Глава 2 Диагностика состояния воздушных линий 6-35 кВ

Режим нейтрали в сетях 6−35 кВ регламентируется п. 1.2.16 ПУЭ, в котором отмечено, что «работа электрических сетей напряжением 3−35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах :

В сетях 3−20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ – более10 А;

В сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи: более 30 А при напряжении 6 кВ; более 20 А при напряжении 10 кВ; более 15 А при напряжении 35 кВ;

В схемах генераторного напряжения 6−20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5 А».

Таким образом, сейчас в сетях 6−35 кВ в России формально разрешены к применению все принятые в мировой практике способы заземления нейтрали, кроме глухого заземления.

Все способы и средства повышения надежности работы высоковольтных сетей направлены на предотвращение электро- и пожароопасных ситуаций, вызванных ОЗЗ. Эксплуатационные качества электрических сетей, способы локализации аварийных повреждений и условия бесперебойного электроснабжения потребителей в значительной мере определяются режимом заземления нейтрали. Это обусловлено тем, что не менее 75 % всех аварийных повреждений в электрических сетях 6−35 кВ связаны с ОЗЗ.

Причины возникновения ОЗЗ в воздушных и кабельных сетях весьма многообразны . Это электрические и механические разрушения изоляции, дефекты в изоляторах и изоляционных конструкциях, их увлажнение и загрязнение, обрыв проводов и тросов, разрывы токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещениях почвы, частичные повреждения изоляции при строительных и монтажных работах, воздействие грозовых и внутренних перенапряжений. Замыкание фазы на землю в сетях такого напряжения могут привести к следующим неприятным последствиям. В сети появляются перенапряжения порядка 2,4–3,5 кратных по сравнению с фазным, что может привести к пробою изоляции неповрежденных фаз и переходу ОЗЗ в «двухместное» или двойное замыкание на землю по своим характеристикам близкое к двухфазным коротким замыканиям. Риск возникновения таких двойных замыканий заметно вырос в последнее время в связи со старением изоляции электрических машин и аппаратов многих энергетических объектов и отсутствием средств на их модернизацию и замену.

Возможны явления феррорезонанса, от которых в рассматриваемых сетях чаще всего выходят из строя трансформаторы напряжения. Иногда повреждаются и слабо нагруженные силовые трансформаторы, работающие в режиме, близком к холостому ходу.

На ВЛ однофазные замыкания на землю часто происходят при обрыве провода и падении его на землю. При этом возникает опасность поражения людей и животных электрическим током. Особенно велика такая опасность, если ВЛ проходит по густонаселенным районам.

Нарушения изоляции статорной обмотки двигателей на металл статора часто происходят через дугу и могут привести к значительным повреждениям не только самой обмотки, но и железа статора (вызвать «пожар железа»). «Пережог» изоляции приводит к появлению опасных витковых или междуфазных коротких замыканий. Неоднократно отмечалось, что «вторичные» нарушения изоляции, возникающие после появления в сети 3−10 кВ ОЗЗ, происходят именно на двигателях, поскольку качество их изоляции обычно уступает качеству изоляции ВЛ и другого оборудования. Характер процессов, протекающих в сети при ОЗЗ, в большой степени зависит от режима заземления нейтрали .

В настоящее время в России наиболее распространены три способа заземления нейтрали в рассматриваемых сетях: изолированная, компенсированная и резистивно-заземленная. Начинает применяться и четвертый – с резистором и дугогасящим реактором в нейтрали. Проводятся исследования по кратковременному низкоомному индуктивному заземлению нейтрали.

2.1.1 Изолированная нейтраль

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. В распределительных сетях 6−35 кВ обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник (рис. 2.1), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

Достоинствами режима являются :

Малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).

Возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте ОЗЗ;

Возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;

Возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;

Необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

Опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании ОЗЗ;

Сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

2.1.2 Заземление нейтрали через индуктивность

Способ заземления нейтрали через индуктивность (дугогасящий реактор), как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети обычно получают, используя силовой трансформатор (рис. 2.2).

Этот способ был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена).

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция из сшитого полиэтилена в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже, несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для этих кабельных сетей самоликвидация ОЗЗ как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.

Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются :

Отсутствие необходимости в немедленном отключении первого ОЗЗ;

Малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);

Возможность самоликвидации ОЗЗ, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);

Исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

Возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;

Возможность возникновения двойных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;

Возможность перехода ОЗЗ в двухфазное при значительной расстройке компенсации;

Возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов;

Возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях;

Сложность обнаружения места повреждения;

Опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;

Сложность обеспечения правильной работы релейных защит от ОЗЗ, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

2.1.3 Заземление нейтрали через резистор

Этот режим заземления используется в России все чаще, тогда как мире резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ.

Резистор в отечественных сетях 6−35 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль заземляющего трансформатора (рис. 2.3).

Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный и низкоомный.

При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте ОЗЗ, был равен или больше емкостного тока сети. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее ОЗЗ немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5−7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали.

При низкоомном заземлении нейтрали используется резистор, создающий ток в пределах 10−2000 А. Величина тока, создаваемого резистором, выбирается исходя из нескольких конкретных условий: стойкость опор ВЛ, оболочек и экранов кабелей к протеканию такого тока ОЗЗ; наличие в сети высоковольтных электродвигателей и генераторов; чувствительность релейной защиты.

Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются :

Отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети;

Отсутствие необходимости в отключении первого ОЗЗ (только для высокоомного заземления нейтрали);

Исключение феррорезонансных процессов и повреждений трансформаторов напряжения;

Уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц при однофазном замыкании (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);

Практически полное исключение возможности перехода ОЗЗ в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);

Простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от ОЗЗ, основанной на токовом принципе.

Недостатками резистивного режима заземления нейтрали являются:

Увеличение тока в месте повреждения;

Необходимость в отключении ОЗЗ (только для низкоомного заземления);

Ограничение на развитие сети (только для высокоомного заземления).

Отсутствие дуговых перенапряжений при ОЗЗ и возможность организации селективной релейной защиты являются неоспоримыми преимуществами режима резистивного заземления нейтрали. Именно эти преимущества способствовали широкому распространению такого режима заземления нейтрали в разных странах.

2.1.4 Глухое заземление нейтрали

В отечественных сетях 6−35 кВ не используется. Этот режим заземления нейтрали широко распространен в США, Канаде, Австралии, Великобритании и связанных с ними странах . Он находит применение в четырехпроводных воздушных сетях среднего напряжения 4−25 кВ. В качестве примера на рис. 2.4 приведен участок сети 13,8 кВ в США.

ВЛ на всем своем протяжении и ответвлениях снабжена четвертым нулевым проводом. Концепция построения сети заключается в том, чтобы максимально сократить протяженность низковольтных сетей напряжением 120 В. Каждый частный дом питается от собственного понижающего трансформатора 13,8/0,12 кВ, включенного на фазное напряжение. Основная ВЛ делится на участки секционирующими аппаратами – реклоузерами. Трансформаторы каждого отдельного потребителя и ответвления от линии защищаются предохранителями. На отпайках от линии используются отделители, обеспечивающие отключение в бестоковую паузу.

Этот способ заземления нейтрали не используется в сетях, содержащих высоковольтные электродвигатели. Токи однофазного замыкания в этом случае достигают нескольких килоампер, что недопустимо с позиций повреждения статора электродвигателя (выплавление стали при однофазном замыкании).

Применение глухого заземления нейтрали в сетях среднего напряжения в России вряд ли необходимо и вероятно в обозримом будущем. Все отечественные линии 6−35 кВ трехпроводные, а трансформаторы потребителей трехфазные, то есть сам подход к построению сети существенно отличается от зарубежного.

2.1.5 Кратковременное низкоомное индуктивное заземление нейтрали

Кратковременное низкоомное индуктивное заземление нейтрали как способ предложено в ЮРГТУ (Южно-Российский государственный технический университет) .

В соответствие со способом, на участке сети (наиболее целесообразно в центре питания) предлагается устанавливать специальный силовой трансформатор со схемой соединения звезда-треугольник (ТЗН). Нейтраль обмотки, соединенной в звезду, заземляется. Указанный трансформатор подключается выключателем к источнику питания при ОЗЗ, т.е. при появлении на шинах питания напряжения нулевой последовательности. Подключение трансформатора переводит сеть в режим низкоомного индуктивного заземления нейтрали. При этом значение тока ОЗЗ становится достаточным для срабатывания устройств релейной защиты (500−1000 А).

Достоинства:

Токи ОЗЗ в такой сети отключаются автоматически действием существующих устройств РЗ от двойных замыканий на землю, реагирующих на токи НП. Могут использоваться также и максимальные токовые защиты (МТЗ);

Дает значительную экономию по сравнению с ДГР с устройствами автоматической компенсации емкостных токов;

Исключает появление значительных коммутационных перенапряжений при ОЗЗ.

Недостатки: Время существования режима должно быть минимальным, т. е. ТЗН должен автоматически отключаться от источника питания по истечении допустимого времени (не более 2 сек).

2.1.6 Снижение тока замыкания на землю при ОЗЗ

Для снижения тока замыкания на землю, как показано выше, применяются специальные компенсирующие устройства − дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшой остаточной величины.

Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшую величину, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, ОЗЗ не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал.

Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому согласно Правилам технической эксплуатации допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок.

В сетях, питающих передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение.

2.2 Методы расчета параметров режима при повреждениях в сетях 6−35 кВ

Расчет режима при любом КЗ заключается в определении неизвестных токов во всех ветвях и напряжений во всех узлах трехфазной электрической сети.

Расчет можно выполнять как в фазных координатах (ФК) , так и в симметричных координатах (СК) . Расчет трехфазного КЗ обычно производят в однолинейном виде, т. е. в симметричных координатах при отсутствии обратной и нулевой последовательностей.

В зависимости от номинального напряжения нейтраль может быть изолирована или заземлена. При номинальном напряжении 6 кВ, 10 кВ, 15 кВ, 20 кВ, 35кВ нейтраль трансформатора делается изолированной, а при напряжении 110 кВ применяется заземленная или эффективно заземленная нейтраль электрической сети. В сетях напряжением 220 кВ и выше применяется глухозаземленная нейтраль.

Рис. 9.1. Векторная диаграмма

Рис. 9.2. Емкости фаз (С ) на землю

В сетях с изолированной нейтралью для того чтобы напряжение на нейтрали было равно нулю необходимо соблюсти условие, которое заключается в том, что углы между векторами напряжений фаз должны быть равны 120 º (рис. 9.1). Но это условие не всегда соблюдается, так как емкости разных фаз могут быть не равны. В зависимости от расположения проводов над поверхностью земли, рельефа местности, при замыкании фаз на землю будет изменяться и емкость относительно земли (рис.9.2, 9.3).

При увеличении протяженности ЛЭП емкость возрастает, и наоборот.

Наличие несимметрии фаз на ЛЭП приводит к изменению диаграммы напряжений, т.е. углы между векторами изменяются, вследствие чего напряжение на нейтрали становится неравным нулю.

Рис.9.3. Несимметрия фаз в сети

Величина емкостного тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) напрямую зависит от протяженности ЛЭП и может варьироваться от 2 до 30А.

Достоинства изолированной нейтрали сети заключаются в том, что:

1) при однофазном замыкании на землю потребитель не отключается автоматически и продолжает получать электроэнергию по двум здоровым фазам;

2) можно сэкономить на релейной защите и автоматике, так как в случае однофазного замыкания на землю при небольшом токе однофазного замыкания можно надеяться на самопогасание дуги и полное восстановление электрической прочности изоляции воздушной ЛЭП.

Линии напряжением до 35 кВ включительно не защищаются тросом по всей длине линии. Трос подвешивается только на подходе к подстанции. Длина этого защитного подхода может быть 1 – 2 км. Во время грозового сезона однофазные замыкания на линиях часто возникают из-за удара молнии в провода воздушных ЛЭП, вследствие чего может возникнуть перекрытие изоляторов.

Рис.9.4. Однофазное перекрытие изоляции при ударе молнии

Вероятность самопогасания дуги напрямую зависит от величины емкости линии. Если емкость имеет большое значение, ток однофазного замыкания на землю также возрастает и полной деионизации изоляционного промежутка не происходит. В этом случае возникает так называемая перемежающаяся дуга, которая приводит к дуговым перенапряжениям, т.к. она то гаснет, то вновь загорается. Дуга в этом случае служит своего рода контактором. Этот случай является самым тяжелым для оборудования подстанций или станций.

При замыкании на землю одной фазы, напряжение в оставшихся здоровых фазах будет равно . Уровень внутренних перенапряжений в таких сетях относительно высокий, так как напряжение на здоровых фазах определяет установившиеся перенапряжения, на которые накладываются свободные колебания (рис. 9.5.) .

Рис.9.5. Векторная диаграмма

напряжений в режиме ДПЗ.

При попадании молнии в деревянную опору, опора расщепляется и в некоторых случаях может обломиться и провод может упасть на землю. В этом случае возникает режим «два провода – земля» (ДПЗ), который удобен тем, что не происходит прерывания снабжения потребителей.

Этот режим для коротких линий также был хорош тем, что не требовал отключения ОЗЗ сразу же после пробоя изоляции одной из фаз кабеля, т.к. при отключении фазы трудно найти место ОЗЗ в кабеле. В режиме ДПЗ место замыкания сначала определяли с помощью специальных приборов и только потом отключали кабельную линию и ремонтировали.

Но после того как длины линий со временем стали увеличиваться, а соответственно и возрастала емкость линий, ситуация стала меняться. Те режимы, которые были хороши для коротких линий, стали непригодны для длинных линий. Необходимо было искать новые способы повышения надежности электроснабжения потребителей. Широко стали применяться дугогасящие реакторы (ДГР), которые способствовали уменьшению тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).

Рис. 9.6. Обрыв фазы с замыканием на землю в сети с ДГР

Для сравнительно коротких линий справедливо соотношение I озз @ I с.

Рассмотрим варианты разной степени настройки ДГР (рис. 9.7).

точной настройки К= 1

Рис. 9.7. Векторные диаграммы токов в сети с ДГР

При соотношении возникает режим точной настройки ДГР, который существует при равенстве емкостного тока однофазного замыкания на землю и индуктивного тока, протекающего через ДГР. Этот режим самый выгодный по остаточному току (ток небольшой и легко гаснет при прохождении через нулевое значение).

Рекомендуется режим точной настройки или перекомпенсации не более 5%. При недокомпенсации (I L < I C) напряжение нейтрали очень большое (больше 1,5U ф) за счет резонансного процесса в контуре (рис. 9.8а). При перекомпенсации (I L > I C) напряжение на нейтрали меньше.

U дгр = U н

Рис. 9.8. Перенапряжения на ДГК: а – резонансная кривая в контуре с ДГК;

б – векторная диаграмма напряжений

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (6-35 кВ):

• изолированная (незаземленная);
• глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру);
• заземленная через дугогасящий реактор;
• заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

Способ заземления нейтрали сети является достаточно важной характеристикой. Он определяет:

• ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании;
• схему построения релейной защиты от замыканий на землю;
• уровень изоляции электрооборудования;
• выбор аппаратов для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений (ограничителей перенапряжений);
• бесперебойность электроснабжения;
• допустимое сопротивление контура заземления подстанции;
• безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.

Режим изолированной нейтрали имеет одно неоспоримое преимущество - малый ток однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), что позволяет:

• увеличить ресурс выключателей (поскольку однофазные замыкания достигают 90% от общего числа замыканий);
• снизить требования к заземляющим устройствам, определяемые условиями электробезопасности при однофазных замыканиях на землю.

Однако этот режим обладает и целым букетом недостатков (по сравнению с режимом эффективно заземленной нейтрали), к которым следует отнести:

• феррорезонансные явления, вызываемые кратковременными ОЗЗ;
• дуговые перенапряжения, связанные с появлением перемежающейся дуги при ОЗЗ и приводящие к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное;
• сложность построения селективных защит от ОЗЗ при изолированной нейтрали и их недостаточную работоспособность в сетях с различными режимами и конфигурацией.

К достоинствам сети с изолированной нейтралью часто относят возможность продолжения ее работы при однофазном замыкании, что якобы повышает надежность электроснабжения потребителей. Такое утверждение по меньшей мере архаично. Опыт показывает, что в большинстве случаев однофазные замыкания из-за присущих сети недостатков быстро (если не мгновенно) переходят в двух- и трехфазные (см., например, ) и поврежденная линия всё равно отключается.

При сохранении замыкания на землю у опор воздушных линий или у места падения провода возникают опасные напряжения прикосновения. Известно, что около половины тяжелых и смертельных электропоражений приходится на случаи, связанные с замыканиями на землю, а среди общего электротравматизма на первое место давно вышел электротравматизм в сетях среднего напряжения .

В настоящее время бесперебойность электроснабжения обеспечивается в основном за счет двухстороннего питания и устройств АВР. Сохранять бесперебойность электроснабжения и одновременно сохранять аварийное состояние сети (ОЗЗ) – способ даже менее разумный, чем давно отжившая система ДПЗ.

Заземление через дугогасящий реактор позволяет в определенных случаях снизить ток замыкания на землю до его погасания, то есть ликвидировать дуговые перенапряжения. Это в свою очередь уменьшает число переходов ОЗЗ в двух- и трехфазные короткие замыкания. Снижение тока ОЗЗ улучшает условия электробезопасности в месте замыкания, хотя полностью не устраняет возможность электропоражения в сетях с воздушными линиями.

Недостатки заземления через дугогасящий реактор (ДГР):

• необходимость симметрирования сети до степени 0,75% фазного напряжения (в сетях с воздушными линиями степень несимметрии всегда не ниже 1–2%, а при двухцепных ВЛ нормально может достигать 5–7%; Правилами технической эксплуатации в некоторых случаях допускается напряжение смещения нейтрали до 30% от фазного напряжения );
• сложность и высокая стоимость систем автоматической подстройки ДГР (реакторы с механической подстройкой практически не эксплуатируются); невозможность широкой диапазонной настройки, необходимой для разветвленных городских сетей с часто изменяемой конфигурацией по отношению к питающей подстанции;
• практически полное отсутствие селективных защит от ОЗЗ для сети с заземлением нейтрали через ДГР.

По поводу последнего недостатка можно возразить, что при хорошей компенсации емкостного тока отключение поврежденного присоединения не обязательно. Принимая это возражение, остается констатировать, что применение дугогасящего реактора – это способ сохранения аварийного режима однофазного замыкания, причем способ не дешевый.

Заземление нейтрали через резистор имеет несомненные достоинства, подтвержденные мировой практикой и опытом, накопленным в России:

• полное устранение феррорезонансных явлений;
• снижение уровня дуговых перенапряжений и устранение перехода ОЗЗ в двух- и трехфазные замыкания;
• возможность построения простых селективных защит от ОЗЗ.

К недостаткам резистивного заземления нейтрали следует отнести:

• увеличение тока замыкания на землю (максимум на 40%);
• появление на подстанции греющегося оборудования (резистора мощностью 30–400 кВт).

Эти недостатки незначительны по следующим причинам:

• В сетях с заземленной нейтралью токи короткого замыкания составляют тысячи и десятки тысяч ампер; двойные замыкания на землю в сетях 6–35 кВ приводят к токам в сотни и тысячи ампер. В таких условиях названные сети успешно эксплуатируются, и на этом фоне увеличение тока ОЗЗ с 10 до 14 А или даже с 200 до 280 А ситуации не меняет.
• Нагревающийся при ОЗЗ резистор – более существенный недостаток. Однако определяемые ПУЭ допустимые температуры для другого оборудования, достигающие в аварийных режимах 200–3000С, позволяют спроектировать резистор, нагревающийся только до нижнего из указанных пределов. Установка такого резистора на ОРУ практически снимает вопрос о пожароопасности.

Области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения попытаемся определить, основываясь на высказанных выше положениях. В зависимости от типа сети и требуемых параметров эти области отражены в таблице. В ее первом столбце – классификация сетей по конфигурации и особенностям их работы, касающихся способа заземления нейтрали.

Сети генераторного напряжения – это в основном шинные мосты со стабильными емкостными токами. При замыкании на землю невозможно провести селективное отключение какого-либо участка, необходимо отключать сам генератор по четкому признаку появления напряжения нулевой последовательности. Кратковременная работа генератора до отключения при малых токах возможна при изолированной нейтрали. При емкостном токе, превышающем 5 А, могут возникать серьезные повреждения изоляции, поэтому представляется целесообразным применение дугогасящего реактора. При этом выполнение шинного моста изначально должно быть таким, чтобы не возникало смещения нейтрали и обеспечивалась точная настройка ДГР.

Сети собственных нужд электрических станций в отличие от сетей генераторного напряжения имеют разветвленную конфигурацию, позволяющую селективно отключать повреждение с ОЗЗ. Поскольку эти сети выполнены кабельными линиями, степень их симметрии достаточная для применения дугогасящего реактора.

При малых емкостных токах возможно применение изолированной нейтрали, однако при этом сеть нуждается в расчетной проверке на возможность возникновения феррорезонансных явлений. При опасности таковых рекомендуется заземление нейтрали через резистор. Длительная работа сети при ОЗЗ представляется малоцелесообразной, поскольку в таких сетях имеется достаточное резервирование.
Селективное отключение поврежденного присоединения релейной защитой может быть надежно выполнено при резистивном заземлении нейтрали.

При больших емкостных токах, если признано рациональным продолжение работы сети при ОЗЗ, наилучшим вариантом является применение ДГР, способствующее (при точной настройке) самоликвидации однофазного замыкания . Селективное отключение релейной защитой ОЗЗ с большим током хорошо реализуется при резистивном заземлении нейтрали.

Распределительные сети с воздушными линиями , как правило, несимметричны. При малых токах, так же как и в предыдущем случае, возможно применение изолированной нейтрали при отсутствии предпосылок для феррорезонансных явлений. Эксплуатационное изменение конфигурации и размеров сети может привести к появлению таких предпосылок. При этом также возможно и превышение границы емкостного тока. Поэтому наилучшим и универсальным решением для таких сетей является резистивное заземление нейтрали. Применение ДГР проблематично из-за существующей несимметрии и большого диапазона изменения емкостного тока. Опыт показывает, что установленные в таких сетях ДГР практически нигде не работают.

В воздушных распределительных сетях, питающих нефтяные и газовые месторождения, существует проблема кратковременных отключений ВЛ, связанная с недостаточно отработанной технологией самозапуска двигателей насосов. Поэтому такие сети вынужденно работают при сохранении замыкания на землю. Применение ДГР целесообразно в подобных случаях лишь с позиций улучшения условий электробезопасности при ОЗЗ, что требует точной компенсации емкостного тока. Дуговых процессов при замыканиях на ВЛ, как правило, не бывает.

Городские, поселковые кабельные сети (без ВЛ) достаточно симметричны для применения ДГР, но в отличие от сетей собственных нужд электрических станций имеют постоянно и значительно изменяющуюся конфигурацию, что требует большого диапазона подстройки. Положение осложняется тем, что питающие подстанции, где устанавливаются ДГР, и распределительные городские сети часто имеют разную подчиненность, в том числе и оперативно-диспетчерскую. Это требует обязательной автоматической широкодиапазонной подстройки ДГР. Поэтому универсальным способом для таких сетей является резистивное заземление нейтрали, о чем свидетельствует обширная мировая практика.

При наличии в поселковых и городских сетях воздушных линий резко обостряется проблема электробезопасности при ОЗЗ, и в соответствии с новыми требованиями ПУЭ (1.7.64**) однофазные замыкания необходимо отключать релейной защитой. Это является дополнительным доводом в пользу резистивного заземления нейтрали.

Сети, питающие передвижные подстанции и механизмы, торфяные разработки, шахты и т.п. , однозначно, в соответствии с 1.7.64 ПУЭ, требуют отключения ОЗЗ релейной защитой. С учетом тех преимуществ, которые дает резистивное заземление (гашение колебательных процессов в сети и формирование селективного признака в виде активного тока в поврежденном присоединении), режим заземления нейтрали через резистор представляется здесь единственно целесообразным, особенно при разветвленной сети.

В завершение следует отметить, что ключевой момент в определении режима заземления нейтрали сети – это решение о селективном отключении или длительном сохранении режима однофазного замыкания на землю. При сохранении ОЗЗ можно выбирать среди всех указанных в ПУЭ режимов нейтрали, учитывая высказанные в настоящей работе соображения. Если ОЗЗ должно селективно отключаться релейной защитой, преимущественным решением является заземление нейтрали через резистор.

Выводы

• Выбор того или иного режима заземления нейтрали целесообразен исключительно при необходимости длительной работы сети с однофазным замыканием на землю. Подобная потребность в длительном сохранении такого аварийного состояния сети возникает лишь в случае отсутствия резервирования. При этом эффективное применение дугогасящего реактора возможно только в симметричных сетях с мало изменяющейся конфигурацией. В остальных вариантах предпочтительнее оказывается изолированная нейтраль и иногда – нейтраль, заземленная через резистор.
• При отключении присоединения с однофазным замыканием релейной защитой во всех случаях предпочтительным оказывается резистивное заземление нейтрали. Такое комплексное решение ликвидирует все недостатки, присущие сетям с изолированной и компенсированной нейтралью, и выводит сети среднего напряжения на более высокий уровень надежности и электробезопасности, свойственный сетям напряжением 110 кВ и выше.

Литература

1. Целебровский Ю.В. Нормативное обеспечение режима нейтрали в электрических сетях // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 3–6.
2. Шалин А.И., Целебровский Ю.В., Щеглов A.M. Особенности резистивного заземления в городских сетях 10 кВ // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: Труды Второй Всероссийской научно-технической конференции. – Новосибирск, 2002. – С. 63–68.
3. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.5, 7.6, 7.10. – 7-е изд. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. – 184 с.
4. Черненко Н.А. Аварийность и замыкания на землю в электрических сетях напряжением 35 и 110 кВ // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 83–88.
5. Гордон Г.Ю., Вайнштейн Л.И. Электротравматизм и его предупреждение. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 256 с.
6. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России»: РД 34.20.501–95. – 15-е изд., перераб. и доп. – М.: СПО ОРГРЭС, 1996. – 160 с.
7. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей/ Госэнергонадзор Минэнерго России. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. – 392 с.
8. Обабков В.К. Многокритериальность показателя эффективности функционирования сетей 6–35 кВ и проблема оптимизации режимов заземления нейтрали // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 33–41.

В высоковольтных сетях возможны следующие виды заземления нейтралей:

Изолированная;
- компенсированная;
- высокоомное резистивное заземление;
- низкоомное резистивное заземление;
- эффективное заземление нейтрали.

Также возможны комбинации из нескольких способов соединения с землей, реализуемых поочередно в комплексе.

Рассмотрим по очереди все эти способы, их достоинства и недостатки и показания к применению.

Изолированная нейтраль.

Это некогда еще самый распространенный способ заземления нейтрали, применяемый в сетях 6-35 кВ. Сейчас он понемногу вытесняется другими способами.

Достоинство изолированной нейтрали - наличие небольших токов однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), с которыми сеть может работать некоторое время, необходимое для поиска и устранения повреждения. Ток замыкания носит емкостной характер. Он обусловлен наличием емкостной связи между электрооборудованием, кабельными и воздушными линиями и землей. Активная составляющая тока почти отсутствует, так как резистивной связи между нейтралью и землей нет.

Но недостатки таких сетей пересиливают ее достоинство. При достаточной разветвленности сети емкостные токи увеличиваются, так как увеличивается количество одновременно подключенного к ней электрооборудования. Настает момент, когда ток становится настолько ощутимым, что все равно и почти сразу приводит к перерастанию ОЗЗ в междуфазное.

Режимы работы нейтрали по уровню напряжения

К тому же при ОЗЗ резко повышается напряжение на неповрежденных фазах. Особенно это проявляется при замыканиях с перемежающейся дугой, погасающей при прохождении синусоидального напряжения в месте через ноль. При повторном нарастании напряжения дуга загорается вновь.

При резком погасании дуги осуществляется зарядка емкостей фаз, на которых ОЗЗ нет, до напряжения, выше номинального рабочего. Последующее зажигание дуги дает толчок к их дополнительному заряду и так далее. Результат грозит пробоем изоляции в других местах сети, имеющих ослабленную изоляцию.

Дополнительно возникает риск возникновения резонансных явлений в сердечниках трансформаторов напряжения. Это явление, называемое феррорезонансом, гарантированно выводит из строя их первичные обмотки.

Работу трансформаторов, у которых нейтраль изолирована, целесообразно использовать в неразветвленных сетях малой протяженности.

Компенсированная нейтраль .

Большие емкостные токи ОЗЗ приходится снижать. Для этого сеть с изолированной нейтралью дополняется установкой компенсации. В состав ее входит силовой трансформатор с первичной обмоткой, соединенной в звезду и имеющей вывод нейтрали. Вторичная обмотка его иногда не используется, а может питать какую либо нагрузку.

Нейтраль трансформатора установки компенсации заземляется через дугогасящую катушку (катушку Петерсона), представляющую собой реактор с изменяемой индуктивностью. Обмотка его находится на магнитопроводе и помещена в бак с маслом, как у обычного трансформатора. Регулировка индуктивности осуществляется либо переключением отводов, либо путем изменения зазора в магнитопроводе.

В сетях 35кВ распространен способ подключения катушки непосредственно к нейтрали силового трансформатора.

Настройка катушки возможна в резонанс с емкостью сети, но тогда ток ОЗЗ исчезает совсем. Его не зафиксировать стандартными элементами защиты, состоящими из ТТНП и токового реле, реагирующего на ток нулевой последовательности. Чтобы защита работала, используют режим работы катушки с перекомпенсацией.

Но использование компенсированного заземления не избавляет сеть от опасных перенапряжений, не устраняет проблему ферромагнитного резонанса. Оно всего лишь снижает токи ОЗЗ. Но и это может обратиться во вред: неразвившееся повреждение в кабельной линии в дальнейшем сложнее найти.

Тем не менее, установки компенсации встраиваются во все разветвленные и протяженные сети 6-35 кВ РФ.

Высокоомное резистивное заземление.

Парадокс в том, что многие основные руководящие документы в РФ, в том числе ПУЭ, ПТЭЭС и ПТЭЭП, не слишком подробно повествуют о резистивном заземлении нейтрали. Хотя польза от него очень ощутима.

Есть два случая высокоомного заземления. Первый - установка резистора в нейтраль трансформатора, аналогично дугогасящему реактору. Второй - использование для этой цели обмотки, соединенной в разомкнутый треугольник.

Высокоомным заземление называется потому, что сопротивление резистора выбирается из соображений возможности длительной работы сети с ОЗЗ. Но при этом сохраняются достоинства сети с изолированной нейтралью: есть время на поиск повреждения.

Но при этом снижаются величины перенапряжений путем шунтирования емкостей фаз сети резистором. Что приводит к ускорению их разряда при погасании дуги, что в свою очередь снижает потолочное значение, до которого они успевают зарядиться.

В итоге минимизируется риск выхода из строя изоляции электрооборудования от перенапряжений, а также - уменьшается до минимума вероятность возникновения феррорезонансных явлений.

Низкоомное заземление .

Уменьшение сопротивления резистора необходимо в случае, если требуется обеспечить быстродействующее отключение присоединения с ОЗЗ релейной защитой.

При этом еще больше снижается величина перенапряжений, что приводит к повышению степени безаварийности работы электрооборудования.

Увеличение тока через низкоомный резистор приводит к необходимости увеличения его способности отводить тепло. Если это невозможно, то предусматривается ограничение длительности протекания тока с помощью устройств РЗА. При срабатывании защиты резистор отключается, и нейтраль переводится в изолированный режим работы.

Есть и второй вариант: перевод нейтрали через заранее установленное время, необходимое для ликвидации повреждения в ней устройствами РЗА, с низкоомного заземления на высокоомное.

Режим низкоомного заземления иногда применяется в комбинации с установками компенсации емкостных токов. В случае фиксации ОЗЗ к сети кратковременно подключается резистор, помогающий срабатывать устройствам защиты.

Эффективно заземленная нейтраль .

Схемы непосредственного заземления нейтралей трансформаторов используют ся в сетях 110 кВ и выше. Главная задача при таком режиме работы - получение сравнительно больших токов ОЗЗ для облегчения их фиксации и отключения релейной защитой.

Однако при этом увеличиваются капиталовложения на обустройство контуров заземления, по сравнению с электроустановками, имеющими изолированную нейтраль. А при питании повреждения от нескольких источников одновременно величина тока КЗ в месте ОЗЗ значительно превышает их величины при междуфазных КЗ.

Для исключения этого недостатка нейтрали трансформаторов, подключенных к линии с нескольких сторон, не соединяют с землей одновременно: соединение выполняется на одном из них. За этим следят оперативные работники, занятые эксплуатацией сетей.