliertem Neutralleiter steigen die Spannungen der unbeschädigten Phasen gegenüber der Erde jedoch auf linear an, was zum Auftreten eines zweiten Erdfehlers in einer anderen Phase beiträgt. Der daraus resultierende Doppelerdschluss stellt eine ernsthafte Gefahr für Menschen dar. Daher sollte jedes Netzwerk mit einem einphasigen Kurzschluss als Notfall betrachtet werden, da sich die allgemeinen Sicherheitsbedingungen in einem solchen Netzwerkzustand stark verschlechtern.

Die Anwesenheit von „Land“ erhöht also die Gefahr elektrischer Schock beim Berühren spannungsführender Teile. Dies ist beispielsweise aus Abbildung 3 ersichtlich, die den Durchgang des Fehlerstroms bei versehentlicher Berührung des stromführenden Leiters der Phase A und einer nicht reparierten „Erdung“ in Phase C zeigt. In diesem Fall steht man unter Einfluss der Netzspannung des Netzes. Daher müssen einphasige Erd- oder Rahmenfehler so schnell wie möglich behoben werden.