Высокоомный резистор для заземления нейтрали. Заземление нейтрали

В настоящее время в сетях напряжением до 35 кВ все чаще применяется резистивное заземление нейтрали - заземление нейтрали через активное сопротивление

Рис. 8.35. Резистивное заземление

При ОЗЗ в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. Это позволяет решить две важные задачи:

Селективно определить поврежденное присоединение (за счет простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения;

Существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при ОЗЗ и исключить феррорезонансные процессы.

Применяются три варианта заземления нейтрали сетей 6 – 35 кВ через резистор: низкоомное, высокоомное и комбинированное.

Низкоомное резистивное заземление нейтрали применяется в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени. При этом ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение. В этом случае преимущество сети с изолированной нейтралью полностью исчезает, так как при ОЗЗ потребитель теряет питание по данной линии. Однако такой режим необходим там, где при ОЗЗ может возникнуть опасность для людей при падении провода ЛЭП на землю – люди могут попасть под шаговое напряжение или напряжение прикосновения.

Низкоомное заземление нейтрали с возможностью отключения поврежденных участков сети целесообразно применять в тех сетях, где обеспечена необходимая степень резервирования и автоматизации респределительных электрических сетей, систем электроснабжения и технологических процессов. В чисто кабельных сетях с высокой стеенью резервирования экономически и технически выгодно перейти от компенсированной системы заземления нейтрали (с применением ДГР) к нейтрали, заземленной через низкоомный резистор, сотключением поврежденного присоединения без выдержки времени.

Высокоомноерезистивное заземление нейтрали целесообразно применять в тех случаях, когда сеть должна иметь возможность длительной работы в режиме ОЗЗ до обнаружения места ОЗЗ. При этом ток в нейтрали должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений и снижение электробезопасности, но быть достаточным для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал.

Защита от внутренних перенапряжений, и в частности от феррорезонансных при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, требует применения устройств, способных потребить энергию, запасенную элементами сети в их емкости и индуктивности. В зависимости от параметров сети эта энергия может составлять десятки киловатт в течение нескольких десятков секунд. Таким устройством, решающим задачу комплексной защиты сети с изолированной нейтралью от всех видов внутренних перенапряжений, является устройство заземления нейтрали сети через высокоомное активное сопротивление. Величина такого сопротивления оптимизируется по признакам необходимости и достаточности. Для подавления феррорезонансных перенапряжений величина резистора должна быть не менее величины критического сопротивления для контура схемы замещения сети.

В сетях 35 кВ высокоомный резистор подключают к нейтрали одного из питающих трансформаторов, имеющих соединенную в “звезду” обмотку 35кВ с выведенной нейтралью. В этом случае не требуется никаких изменений в работе устройств РЗА. Высокоомный резистор может быть собран из элементов, используемых в качестве шунтирующих резисторов на выключателях типа ВВН или ВВ 220 и 330 кВ. Сопротивление одного резистора 15 кОм, длительная мощность 1,5 кВт. Минимальное число последовательно включенных элементов четыре, а суммарное сопротивление такого резистора 60 кОм.

Для подключения высокоомного резистора к нейтрали сети 6-10 кВ необходим заземляющий трансформатор с соединением обмоток “звезда с выведенной нейтралью - треугольник” мощностью 40 кВА. Величина сопротивления резистора определяется исходя из емкости сети, а мощность его из допустимого времени воздействия напряжения сети при однофазном замыкании на землю. Комплектация резистора может быть выполнена из единичных бетэловых резисторов типа РШ-2 (сопротивление 200 и 300 Ом) или из резисторов типа РНВ-6/10 (сопротивление 500 или 1000 Ом), выпускаемых московским НПО “Энерготехпром”. Однако для устройств заземления нейтрали через высокоомное сопротивление предпочтительнее проволочные резисторы, так как они допускают большие нагрузки и более надежны в эксплуатации.

Для подключения заземляющего трансформатора с резистором в нейтрали необходима отдельная ячейка с собственными устройствами РЗА. Схема подключения устройства к сети с изолированной нейтралью приведена на рис. 8.36.

Рис. 8.36. Защита сети 6 кВ от перенапряжений подключением

резистора к нейтрали сети.

Аналогичная система защиты сетей СН электростанций предусмотрена следующими директивными документами: “О защите от замыканий на землю сети 6,3 кВ СН для ТЭС и АЭС” N 2 799-Э, “О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС (Циркуляр Ц-01-88)”. Однако внедрение такой системы защиты возможно только в сетях, имеющих защитное отключение от однофазного замыкания на землю. Кроме того, заземление нейтрали, предписываемое директивными документами, осуществляется через бетэловые резисторы с суммарным сопротивлением 100 Ом, что создает в сети 6 кВ активный ток 30 А в месте замыкания на землю. Это значительно больше, чем необходимо для подавления перенапряжений, и приводит к увеличению объема разрушений в месте замыкания от дуги такой величины.

Эти недостатки исключены при заземлении нейтрали сети через высокоомный резистор, выбранный из величины емкости сети. Высокоомный резистор в нейтрали системы (как правило, в нейтрали специального вспомогательного трансформатора мощностью не менее S = U 2 ном /(3·R N)) обеспечивает стекание заряда нулевой последовательности за время Т между ближайшими замыканиями (приU np >Uф тах ), составляющее полупериод промышленной частоты (Т = 0,01 с). Сопротивление где 3Т @ 0,01 с.

Резистор, выбранный из этого условия, создает в месте повреждения активную составляющую тока, равную емкостной. Действительно ток замыкания I С = 3 ·ωС ·Uф а ток резистора - I RN = Uф / R N . Из условия I С = I RN получается:

R N =U ф /I С =1 / 3ωС ≡ 1 /(900 · C) . (8.46)

При чисто емкостной цепи замыкания на землю резистор, выбранный таким образом, увеличивает ток замыкания в √2 раз.

Важной особенностью применения высокоомного сопротивления в нейтрали по сравнению с компенсацией является то, что при уменьшении емкости сети постоянная времени стекания свободного заряда через выбранный по приведенным условиям резистор, уменьшается, и, следовательно, эффект ограничения перенапряжения не изменяется. Если же постоянная времени увеличивается, что бывает редко, то в диапазоне изменения ее на 20-30% кратность перенапряжений достигает не более

2,5 U ф.

После подключения к нейтрали резистора феррорезонансные явления практически прекращаются.

Высокомные резисторы, уменьшающие уровни перенапряжений и время их воздействия, необходимо устанавливать на ПС, питающих преимущественно воздушную сеть и не имеющих высокой степени резервирования.

Комбинированноезаземление нейтрали осуществляется путем присоединения высокоомного резистора параллельно ДГР и позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке ДГР, а также способствует работе на сигнал релейных защит.

Выбор типа резистора для заземления нейтрал производится по трем основным критериям:

Резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений;

Сопротивление резистора в нейтрали должно гарантировать протекание активного тока в поврежденном присоединении, достаточного для действия релейных защит на сигнал или отключение поврежденного присоединения;

При заземлении нейтрали через резистор должны соблюдаться условия электробезопасности для людей при ОЗЗ на подстанциях (ПС) и распределительных пунктах (РП) с учетом существующего нормирования величины допустимого напряжения прикосновения.

Вопросы для самоконтроля.

6. Какие способы заземления нейтрали используются в электрических сетях?

7. В каких сетях применяется изолированная нейтраль?

8. Для чего применяется дугогасящий реактор (ДГР)? Почему он называется дугогасящим?

9. В каких целях используют резистивное заземление нейтрали? В каких случаях используют высокоомное, а в каких низкоомное заземление нейтрали?

10. Как режим нейтрали влияет на уровень перенапряжений в электрической сети?

6. Какими факторами определяется выбор режима нейтрали в электрической сети?

Рис. 8.35. Резистивное заземление

Селективно определить поврежденное присоединение (за счёт простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения;

Существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при ОЗЗ и исключить феррорезонансные процессы.

Низкоомное резистивное заземление нейтрали применяется в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени. При этом ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение. В этом случае преимущество сети с изолированной нейтралью полностью исчезает, так как при ОЗЗ потребитель теряет питание по данной линии. При этом такой режим необходим там, где при ОЗЗ может возникнуть опасность для людей при падении провода ЛЭП на землю – люди могут попасть под шаговое напряжение или напряжение прикосновения.

Защита от внутренних перенапряжений, и в частности от феррорезонансных при неполнофазных режимах питания понижающих трансформаторов и электродвигателей, требует применения устройств, способных потребить энергию, запасенную элементами сети в их емкости и индуктивности. Учитывая зависимость отпараметров сети эта энергия может составлять десятки киловатт в течение нескольких десятков секунд. Таким устройством, решающим задачу комплексной защиты сети с изолированной нейтралью от всех видов внутренних перенапряжений, является устройство заземления нейтрали сети через высокоомное активное сопротивление. Величина такого сопротивления оптимизируется по признакам крайне важно сти и достаточности. Для подавления феррорезонансных перенапряжений величина резистора должна быть не менее величины критического сопротивления для контура схемы замещения сети.

В сетях 35 кВ высокоомный резистор подключают к нейтрали одного из питающих трансформаторов, имеющих соединенную в “звезду” обмотку 35кВ с выведенной нейтралью. В этом случае не требуется никаких изменений в работе устройств РЗА. Высокоомный резистор должна быть собран из элементов, используемых в качестве шунтирующих резисторов на выключателях типа ВВН или ВВ 220 и 330 кВ. Сопротивление одного резистора 15 кОм, длительная мощность 1,5 кВт. Минимальное число последовательно включенных элементов четыре, а суммарное сопротивление такого резистора 60 кОм.

Для подключения высокоомного резистора к нейтрали сети 6-10 кВ необходим заземляющий трансформатор с соединением обмоток “звезда с выведенной нейтралью - треугольник” мощностью 40 кВА. Величина сопротивления резистора определяется исходя из емкости сети, а мощность его из допустимого времени воздействия напряжения сети при однофазном замыкании на землю. Комплектация резистора должна быть выполнена из единичных бетэловых резисторов типа РШ-2 (сопротивление 200 и 300 Ом) или из резисторов типа РНВ-6/10 (сопротивление 500 или 1000 Ом), выпускаемых московским НПО “Энерготехпром”. При этом для устройств заземления нейтрали через высокоомное сопротивление предпочтительнее проволочные резисторы, так как они допускают большие нагрузки и более надежны в эксплуатации.

Рис. 8.36. Защита сети 6 кВ от перенапряжений подключением

резистора к нейтрали сети.

Аналогичная система защиты сетей СН электростанций предусмотрена следующими директивными документами: “О защите от замыканий на землю сети 6,3 кВ СН для ТЭС и АЭС” N 2 799-Э, “О повышении надежности сетей 6 кВ собственных нужд энергоблоков АЭС (Циркуляр Ц-01-88)”. При этом внедрение такой системы защиты возможно только в сетях, имеющих защитное отключение от однофазного замыкания на землю. Вместе с тем, заземление нейтрали, предписываемое директивными документами, осуществляется через бетэловые резисторы с суммарным сопротивлением 100 Ом, что создает в сети 6 кВ активный ток 30 А в месте замыкания на землю. Это значительно больше, чем крайне важно для подавления перенапряжений, и приводит к увеличению объёма разрушений в месте замыкания от дуги такой величины.

R N =U ф /I С =1 / 3ωС ≡ 1 /(900 · C) . (8.46)

Важной особенностью применения высокоомного сопротивления в нейтрали по сравнению с компенсацией является то, что при уменьшении емкости сети постоянная времени стекания свободного заряда через выбранный по приведенным условиям резистор, уменьшается, и, следовательно, эффект ограничения перенапряжения не изменяется. В случае если же постоянная времени увеличивается, что бывает редко, то в диапазоне изменения ее на 20-30% кратность перенапряжений достигает не более

2,5 U ф.

После подключения к нейтрали резистора феррорезонансные явления практически прекращаются.

Высокомные резисторы, уменьшающие уровни перенапряжений и время их воздействия, крайне важно устанавливать на ПС, питающих преимущественно воздушную сеть и не имеющих высокой степени резервирования.

Выбор типа резистора для заземления нейтрал производится по трем основным критериям:

Резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений;

Вопросы для самоконтроля.

6. Какие способы заземления нейтрали используются в электрических сетях?

7. В каких сетях применяется изолированная нейтраль?

8. Для чего применяется дугогасящий реактор (ДГР)? Почему он принято называть дугогасящим?

10. Как режим нейтрали влияет на уровень перенапряжений в электрической сети?

6. Какими факторами определяется выбор режима нейтрали в электрической сети?

Сейчас широко применяется система изолированной нейтрали сетей 6-35 кВ (без компенсации и с компенсацией емкостных токов), которая по своей физической сущности обладает рядом принципиальных недостатков, связанных с режимом однофазного замыкания на землю. Основные из них - это различного рода перенапряжения и повышенная опасность поражения людей и животных электрическим-током.

Принципиальная возможность модернизации системы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ - это переход на резистивную систему. Рези- стивная система заземления нейтрали сетей 6-35 кВ обеспечивает снижение уровня дуговых перенапряжений, селективное обнаружение поврежденного присоединения, его быстрое отключение и улучшение условий электробезопасности.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. Это принципиальное отличие позволяет решить две важные задачи: селективно определить поврежденное присоединение (за счет применения простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения; существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях на землю и исключить феррорезонансные- процессы.

Применяются три варианта заземления нейтрали сетей 6-35 кВ через резистор: низкоомное, высокоомное и комбинированное. Низкоомное резистивное заземление нейтрали применяется в случаях, когда однофазное замыкание на землю должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени. При этом ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение (от 10 до 100 А). Высокоомное резистивное заземление нейтрали целесообразно применять в случаях, когда сеть должна иметь возможность длительной работы в режиме однофазного замыкания на землю до обнаружения места замыкания. При этом ток в нейтрали должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений и снижение электробезопасности, но быть достаточным для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал (не более 10 А). Комбинированное заземление нейтрали осуществляется присоединением высокоомного резистора параллельно ДГР и позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке ДГР, а также способствует работе на сигнал релейных защит.

Выбор типа резистора для заземления нейтрали производится по трем основным критериям:

резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений;

сопротивление резистора в нейтрали должно гарантировать протекание

активного тока в поврежденном присоединении, достаточного для действия

релейных защит на сигнал или на отключение поврежденного присоединения;

при заземлении нейтрали через резистор должны соблюдаться условия электробезопасности для людей при однофазном замыкании на землю на подстанциях и распределительных пунктах с учетом существующего нормирования величины допустимого напряжения прикосновения.

Основной параметр резистора - его активное сопротивление R p , величина которого выбирается по критерию снижения уровня перенапряжений и затем может корректироваться по условиям работы релейной защиты и условию электробезопасности.

Первый критерий выбора резистора - снижение уровня перенапряжений. Аналитически и экспериментально установлено, что наибольшая эффективность защиты сетей от дуговых перенапряжений достигается при условии, что активная составляющая тока замыкания I зА, создаваемая резистором, больше суммарного емкостного тока сети I с. При определенных трудностях выполнения условия I зА > I с допускается при выборе сопротивления резистора использовать менее жесткое условие I зА >0,5 I с .

Второй критерий выбора резистора - гарантия работы устройств релейной защиты и автоматики. Защита от однофазных замыканий на землю в сети организуется на всех присоединениях. Устанавливается максимальная токовая защита нулевой последовательности с действием на отключение присоединений без выдержки времени при низко- омном резистивном заземлении нейтрали и с действием на сигнал при высокоомном резистивном заземлении нейтрали и при комбинированном заземлении нейтрали.

Селективность защит нулевой последовательности присоединений определяется тем, что активная составляющая тока однофазного замыкания на землю протекает только через поврежденное присоединение. Тип резистора по критерию работы устройств релейной защиты и автоматики выбирается в соответствии с условием

где I 3 - ток замыкания на землю за вычетом емкостного тока рассматриваемого присоединения, А; I С3 - максимальный ток уставки защиты из всех присоединений, А. Ток уставки защиты определяется по выражению

Режим нейтрали распределительных электрических сетей напряжением 6—20 кВ (РЭС) в течение многих лет был и остался предметом многочисленных публикаций и дискуссий .

Особенностью РЭС, включая городские электрические сети, является наличие у применяемого в них оборудования достаточно большого запаса электрической прочности фазной изоляции (относительно земли), допускающего работу с увеличенным фазным напряжением до номинального линейного. По этой причине нормативные материалы предписывают использовать режим изолированной нейтрали (I-режим ) для таких сетей в качестве основного. Данный режим получил исключительно широкое распространение, так как может допускать работу сети с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в течение времени, достаточного для поиска повреждённого участка, подачи резервного питания на электроприёмники или их отключения вручную.

В сетях с большой ёмкостью фаз в соответствии с осуществляется компенсация тока ОЗЗ с помощью дугогасящих реакторов, имеющих в ряде случаев автоматическую резонансную настройку на ёмкость сети. Данный режим наряду с режимом изолированной нейтрали в нашей стране является основным.

Анализ опыта эксплуатации сетей с изолированной нейтралью и компенсацией ёмкостных токов замыкания на землю, проведённый многими авторами, показывает, что удельная повреждаемость элементов РЭС достаточно велика. Это объясняет причину поиска новых режимов нейтрали РЭС, включая работу сети с изменяемым при ОЗЗ режимом нейтрали.

Наибольшее распространение во многих странах получили новые режимы работы сети: с высокоомным (R B -режим ) и низкоомным (R Н -режим ) рези-стивными заземлениями нейтрали, снижающими перенапряжения при ОЗЗ. При этом заземление принято считать высокоомным, если ток в элементе, заземляющем нейтраль, при ОЗЗ близок по модулю к ёмкостному току замыкания на землю, а низкоомным — если ток в указанном элементе в тех же условиях достаточен для срабатывания простейших токовых защит от ОЗЗ. Следует отметить, что заземление нейтрали с помощью дугогасящего реактора по аналогии с резистивным заземлением можно назвать высокоомным индуктивным заземлением (L B -режим ).

Наряду с этим в некоторых странах используется режим комбинированного (L B — R B -режим ), а также низкоомного индуктивного (L H -режим ) и эффективного заземления нейтрали (G-режим ). Следует отметить, что низкоомные резистивное и индуктивное заземления нейтрали, как правило, являются кратковременными режимами, в которые сеть переходит либо на время отключения ОЗЗ, либо на время селективного определения места повреждения, в то время как высокоомные заземления, включая L B — R B -режим , являются длительными, в которых сеть может работать постоянно.

Технические решения по резистивному заземлению нейтрали не всегда обеспечивают повышение эффективности функционирования кабельной сети. В частности, при высокоомном резистивном заземлении нейтрали (R B -режим ), как отмечено в , повторные пробои изоляции возникают более часто, чем в L B -режиме . Использование режима низкоомного резистивного заземления нейтрали (R H -режим ) связано с дополнительными капиталовложениями в средства релейной защиты, т.к. необходима установка специальных чувствительных защит от замыканий на землю. Кроме того, после отключения замыкания на землю затруднён быстрый поиск места повреждения, так как промышленные указатели тока короткого замыкания не реагируют на токи ОЗЗ при низкоомном резистивном заземлении нейтрали.

Повышенные перенапряжения при ОЗЗ могут быть снижены не только путём применения специального режима нейтрали, но и с помощью быстродействующего автоматического шунтирования (заземления) повреждённой фазы (АЗФ), однако в настоящее время в РФ этот вид автоматики практически не применяется. Одной из причин этого является несовместимость АЗФ с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов при ОЗЗ, обоснованная в .

В научно-технической литературе приведены различные варианты режимов нейтрали с анализом их достоинств и недостатков, однако появившиеся в последние годы публикации, посвящённые данной проблеме, объясняют необходимость дополнительного рассмотрения вопроса низкоомного заземления нейтрали, что является целью этой статьи.

НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

Низкоомное резистивное заземление нейтрали используется в России (по предложению В.А. Зильбермана ) и в Белоруссии . Очевидно, что по условию снижения перенапряжений при ОЗЗ до подключения в цепь нейтрали низкоомного элемента целесообразно эксплуатировать сеть с высокоомным (R B -режим ) или с комбинированным (L B — R B -режим ) заземлением нейтрали. Однако высокоомные резисторы имеют значительные габариты, массу и стоимость, что затрудняет их широкое использование. Дугогасящие реакторы также не свободны от недостатков, что отмечено, например, в . Очевидно, что должны быть проведены дополнительные исследования и расчёты по выбору целесообразного режима нейтрали, предшествующего подключению низкоомного элемента.

Существуют два подхода к осуществлению низкоомного заземления нейтрали:

резистивное заземление, обеспечивающее действие токовых защит от ОЗЗ;
индуктивное заземление, обеспечивающее срабатывание при ОЗЗ токовых защит от двойных замыканий на землю.

В первом случае речь идёт о дополнительном токе, проходящем через нейтраль и превышающем ёмкостный ток ОЗЗ примерно в три раза и более. Во втором случае уровень дополнительного тока I L должен составлять

I L > I СЗ (1,1) + I ОЗЗ ,

где I СЗ (1,1) — ток срабатывания защиты от двойных замыканий на землю;
I ОЗЗ — ёмкостный ток замыкания на землю при ОЗЗ.

Возможные режимы эксплуатации систем с низкоомным заземлением — длительные и кратковременные. При длительном заземлении дополнительный элемент (низкоомные резистор или индуктивность) постоянно включён в цепь, соединяющую нейтраль с землёй. Применение длительного заземления нейтрали по условиям электробезопасности предъявляет высокие требования к сопротивлению заземляющих устройств РЭС (R З ≤ 0,5 Ом), что экономически нецелесообразно и технически трудно реализуется. По указанной причине длительное заземление нейтрали на практике не используется и далее не рассматривается. При кратковременном заземлении дополнительный элемент подключается при ОЗЗ, например, по факту появления в сети значительного напряжения нулевой последовательности. Электробезопасность при этом обеспечивается за счёт быстрого отключения повреждённой линии или её участка, что позволяет в соответствии с ГОСТ 12.1.038 допускать повышенные значения напряжения прикосновения по сравнению с длительно допустимыми значениями.

В этом случае можно говорить об изменяемом при ОЗЗ режиме нейтрали.

Вариантами данного режима являются:

автоматическое отключение повреждённых присоединений при ОЗЗ простейшими защитами от замыканий на землю и фиксация повреждённого участка с помощью указателей прохождения тока короткого замыкания (УТКЗ);
обеспечение срабатывания УТКЗ путём кратковременного низкоомного индуктивного или резистивного заземления нейтрали без автоматического отключения повреждённых присоединений.

Во втором варианте при наличии в сети УТКЗ повреждённый участок с ОЗЗ выявляется оперативным персоналом в кратчайший срок. В этом случае целесообразен дальнейший перевод сети в R B -режим или L B — R B -режим .

Развитием второго варианта является автоматическое селективное отключение повреждённых участков магистральных линий и автоматическое восстановление электропитания отключённых потребителей путём использования информации от УТКЗ.

Оснащение РЭС высокочувствительными УТКЗ, срабатывающими при токе нулевой последовательности, в несколько раз превышающем ёмкостный ток замыкания на землю (при наличии отстройки от бросков указанного тока в переходном режиме или построенных на направленном принципе), упрощает поиск места ОЗЗ и снижает остроту вопроса обеспечения электробезопасности при низкоомных заземлениях нейтрали.

В настоящее время в основном получило распространение кратковременное низкоомное рези-стивное заземление нейтрали. Вместе с тем кратковременное низкоомное индуктивное заземление нейтрали применялось в Германии (г. Франкфурт-на-Майне, ограниченный ток однофазного короткого замыкания (КЗ) 800 А; г. Ганновер, ограниченный ток однофазного КЗ 825 А).

Низкоомное индуктивное заземление нейтрали практически не имеет затруднений с обеспечением термической стойкости индуктивности, так как потери активной мощности и энергии в указанном элементе пренебрежимо малы по сравнению с резистором того же назначения. В этих условиях резистор, аккумулируя тепловую энергию, не может включаться при частых ОЗЗ, интервалы времени между которыми сравнимы с постоянной времени охлаждения резистора.

В работах специалистов по режимам нейтрали, например , сформулированы критерии их сопоставления, заключающиеся в следующем:

возможность развития повреждений и износ оборудования при ОЗЗ;
надёжность электроснабжения;
возможность возникновения феррорезонансных и резонансных процессов;
условия электробезопасности;
сложность выполнения устройств селективной защиты, сигнализации и определения места повреждения (ОМП).

Подробное сопоставление режимов нейтрали по указанным критериям представляет собой самостоятельную задачу и выходит за рамки данной статьи.

НИЗКООМНОЕ ИНДУКТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

В 2008 г. сотрудниками Пятигорских электрических сетей (генеральный директор — В.А. Хнычев) и ЮРГТУ (НПИ) при участии автора статьи на участке электрической сети напряжением 10 кВ г. Пятигорска был внедрён режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали. В соответствии с этим предложением на распределительном пункте сети был устанавлен силовой трансформатор со схемой соединения «звезда — треугольник». Нейтраль обмотки, соединённой в звезду, заземлена. Указанный трансформатор подключается выключателем к источнику питания при ОЗЗ, т.е. при появлении на шинах питания напряжения нулевой последовательности U 0 . Подключение трансформатора переводит сеть из L B -режима в L Н -режим , т.е. режим низкоомного индуктивного заземления нейтрали. Значение тока однофазного замыкания на землю в L Н -режиме достаточно для срабатывания усовершенствованных указателей тока короткого замыкании. Следует подчеркнуть, что использование УТКЗ в данном режиме нейтрали электрической сети является эффективным средством для быстрого отыскания участка электрической сети с ОЗЗ и последующего восстановления электроснабжения.

Токи ОЗЗ в L H -режиме отключаются автоматически действием существующих достаточно грубых устройств релейной защиты, реагирующих на токи нулевой последовательности. Время существования L H -режима не превышает 0,3 с, что обеспечивается автоматическим отключением специального трансформатора от источника питания по истечении максимально допустимого времени по условию электробезопасности по ГОСТ 12.1.038. Уровень тока получающегося при этом однофазного КЗ с ограниченным током и продолжительность режима L Н -сети определяются условиями электробезопасности. В частности, при продолжительности режима не более 0,08 с напряжение прикосновения на контурах заземления электроустановок до 1 кВ не должно превышать 550 В.

Специальные трансформаторы могут быть подключены к шинам подстанций — центров питания, а также к шинам распределительных пунктов (РП) городских электрических сетей. Последнее обстоятельство предъявляет дополнительные требования к релейной защите электрической сети.

На рис. 1 приведён фрагмент участка кабельной сети, включающей в себя подстанцию энергоснабжающей организации — центр питания (ЦП). К секции шин 6—10 кВ С1 ЦП с помощью питающей кабельной линии W1 и выключателей Q2, Q5 подключена секция шин распределительного пункта РП1 (с целью упрощения показана только одна секция шин РП1). К С1 подключена также питающая линия W2 к другому РП — РП2 с выключателями Q3, Q6. Секционный выключатель Q4 на ЦП нормально отключён. К шинам РП1 через выключатели Q7, Q8 подключены распределительные линии W3, W4 c трансформаторными подстанциями ТП1 и ТП2. К шинам РП1 через нормально отключённый выключатель Q9 подключён специальный заземляющий трансформатор Т.

Рис. 1. Фрагмент участка кабельной сети напряжением 10 кВ

Защита и автоматика специального трансформатора:

должна обеспечивать автоматическое включение трансформатора по напряжению 3U 0 ;
должна обеспечивать автоматическое отключение трансформатора по истечении заданной выдержки времени;
должны также иметься устройства защиты, предусмотренные ПУЭ;
при необходимости должны осуществляться функции автоматического повторного включения (АПВ).

Защита и автоматика, действующая на вводной выключатель Q5 РП1:

с выдержкой времени должна действовать на отключение выключателя Q5 при ОЗЗ на линии W1;
должна сформировать команду на отключение выключателя Q5 по истечении заданного времени при существовании режима L H -сети (на случай отказа в отключении выключателя Q9).

Защита питающей линии W1, установленная в ЦП и действующая на отключение выключателя Q2, должна обладать свойством изменения чувствительности при наличии на шинах ЦП напряжения 3U 0 . Это требование предъявлено для обеспечения отключения выключателя Q2 при ОЗЗ на W1, так как при этом по трансформаторам тока фаз защиты проходят 2/3, 1/3 и 1/3 от тока повреждения в L H -режиме (рис. 2а и 2б).

Рис. 2. Токораспределение по элементам участка сети 10 кВ при ОЗЗ на КЛ, подключённой к шинам
со специальным заземляющим трансформатором (а) и к центру питания (б)

Защиты распределительных линий (W3, W4, W5, W6) должны быть выполнены в виде токовых отсечек нулевой последовательности, а остальных питающих линий, кроме W1 (например W2), — в виде токовых отсечек нулевой последовательности с выдержкой времени.

К защитам вводного (Q1) и секционного (Q4) выключателей ЦП специальные требования не предъявляются. Защита секционного выключателя РП1 (на рис. 1 этот выключатель не показан) должна обладать теми же свойствами, как и у вводного выключателя на секцию шин РП1.

Расчётная схема участка с ОЗЗ в L H -режиме (рис. 3) включает в себя ЭДС источника питания на ЦП, эквивалентные сопротивления системы и питающей линии, силовой трансформатор со схемой соединения «звезда с заземлённой нейтралью — треугольник», а также сопротивления отходящей линии, причём в цепь протекания тока ОЗЗ должны входить сопротивления заземления РП и растеканию тока в точке замыкания на землю.

Рис. 3. Расчётная схема участка сети 10 кВ

На основе расчётной схемы составлена комплексная схема замещения указанного участка при ОЗЗ (рис. 4).

Рис. 4. Комплексная схема замещения участка сети 10 кВ при ОЗЗ

Значения предельно возможного тока однофазного КЗ с ограниченным током I (1) к.пред при U ном.т = 10 кВ приведены в табл. 1.

Табл. 1. Значения I (1) к.пред

Следует отметить, что в расчёте I (1) к.пред не учтены индуктивные и активные сопротивления питающей системы (включая силовой трансформатор ЦП), питающей линии (W1) и активные сопротивления заземления РП и растеканию тока ОЗЗ, которые уменьшают уровень тока КЗ, особенно при наличии воздушных линий. Для выполнения более точных расчётов была разработана математическая модель режима на базе программного комплекса Matlab .

Предложенный режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали электрической сети напряжением 6—20 кВ логически замыкает совокупность режимов нейтрали таких сетей, что представлены в табл. 2.

Табл. 2. Совокупность режимов нейтрали распределительных электрических сетей напряжением 6—20 кВ

Примечание:
U ф.неп — напряжение неповреждённой фазы относительно земли;
I З.З — ёмкостный ток замыкания на землю;
С ф — суммарная ёмкость участка сети относительно земли;
I ср.уткз — ток срабатывания указателя тока короткого замыкания;
I R , I L —токи через резистор или индуктивность соответственно при 033.

АНАЛИЗ L H -РЕЖИМА И ОПЫТА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

При разработке и анализе опыта эксплуатации L Н -режима были приняты во внимание следующие обстоятельства.

1. В Пятигорских электрических сетях преимущественно используется кабельная сеть (КЛ 6—10 кВ — 400 км, ВЛ 6—10 кВ — 65 км). Все заземляющие устройства трансформаторных подстанций (ТП) города объединены в общую сеть посредством болтового соединения заземляющих поводков оболочек КЛ 6—10 кВ, а также нулевых проводников КЛ 0,4 кВ. Благодаря этому сопротивление каждого заземляющего устройства (ЗУ) ТП не превышает 0,5 Ом.

Исключение составляют ЗУ опор ВЛ 6—10 кВ, которые имеют значительно большее сопротивление (R<10 Ом) и не имеют металлической связи с другими ЗУ. Однако при возникновении ОЗЗ на ВЛ практически полностью исключается возможность поражения шаговым напряжением (из-за быстрого отключения ОЗЗ) и возникновения двойного однофазного замыкания на землю, ток при котором достигает нескольких кА.

Вместе с тем с целью уменьшения выноса потенциала на воздушных линиях целесообразна подвеска четвёртого (заземляющего) провода, соединяющего концы оболочек кабельных линий.

2. Обработка многих осциллограмм, полученных с помощью регистратора АУРА за четыре года эксплуатации, позволила установить значение коэффициента замыкания на землю в указанном режиме (трансформатор для заземления нейтрали имеет номинальную мощность 400 кВА) порядка 1,5. Поэтому в соответствии с нормами сеть в режиме L Н -сети не является сетью с эффективно заземлённой нейтралью.

Необходимо также учитывать, что для срабатывания усовершенствованных УТКЗ достаточна мощность трансформатора для заземления нейтрали меньше, чем 400 кВА, например 160 кВА. При этом значение коэффициента замыкания на землю оказывается выше 1,5.

Следует отметить, что при наличии специальных высокочувствительных устройств для фиксации ОЗЗ на участках магистральных линий требуемая мощность силового трансформатора для осуществления L Н -режима может быть существенно снижена, что улучшает условия электробезопасности.

3. Время существования L Н -режима практически не превышает 0,08 с, что определяется временем срабатывания усовершенствованных УТКЗ. При этом в соответствии с ГОСТ 12.1.038 нормируемая величина напряжения прикосновения составляет 550 В. Значение тока в L H -режиме составляет 800 А (что превышает фактические данные), получаем, что напряжение прикосновения составляет 400 В, что меньше допустимого значения.

После истечения указанного выше отрезка времени трансформатор для заземления нейтрали автоматически отключается (если не предусмотрено действие защит от однофазных замыканий на землю на отключение).

4. Применение кратковременного индуктивного заземления нейтрали объясняется во многом наличием неиспользуемых маломощных силовых трансформаторов на предприятии электрических сетей и наличием в электрической сети УТКЗ. Кроме того, указанные трансформаторы в отличие от резисторов по условиям термической стойкости допускают повторные включения при ОЗЗ.

5. Прохождение тока порядка 500—800 А через место повреждения зачастую приводило к созданию устойчивого металлического контакта между фазой и оболочкой КЛ. В результате исключалась возможность появления дуговых перенапряжений и при определении места повреждения КЛ не было необходимости в применении прожига дефектной изоляции.

6. Исключение двойных замыканий на землю и соответственно прохождение тока двойного замыкания на землю по заземляющим устройствам, естественным заземлителям, оболочкам кабелей существенно снижают остроту проблемы выноса потенциала, о которой говорится в в связи с анализом L Н -режима . Кроме того, исключение двойных замыканий на землю снижают вероятность термического повреждения кабельных муфт и концевых заделок.

Оснащение электрических сетей высокочувствительными УТКЗ, срабатывающими в L Н -режиме , при наличии выключателей нагрузки с автоматическими приводами, действующими на отключение и включение, даёт возможность без отключения магистральных линий силовыми выключателями селективно отключать при ОЗЗ повреждённые участки линий и без перерыва электропитания осуществлять перевод потребителей на резервные источники.

Благодаря внедрению L Н -режима за четыре года эксплуатации на участке Пятигорских электрических сетей не отмечено ни одного случая многоместных (двойных) замыканий на землю, приводящих к отключению нескольких присоединений. Хотя в целом число автоматических отключений несколько возросло (примерно на 5—10%), среди них нет ни одного случая, создавшего для диспетчерской или кабельной службы форс-мажорные обстоятельства по обеспечению электроснабжения. За весь период эксплуатации (с 2008 г.) не зафиксировано ни одного отказа автоматики и защиты трансформатора, создающего искусственную нулевую точку.

Кроме того, благодаря проведённой работниками электрических сетей работе по повышению чувствительности УТКЗ и созданию системы передачи сигналов об их срабатывании по оптоволоконной линии связи существенно облегчилась работа по выявлению участков линий с ОЗЗ.

ЗАМЕЧАНИЯ ОБ УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОЗЗ В СУЩЕСТВУЮЩИХ РЭС

В существующих электрических сетях напряжением 6—20 кВ, функционирующих в соответствии с предписанными ПУЭ режимами нейтрали, а также с высокоомным резистивным её заземлением, при двойных замыканиях на землю с токами (2—4) кА расчётное напряжение прикосновения даже при сопротивлении заземления, равном 0,5 Ом, значительно превышает допустимое значение в течение времени отключения КЗ. Очевидно, что условия электробезопасности по условию напряжения прикосновения в такой сети не обеспечены.

Особо опасными являются напряжения прикосновения при двойных замыканиях на землю через железобетонные и металлические опоры ВЛ сетей с изолированной нейтралью, компенсацией ёмкостного тока замыкания на землю и резистивным заземлением нейтрали на ВЛ 6—10 кВ. Следует отметить, что в L Н -режиме уровень тока однофазного КЗ с ограниченным током ниже тока двойного замыкания на землю по крайней мере в 2—4 раза и соответственно ниже уровень напряжения прикосновения. С учётом быстрого отключения повреждённого присоединения или заземляющего трансформатора можно говорить о более высокой электробезопасности L Н -режима по сравнению с существующей практикой.

В этих условиях при высоком значении сопротивлений заземления опор ВЛ в сетях с используемыми в соответствии с ПУЭ режимами нейтрали возможно несрабатывание защиты от двойных замыканий на землю со всеми вытекающими последствиями по условиям электробезопасности. Указанное обстоятельство вызывает вопрос о необходимости обеспечения чувствительности защиты от двойных замыканий на землю, если одна или обе точки замыкания находятся на опорах ВЛ.

Особое беспокойство должны вызывать условия электробезопасности при обрыве провода ВЛ и падении его на землю, особенно в населённых пунктах, о чём говорят факты гибели людей и животных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённые в данной статье материалы не претендуют на исчерпывающее решение проблемы выбора оптимального режима нейтрали. Они в первую очередь должны ознакомить читателей с особенностями низкоомного заземления нейтрали в РЭС и пояснить причины применения низкоомного индуктивного её заземления.

Очевидно, что оптимальный режим нейтрали или оптимальная совокупность указанных режимов могут потребовать совершенствования силового коммутационного оборудования, в частности, использования выключателей нагрузки с автоматическими приводами и вторичных систем (релейной защиты, сигнализации о месте ОЗЗ, автоматики, телемеханики и диспетчерского управления с соответствующими каналами связи) при безусловном выполнении требований электробезопасности и экономической эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. — М.: Госэнергоиздат, 1959, 415 с.
2. Сирота И.М., Кисленко С.П., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. — Киев: Наукова думка, 1985,264 с.
3. Зильберман в.А., Эпштейн И.М., Петрищев А.С., Рождественский Г.Г. влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты. — Электричество, 1987, № 12, с. 52—56.
4. Глушко в., Ямный О., Ковалёв Э., Бохан Н. Белорусские сети 6—35 кв переходят на режим заземления нейтрали через резистор. Новости Электротехники, 2006, № 3 (39), с. 37—40.
5. Миронов И.А. Проблема выбора режимов заземления нейтрали в сетях 6—35 кв. — Электро, 2006, № 5, с. 32—36.
6. Челазнов АА. Методические указания по выбору режима заземления нейтралей в сетях напряжением 6—10 кв. — Энергоэксперт, 2007, № 1, с. 60—67.
7. Лихачев Ф.Ф. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов. — М.: Энергия, 1971, 152 с.
8. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. — 7-е изд. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003 г., 176 с.
9. Альберто Черретти, Джорджо Ди Лембо и др. Автоматическое отключение КЗ на сетях среднего напряжения с нейтралью, подключённой к заземлению через полное сопротивление. CIRED. 17-я Международная конференция по распределению электроэнергии. Барселона, 12—15 мая, 2003 г., 8 с.
10. Фишман в. Универсальное решение по заземлению нейтрали пока не найдено. Новости электротехники, 2003, № 6, с. 36—38.
11. Кужеков С.Л., Хнычев в.А., Корогод А.А. и др. Предотвращение многоместных повреждений кабельных линий 6—10 кв средствами релейной защиты и электроавтоматики // Релейная защита и электроавтоматика энергосистем: сборник докладов XX конференции, Москва: Научно-инженерное информационное агентство, 2010, с. 259—263.
12. Фишман в. Регулирование режима заземления нейтрали в сетях 6—35 кБ с использованием принципов Smart Grid. Новости электротехники, 2012, № 5, с. 42—47.
13. Манилов А., Барна А. ОЗЗ в сетях 6—10 кв с комбинированным заземлением нейтрали. Способ обеспечения чувствительности защит. Новости электротехники, 2012, № 5, с. 42—47.

Тема заземления нейтрали уже несколько лет обсуждается на страницах журнала. Высказываются различные точки зрения, но к единому мнению специалисты пока не пришли.
Владимир Васильевич Назаров в своем материале попытался четко и доступно объяснить ряд важных моментов, которые следует учитывать при выборе способа заземления нейтрали, обосновал целесообразность перехода к высокоомному заземлению нейтрали.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6-35 кВ
Ретроспектива и будущее

Работы в области оптимизации режима нейтрали сетей 6-35 кВ активно велись организациями, представленными в , с 1971 года по инициативе Хмельницкого предприятия электрических сетей ПЭО «Винницаэнерго». Причиной послужили несколько несчастных случаев в сетях 10 кВ.

Из возможных направлений обеспечения условий безопасной эксплуатации сети были рассмотрены: повышение чувствительности устройств контроля изоляции и внедрение релейной защиты, действующей на отключение линии с однофазным замыканием (ОЗ), а также остро вставший вопрос надежности трансформаторов НТМИ, повреждения которых имели место при перемежающихся ОЗ с последующим отказом устройств контроля изоляции сети.

В ходе выполнения работ по комплексному решению этих задач, во-первых, выяснилась возможность повышения чувствительности сигнализации ОЗ по напряжению нулевой последовательности от 20 В в традиционных схемах до 3-5 В. Во-вторых, уже первые результаты опытов с резистивным заземлением нейтрали показали, что этим способом не только ограничиваются перенапряжения в режимах неустойчивых дуговых ОЗ, но и существенно снижается величина силы тока в первичных обмотках НТМИ при таких видах повреждений сети.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Для проведения исследований в сельской сети 10 кВ использовалась опытная установка (все устройства собственной разработки и изготовления) в составе однофазного силового трансформатора 6/0,4 кВ, двух низковольтных резисторов, а также тиристорного блока управления, распознающего характер ОЗ (полное или перемежающееся) и коммутирующего по заданной программе более мощный резистор .

Кроме того, было испытано устройство заземления нейтрали с емкостным регулятором тока компенсации и низковольтным резистором. Опытный реактор был дополнен вторичной силовой обмоткой к основной обмотке на 15 А. Четыре тиристорных ключа коммутировали: первый - резистор сопротивлением 4 Ом на время срабатывания селективной сигнализации ОЗ; второй - конденсатор, создающий в первичной обмотке емкостный противоток 1,5 А; третий - 3 А; четвертый - 6 А, обеспечивая ступень регулирования 1,5 А в диапазоне индуктивного тока реактора 4,5-15 А.

В 1970-х годах о широком распространении резистивного заземления нейтрали сети, как, к слову, и об использовании малых (на ток до 10 А) заземляющих реакторов, которое предписывалось для сельских сетей решением Главтехуправления Минэнерго СССР, не было и речи.

Трансформаторы напряжения

Основной причиной массового повреждения трансформаторов НТМИ были не дуговые перемежающиеся ОЗ, а конструкция самих ТН, создававшая связь фаз сети с землей через нелинейные индуктивности их высоковольтных обмоток. Для устранения этой причины были введены в эксплуатацию более 50 трансформаторов напряжения, в которых такая связь отсутствует.

Трансформаторы НТМ(и), собранные по схеме Арона, относящиеся к разряду незаземляемых, истинно антирезонансных, были дополнены высоковольтным трехфазным резисторным делителем и электронным блоком, выполняющими функции измерения напряжений фаз сети относительно земли (напряжений, некорректно называемых фазными) и сигнализации о появлении ОЗ с чувствительной (5 В) и грубой (20 В) уставками.

Идентичные выводы о необходимости изменения режима нейтрали или применения трансформаторов, не создающих указанную выше связь фаз с землей в сетях 6-35 кВ, позже были сделаны и другими исследователями .

Трансформаторы тока

Схемы устройств защиты и сигнализации (УЗС) ОЗ касаются и второго элемента системы первичной информации о параметрах режима сети - трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП), без которого не обойтись в построении селективных УЗС ОЗ.

Упрощение монтажа датчиков тока ОЗ на кабельных линиях 10 кВ было достигнуто посредством разработки и применения разъемного ТТНП, погрешность которого, в отличие от известного ТЗР, минимально зависела от тщательности его сборки (без демонтажа концевой муфты) и не превышала 3%. Применение таких ТТНП позволило успешно эксплуатировать централизованную защиту и селективную сигнализацию, отстроенные от максимального собственного емкостного тока наиболее длинной кабельной линии с учетом возможных послеаварийных режимов конкретной сети.

Но вопрос оснащения селективной сигнализацией оставался открытым именно в части ТТНП в ячейках КРУН с воздушными выводами. Из двух на то время возможных вариантов решения задачи: установка шинных ТТНП или монтаж кабельных вставок между присоединительными зажимами выключателя (линейного разъединителя) и проходными изоляторами выводов ВЛ - предпочтение было отдано второму.
Был еще и третий вариант - дополнение схемы измерения силы тока трансформатором в фазе В. Однако из-за тока небаланса в схеме фильтра тока нулевой последовательности (ФТНП), превышающего приемлемые значения, этот вариант далее не рассматривался.

Положение изменилось с появлением в начале ХХI века нанокристаллических магнитных материалов и применением их при конструировании трансформаторов тока, которые, в отличие от традиционных ТТ, позволяют получить ФТНП с током небаланса порядка 0,01% от номинального первичного тока трансформатора. Тем самым устраняется необходимость вынужденного использования громоздких, крупногабаритных шинных ТТНП, например в сетях генераторного напряжения электрических станций.

ДГР + резистор

В городских сетях г. Хмельницкий на одной из питающих подстанций 110/10 кВ в течение 10 лет, вплоть до момента ее реконструкции (проектная организация посчитала комбинацию «ДГР + резистор» не соответствующей ПУЭ и ПТЭ), эксплуатировалась установка параллельного включения ДГР и высоковольтного резистора. Резистор, постоянно включенный в режиме ожидания с целью ограничения напряжения смещения нейтрали, был оснащен автоматикой отключения с выдержкой времени 5 с после возникновения ОЗ. Работоспособность регулятора настройки компенсации (плунжерного реактора) обеспечивалась автоматическим отключением резистора на время 60 с с интервалом 30 мин.

В распределительном устройстве 10 кВ подстанции 110/10 кВ отходящие кабельные линии были оснащены селективной централизованной защитой/сигнализацией , действующей на отключение с выдержкой времени 3 с на двух линиях, питающих один из распределительных пунктов сети, а на остальных - на сигнал. На этом же РП были установлены устройства релейной защиты от ОЗ на отключение с выдержкой времени 1 с, а на всех проходных ТП, питаемых от данного РП, - указатели протекания тока ОЗ.

Рассматривалась целесообразность использования одного из известных способов выполнения устройств защиты, реагирующих на:

величину установившегося тока ОЗ (простые токовые защиты);
направление установившегося тока ОЗ (направленные защиты);
высшие гармоники установившегося тока ОЗ;
направление импульса тока нулевой последовательности в начальный момент ОЗ.

Избранный вариант централизованной защиты/сигнализации был доработан с учетом результатов анализа эксплуатации реле защиты от ОЗ в сетях горных предприятий, где по условиям безопасности требуется отключение линии с однофазным замыканием без выдержки времени. Данный анализ, выполненный ИГД им. А. А. Скочинского, ВостНИИ, МакНИИ, свидетельствовал о частых сбоях, отказах, неселективных срабатываниях эксплуатируемых в то время реле, а также о том, что необходимо не только усовершенствовать сами реле, но и создать условия для их правильного функционирования посредством внешнего относительно защит фактора - изменения режима нейтрали сети.

Этот вывод был подтвержден и нашими экспериментальными исследованиями, включая снятие осциллограмм токов и напряжений при различных видах ОЗ в действующих сетях: в карьерных 6 кВ Иршанского ГОК и Каменец-Подольского цементного завода, а также в сельских и городских 10 и 35 кВ Хмельницкого предприятия электрических сетей.

ДГР + резистор + релейная защита + сигнализация

Алгоритм действия комплекса «ДГР + резистор + релейная защита + сигнализация» был следующим. В случае возникновения ОЗ на любой из линий отмеченного выше РП срабатывают устройства сигнализации, указывающие оперативному персоналу сети конкретный поврежденный участок линии, а сама линия отключается выключателем на РП с выдержкой времени 1 с. Если ОЗ возникает на одной из линий питания РП или защита (выключатель) пропускает ОЗ на линии от РП, срабатывает РЗ на питающей подстанции с выдержкой времени 3 с. И в первом, и во втором случаях резистор остается постоянно включенным. В третьей ситуации, когда ОЗ возникает на любой из линий, не относящейся к рассмотренному РП, срабатывает селективная сигнализация на питающей подстанции, на РП и на участках линии, где произошло замыкание. Через 5 секунд отключается резистор, а ДГР продолжает выполнять свои функции вплоть до выделения из схемы сети уже известного поврежденного участка.

В данной установке использовались высоковольтные высокоомные резисторы серии ССН, изготовленные по нашему заказу в объеме экспериментальной партии московским предприятием «Энерготехпром» в 1980-х годах. Часть из них в комбинациях параллельного и последовательного соединений успешно прошла опытную эксплуатацию в сетях Винницкой энергосистемы.

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

Серьезная поддержка работ по исследованию и внедрению высокоомного заземления нейтрали распределительных сетей была оказана со стороны ВНИИЭ (Н. Н. Беляков, Л. В. Тимашова) и СибНИИЭ, в частности, выразившаяся в инициировании и впоследствии внесении в п. 1.2.16 ПУЭ 7-го изд. слова «резистор». В этом пункте однако заложено противоречие. Первый абзац гласит: «Работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». А затем: «Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться (выделено автором - ред.) при значениях этого тока в нормальных режимах…». И далее излагаются требования, известные из ПУЭ 6-го изд., которые оставляют резистивному заземлению нейтрали распределительные сети, не подпадающие под указанные в этом же пункте ограничения.

Заметим, что в ПУЭ нет деления резисторов на высокоомные и низкоомные. Приходится, руководствуясь фразой «заземленной через дугогасящий реактор или резистор», догадываться, что речь идет о резисторе как эквиваленте по величине сопротивления дугогасящему реактору, т. е. высокоомном.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

Официально различие толкований «высокоомный» и «низкоомный» резистор не установлено.

Высокоомное заземление

Относительно понятия высокоомного заземления специалисты близки к согласию, считая, что при таком режиме используются резисторы, активное сопротивление которых ориентируется на 100% от величины емкостного сопротивления сети при нормальной схеме электрических соединений. Этот режим практически не изменяет коэффициент замыкания на землю, остающийся близким к 1,73.

При этом сохраняются разногласия по поводу того, в каких сетях может использоваться высокоомное заземление. Мнение автора этой статьи однозначно: в сети с резистивным заземлением нейтрали, независимо от величины тока однофазного замыкания, линия с ОЗ отключается устройствами защиты за время не более 5 с. Сеть не эксплуатируется в режиме однофазного замыкания. Данное обстоятельство, кроме прочего, определяет, в каких сетях уместен такой режим, а также требования к самому резистивному устройству заземления нейтрали.

Обобщая накопленный опыт исследований и эксплуатации высокоомного заземления нейтрали распределительных сетей как в СНГ, так и за рубежом, можно ввести два критерия такого режима нейтрали. Первый - в соотношении накладываемого активного тока резистора к емкостному току ОЗ: I а = (1-2) I с. Второй - ограничение тока резистора величиной 1% от тока трехфазного короткого замыкания в сетях, где I с превышает 100 А, учитывая неявно выраженную корреляцию: мощность системы (ток трехфазного КЗ) - развитость питаемой сети (емкостный ток ОЗ).

Еще одно, весьма важное, уточнение: в сетях, питающих электроустановки с повышенной опасностью обслуживания, при емкостном токе ОЗ, меньшем 4 А, накладываемый активный ток резистора должен быть не меньше тех же 4 А.

Низкоомное заземление

Относительно определения низкоомного заземления следует ориентироваться на значения коэффициента замыкания на землю в пределах 1,4 (значения меньше 1,4 определяют зону эффективного заземления нейтрали) и 1,7 (ближе к величине, равной 1,6).

Для этого режима целесообразно введение ограничения в пределах 0,1-0,2 по току трехфазного КЗ. К слову, срабатывание устройства заземления неповрежденной фазы для создания искусственного двойного КЗ или применение устройств замыкания поврежденной фазы на время их включенного состояния переводят сеть в режим, эквивалентный глухому заземлению нейтрали системы.

Добавим, что режим низкоомного заземления нейтрали по-требует дополнительных материальных вложений в усиление заземляющих устройств подстанций, особенно на территориях с относительно большим удельным сопротивлением грунта. Также он неприемлем не только в сети с ВЛ на металлических и ж/б опорах, но и при наличии хотя бы одного пролета ВЛ любой конструкции.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

К перечню показателей, влияющих на выбор варианта заземления нейтрали, в первую очередь относят кратность перенапряжений в сети при перемежающихся ОЗ.

Анализ опубликованных данных, полученных исследователями этих процессов, и результаты измерений, выполненных автором в сетях 6-35 кВ различного назначения, показали: кратности относительно 1,41 U ф этих перенапряжений подчиняются нормальному закону распределения . Его основные параметры:

математическое ожидание - 2,27; 2,07; 1,92 в сетях соответственно с нейтралью изолированной, заземленной через ДГР, заземленный через высокоомный резистор;
среднее квадратичное отклонение - 0,46; 0,40; 0,26.

Исходя из оценки математического ожидания, получаем вывод о не столь большой, как принято считать, опасности дуговых перенапряжений в сети с изолированной нейтралью. Но среднее квадратичное отклонение свидетельствует о весьма высокой вероятности, порядка 30% в двухсигмовом доверительном интервале, появления в такой сети перенапряжений в пределах 2,4-3,2 амплитудного значения фазного напряжения. Несколько лучше выглядит сеть с заземлением через ДГР. Существенным преимуществом обладает сеть с высокоомным заземлением нейтрали. Еще лучший показатель по параметру кратности перенапряжений свойственен сети с низкоомным резистором в ее нейтрали. Однако данное положительное свойство низкоомного заземления вовсе не означает его преимущество по комплексной оценке относительно иных режимов - с ДГР и тем более с высокоомным резистором.

ОБОБЩАЮЩИЕ МОМЕНТЫ

Объективный анализ сегодняшнего состояния распределительных сетей свидетельствует о невозможности отказа, тем более полного, от компенсации токов ОЗ. Но необходимо не упускать из виду ряд моментов, на которые обращалось внимание в :

возросший уровень высших гармоник тока ОЗ;
возможное повышение активной составляющей в токе замыкания;
сложности построения и применения устройств автоматического определения поврежденного участка сети с ОЗ.

О достаточно высокой вероятности появления первого фактора свидетельствуют не только наши исследования, но и работы других авторов (например ). По второму данные были представлены еще раньше .

И если компенсация емкостных токов ОЗ сомнению не подлежит, то не могу согласиться с внедрением постоянно включенного резистора в нейтрали сети, где предусмотрено ее длительное, часами, функционирование в режиме ОЗ.

Возникает вопрос: допустимо ли совместное использование ДГР и резистора? Естественно, допустимо. Однако, во-первых, необходимо ограничить включенное состояние резистора, высоковольтного или низковольтного, только временем срабатывания устройств сигнализации и защиты от ОЗ. Во-вторых, данная комбинация - это полумера на время переходного периода к активно-адаптивным сетям высшего уровня.

Сущность активно-адаптивной распределительной сети (АкАд-сеть) в части режима ее нейтрали и защиты от аварийных ситуаций, связанных с замыканиями на землю (однофазными, многоместными), заключается в освобождении от одного из анахронизмов энергетики ХХ столетия - целесообразности, а подчас и необходимости длительного состояния сети с однофазным замыканием.

Задача обеспечения надежного электроснабжения решается с помощью системы управления сетью, которая создает условия его непрерывности и автоматической локализации поврежденного элемента сети, исключая необходимость ручного отключения с предварительным предупреждением потребителя. Функциональная схема такого управления сетью в плане автоматики и защиты от однофазных замыканий (рис. 1) представлена в .

Рис. 1. Функциональная схема АСЦУ

ВЫВОДЫ

Нейтраль распределительных сетей 6-35 кВ не должна быть изолирована от земли. В современных условиях их эксплуатации очевидно преимущество комбинированного, индуктивно-активного режима нейтрали: плавно или с малой дискретностью регулируемых ДГР с высокоомно-резистивным заземлением для создания условий надежного действия релейной защиты и сигнализации, подавления перенапряжений в начальной стадии ОЗ.

Активная часть устройства может быть выполнена в виде отдельно смонтированного высоковольтного резистора с соответствующим аппаратом коммутации или низковольтного, также коммутируемого резистора, подключенного к силовой вторичной обмотке ДГР.

В сетях, где внедряются кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена, а также сухие силовые трансформаторы (за ними, безусловно, будущее, но и те и другие требуют усиленной защиты от перенапряжений путем применения соответствующих ОПН), ситуация иная. Здесь целесообразно использовать высокоомно-резистивное заземление нейтрали, релейную защиту, действующую на отключение поврежденного участка линии и устройств АВР.

Аналогичное требование следует учитывать и в случае повышенного уровня гармоник в токе однофазного замыкания сети, отрицательно влияющих на эффективность применения ДГР.

В сетях, сооружаемых по концепции активно-адаптивных, где достигается их принципиально новое качество, выражающееся, в частности, в автоматизации процесса выделения поврежденного участка сети без даже кратковременного перерыва в питании потребителей электрической энергии, должны применяться высокоомный резистивный режим нейтрали, автоматика и защита от ОЗ, то есть полная автоматика, действующая по фактору ОЗ с опережающим включением резерва питания относительно момента отключения поврежденной линии, как составная часть кибернетического комплекса активно-адаптивной сети.

Режим низкоомного заземления нейтрали может быть использован после детального рассмотрения условий безопасности и оценки экономической эффективности по сравнению с режимом высокоомно-резистивного заземления в каждом конкретном варианте его применения.

В отношении разработки единого нормативного документа по выбору режима нейтрали в сетях 6-35 кВ следует согласиться с автором : необходимо не допускать самодеятельности в вопросах обеспечения электробезопасности.

ЛИТЕРАТУРА

Назаров В.В. Устройство для изменения активного сопротивления в нейтрали некомпенсированных сетей 3-10 кВ // Энергетик. 1981. № 7.
Назаров В.В. Защита электрических сетей от однофазных замыканий. Киев: Либідь, 1992.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е изд.
Вайнштейн В.Л. Исследования высших гармоник тока замыкания одной фазы на землю // Промышленная энергетика. 1986. № 1.
Назаров В.В. Исследования токов замыкания на землю в сетях 10 кВ с железобетонными опорами // Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.
Фишман В.С. Нейтраль распределительных сетей. Какое решение предпочтительнее? // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 6(84).

Высокоомный резистор для заземления нейтрали. Заземление нейтрали

НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

НИЗКООМНОЕ ИНДУКТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

АНАЛИЗ L H -РЕЖИМА И ОПЫТА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЗАМЕЧАНИЯ ОБ УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОЗЗ В СУЩЕСТВУЮЩИХ РЭС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА