Режимы заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ


СОДЕРЖАНИЕ:

Режимы работы нейтралей в электроустановках

Нейтралями электроустановок называют общие точки обмотки генераторов или трансформаторов, соединенные в звезду.

Вид связи нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электроустановок и выбор коммутационной аппаратуры, значения перенапряжений и способы их ограничения, токи при однофазных замыканиях на землю, условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:

  • сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;
  • сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;
  • сети с эффективно-заземленными нейтралями;
  • сети с глухозаземленными нейтралями.

В России к первой и второй группам относятся сети напряжением 3-35 кВ, нейтрали трансформаторов или генераторов которых изолированы от земли или заземлены через заземляющие реакторы.

Сети с эффективно-заземленными нейтралями применяют на напряжение выше 1 кВ. В них коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Коэффициентом замыкания на землю называют отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания на землю поврежденной фазы к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания. В соответствии с рекомендациями Международного электротехнического комитета (МЭК) к эффективно-заземленным сетям относят сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землей непосредственно или через небольшое активное сопротивление. В Советском Союзе к этой группе относятся сети напряжением 110 кВ и выше.

К четвертой группе относятся сети напряжением 220, 380 и 660 В.

Режим работы нейтрали определяет ток замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с незаземленными и резонансно-заземленными нейтралями). Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (это сети с эффективно-заземленными нейтралями).

Трехфазные сети с незаземленными (изолированными) нейтралями

В сетях с незаземленными нейтралями токи при однофазном замыкании на землю протекают через распределенные емкости фаз, которые для упрощения анализа процесса условно заменяют емкостями, сосредоточенными в середине линий (рис.1). Междуфазные емкости при этом не рассматриваются, так как при однофазных повреждениях их влияние на токи в земле не сказывается.

Рис.1. Трехфазная сеть с незаземленной нейтралью
а — нормальный режим;
б — режим замыкания фазы А на землю;
в — устройство для обнаружения замыканий на землю

В нормальном режиме работы напряжения фаз сети относительно земли симметричны и равны фазному напряжению, а емкостные (зарядные) токи фаз относительно земли также симметричны и равны между собой (рис.1,а). Емкостный ток фазы

где С — емкость фазы относительно земли.

Геометрическая сумма емкостных токов трех фаз равна нулю. Емкостный ток нормального режима в одной фазе в современных сетях с незаземленной нейтралью, как правило, не превышает нескольких ампер и практически не влияет на загрузку генераторов.

В случае металлического замыкания на землю в одной точке напряжения неповрежденных фаз относительно земли возрастают в √з раз и становятся равными междуфазному напряжению. Например, при замыкании на землю фазы А (рис.1,б) поверхность земли в точке повреждения приобретает потенциал этой фазы, а напряжения фаз В и С относительно земли становятся соответственно равными междуфазным напряжениям . Емкостные токи неповрежденных фаз В и С также увеличиваются в соответствии с увеличением напряжения в √3 раз. Ток на землю фазы А, обусловленный ее собственной емкостью, будет равен нулю, так как эта емкость оказывается закороченной.

Для тока в месте повреждения можно записать:

т.е. геометрическая сумма векторов емкостных токов неповрежденных фаз определяет вектор тока через место повреждения. Ток IС оказывается в 3 раза больше, чем емкостный ток фазы в нормальном режиме:

Согласно (1.3) ток IС зависит от напряжения сети, частоты и емкости фаз относительно земли, которая зависит в основном от конструкции линий сети и их протяженности.

Приближенно ток Iс, А, можно определить по следующим формулам:

для воздушных сетей

для кабельных сетей

где U — междуфазное напряжение, кВ; l — длина электрически связанной сети данного напряжения, км.

В случае замыкания на землю через переходное сопротивление напряжение поврежденной фазы относительно земли будет больше нуля, но меньше фазного, а неповрежденных фаз — больше фазного, но меньше линейного. Меньше будет и ток замыкания на землю.

При однофазных замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью треугольник линейных напряжений не искажается, поэтому потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают работать нормально.

Вследствие того что при замыкании на землю напряжение неповрежденных фаз относительно земли увеличивается в √з раз по сравнению с нормальным значением, изоляция в сетях с незаземленной нейтралью должна быть рассчитана на междуфазное напряжение. Это ограничивает область использования этого режима работы нейтрали сетями с напряжением 35 кВ и ниже, где стоимость изоляции электроустановок не является определяющей и некоторое ее увеличение компенсируется повышенной надежностью питания потребителей, если учесть, что однофазные замыкания на землю составляют в среднем до 65% всех нарушений изоляции.

В то же время необходимо отметить, что при работе сети с замкнутой на землю фазой становится более вероятным повреждение изоляции другой фазы и возникновение междуфазного короткого замыкания через землю (рис.2). Вторая точка замыкания может находиться на другом участке электрически связанной сети. Таким образом, короткое замыкание затронет несколько участков сети, вызывая их отключение. Например, в случае, показанном на рис.2, могут отключиться сразу две линии.

Рис.2. Двойные замыкания на землю в сети с незаземленной нейтралью

В связи с изложенным в сетях с незаземленными нейтралями обязательно предусматривают специальные сигнальные устройства, извещающие персонал о возникновении однофазных замыканий на землю.

Так, на рис.1, в показан способ контроля изоляции в сети с незаземленной нейтралью. Устройства контроля подключаются к сети через измерительный трансформатор напряжения типа НТМИ или через группу однофазных трансформаторов типа ЗНОМ.

Вторичные обмотки измерительных трансформаторов (рис.1,в) соединяются по схемам: одна (I) — звезда, вторая (II) — разомкнутый треугольник. Обмотка I позволяет измерять напряжения всех фаз, обмотка II предназначена для контроля геометрической суммы напряжений всех фаз.

Нормально на зажимах обмотки II напряжение равно нулю, поскольку равна нулю геометрическая сумма фазных напряжений всех трех фаз в сети с незаземленной нейтралью. При металлическом замыкании одной фазы в сети первичного напряжения на землю на зажимах обмотки II появляется напряжение, равное геометрической сумме напряжений двух неповрежденных фаз (рис.1,б) Число витков обмотки II подбирается так, чтобы напряжение на ее выводах при металлическом замыкании фазы первичной сети на землю равнялось 100 В. При замыкании на землю через переходное сопротивление напряжение на обмотке II в зависимости от сопротивления в месте замыкания будет 0-100 В.

Реле напряжения, подключаемое к обмотке II, будет при соответствующей настройке реагировать на повреждения изоляции первичной сети и приводить в действие сигнальные устройства (звонок, табло).

Персонал электроустановки может проконтролировать напряжение небаланса (вольтметром V2) и установить поврежденную фазу (вольтметром V1). Напряжение в поврежденной фазе будет наименьшим.

Отыскание места замыкания на землю после получения сигнала должно начинаться немедленно, и повреждение должно устраняться в кратчайший срок. Допустимая длительность работы с заземленной фазой определяется Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) и в большинстве случаев не должна превышать 2 ч.

Более опасно однофазное замыкание на землю через дугу, так как дуга может повредить оборудование и вызвать двух- или трехфазное КЗ (последнее часто наблюдается при однофазных замыканиях на землю одной из жил трехфазного кабеля). Особенно опасны дуги внутри машин и аппаратов, возникающие при однофазных замыканиях на заземленные корпуса или сердечники.

При определенных условиях в месте замыкания на землю может возникать так называемая перемежающаяся дуга, т.е. дуга, которая периодически гаснет и зажигается вновь. Перемежающаяся дуга сопровождается возникновением перенапряжений на фазах относительно земли, которые могут достигать 3,5 Uф. Эти перенапряжения распространяются на всю электрически связанную сеть, в результате чего возможны пробои изоляции и образование КЗ в частях установки с ослабленной изоляцией.

Наиболее вероятно возникновение перемежающихся дуг при емкостном токе замыкания на землю более 5-10 А, причем опасность дуговых перенапряжений для изоляции возрастает с увеличением напряжения сети. Допустимые значения тока нормируются и не должны превышать следующих значений:

В сетях 3-20 кВ, имеющих линии на железобетонных и металлических опорах, допускается Ic не более 10 А. В блочных схемах генератор-трансформатор на генераторном напряжении емкостный ток не должен превышать 5А.

Работа сети с незаземленной (изолированной) нейтралью применяется и при напряжении до 1 кВ. При этом основные свойства сетей с незаземленной нейтралью сохраняются и при этом напряжении. Кроме того, эти сети обеспечивают высокий уровень электробезопасности и их следует применять для передвижных установок, торфяных разработок и шахт. Для защиты от опасности, возникающей при пробое изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений, в нейтрали или фазе каждого трансформатора устанавливается пробивной предохранитель.

Трехфазные сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями

В сетях 3-35 кВ для уменьшения тока замыкания на землю с целью удовлетворения указанных выше норм применяется заземление нейтралей через дугогасящие реакторы.

В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен нулю. При полном замыкании на землю одной фазы дугогасящий реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током IC также индуктивный ток реактора IL (рис. 3). Так как индуктивный и емкостный токи отличаются по фазе на угол 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если IC=IL (резонанс), то через место замыкания на землю ток протекать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает и устраняются связанные с нею опасные последствия.

Рис.3. Трехфазная сеть с резонансно-заземленной нейтралью

Суммарная мощность дугогасящих реакторов для сетей определяется из выражения

где n — коэффициент, учитывающий развитие сети; ориентировочно можно принять n = 1,25; IC — полный ток замыкания на землю, А; UФ — фазное напряжение сети, кВ.

По рассчитанному значению Q в каталоге подбираются реакторы требуемой номинальной мощности. При этом необходимо учитывать, что регулировочный диапазон реакторов должен быть достаточным для обеспечения возможно более полной компенсации емкостного тока при вероятных изменениях схемы сети (например, при отключении линий и т.п.). При IC ≥ 50 А устанавливают два дугогасящих реактора с суммарной мощностью по (6).

Рис. 4. Устройство дугогасящих реакторов
а — типа РЗДСОМ, б — типа РЗДПОМ

В России применяют дугогасящие реакторы разных типов. Наиболее распространены реакторы типа РЗДСОМ (рис.4,а) мощностью до 1520 кВ А на напряжение до 35 кВ с диапазоном регулирования 1:2. Обмотки этих реакторов располагаются на составном магнитопроводе с чередующимися воздушными зазорами и имеют отпайки для регулирования тока компенсации. Реакторы имеют масляное охлаждение.

Более точно, плавно и автоматически можно производить настройку компенсации в реакторах РЗДПОМ, индуктивность которых изменяется с изменением немагнитного зазора в сердечнике (рис.4,б) или путем подмагничивания стали магнитопровода от источника постоянного тока.

Дугогасящие реакторы должны устанавливаться на узловых питающих подстанциях, связанных с компенсируемой сетью не менее чем тремя линиями. При компенсации сетей генераторного напряжения реакторы располагают обычно вблизи генераторов. Наиболее характерные способы присоединения дугогасящих реакторов показаны на рис.5.

Рис.5. Размещение дугогасящих реакторов в сети

На рис.5,а показаны два дугогасящих реактора, подключенных в нейтрали трансформаторов подстанции, на рис.5.б — реактор, подключенный к нейтрали генератора, работающего в блоке с трансформатором. В схеме на рис.5, в показано подключение дугогасящего реактора к нейтрали одного из двух генераторов, работающих на общие сборные шины. Следует отметить, что при этом цепь подключения реактора должна проходить через окно сердечника трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП), что необходимо для обеспечения правильной работы защиты генератора от замыканий на землю.

При подключении дугогасящих реакторов через специальные трансформаторы и трансформаторы собственных нужд, по мощности соизмеримые с мощностью реакторов, необходимо учитывать их взаимное влияние.

В первую очередь это влияние сказывается в уменьшении действительного тока компенсации по сравнению с номинальным из-за наличия последовательно включенного с реактором сопротивления обмоток трансформатора

где Iном,р — номинальный ток дугогасящего реактора; Uк% — напряжение КЗ трансформатора; Sном,т — номинальная мощность трансформатора.

Особенно резко ограничивающее действие обмоток трансформатора сказывается при использовании схемы соединения обмоток звезда-звезда, так как при однофазных замыканиях на землю индуктивное сопротивление у них примерно в 10 раз больше, чем при междуфазных КЗ. По этой причине для подключения реакторов предпочтительнее трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда-треугольник. В свою очередь наличие дугогасящего реактора в нейтрали трансформатора обусловливает при однофазных замыканиях на землю дополнительную нагрузку на его обмотки, что приводит к повышенному нагреву. Это особенно важно учитывать при использовании для подключения реактора трансформаторов, имеющих нагрузку на стороне низшего напряжения, например трансформаторов собственных нужд электростанций и подстанций. Допустимая мощность реактора, подключаемого к нагруженному трансформатору, определяется из выражения

где Sном,т — номинальная мощность трансформатора; Smax — максимальная мощность нагрузки.

Выражение (8) справедливо с учетом того, что значение cosφ нагрузки обычно близко к единице, а активное сопротивление реактора мало.

С учетом перегрузки трансформатора, допустимой на время работы сети с заземленной фазой и определяемой коэффициентом перегрузочной способности kпер, допустимая мощность реактора, подключаемого к данному трансформатору, равна

При подключении реактора к специальному ненагруженному трансформатору необходимо выдержать условие (если перегрузка трансформатора допустима).

В сетях с резонансно-заземленной (компенсированной) нейтралью, так же как и в сетях с незаземленными нейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой до тех пор, пока не представится возможность произвести необходимые переключения для отделения поврежденного участка. При этом следует учитывать также допустимое время продолжительной работы реактора 6ч.

Наличие дугогасящих реакторов особенно ценно при кратковременных замыканиях на землю, так как при этом дуга в месте замыкания гаснет и линия не отключается. В сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящий реактор, при однофазных замыканиях на землю напряжения двух неповрежденных фаз относительно земли увеличиваются в √3 раз, т.е. до междуфазного напряжения. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземленными (изолированными) нейтралями.

Трехфазные сети с эффективно-заземленными нейтралями

В сетях 110 кВ и выше определяющим в выборе способа заземления нейтралей является фактор стоимости изоляции. Здесь применяется эффективное заземление нейтралей, при котором во время однофазных замыканий напряжение на неповрежденных фазах относительно земли равно примерно 0,8 междуфазного напряжения в нормальном режиме работы. Это основное достоинство такого способа заземления нейтрали.

Рис.6. Трехфазная сеть с эффективно-заземленной нейтралью

Однако рассматриваемый режим нейтрали имеет и ряд недостатков. Так, при замыкании одной фазы на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника с малым сопротивлением, к которому приложена ЭДС фазы (рис.6). Возникает режим КЗ, сопровождающийся протеканием больших токов. Во избежание повреждения оборудования длительное протекание больших токов недопустимо, поэтому КЗ быстро отключаются релейной защитой. Правда, значительная часть однофазных повреждений в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше относится к самоустраняющимся, т.е. исчезающим после снятия напряжения. В таких случаях эффективны устройства автоматического повторного включения (АПВ), которые, действуя после работы устройств релейной защиты, восстанавливают питание потребителей за минимальное время.

Второй недостаток — значительное удорожание выполняемого в распределительных устройствах контура заземления, который должен отвести на землю большие токи КЗ и поэтому представляет собой в данном случае сложное инженерное сооружение.

Третий недостаток — значительный ток однофазного КЗ, который при большом количестве заземленных нейтралей трансформаторов, а также в сетях с автотрансформаторами может превышать токи трехфазного КЗ. Для уменьшения токов однофазного КЗ применяют, если это возможно и эффективно, частичное разземление нейтралей (в основном в сетях 110-220 кВ). Возможно применение для тех же целей токоограничивающих сопротивлений, включаемых в нейтрали трансформаторов.

Сети с глухозаземленными нейтралями

Такие сети применяются на напряжение до 1 кВ для одновременного питания трехфазных и однофазных нагрузок, включаемых на фазные напряжения (рис.7). В них нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока). Для фиксации фазного напряжения при наличии однофазных нагрузок применяют нулевой проводник, связанный с нейтралью трансформатора (генератора). Этот проводник служит для выполнения также и функции зануления, т.е. к нему преднамеренно присоединяют металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением.

При наличии зануления пробой изоляции на корпус вызовет однофазное КЗ и срабатывание защиты с отключением установки от сети. При отсутствии зануления корпуса (второй двигатель на рис.7) повреждение изоляции вызовет опасный потенциал на корпусе. Целость нулевого проводника нужно контролировать, так как его случайный разрыв может вызвать перекос напряжений по фазам (снижение его на загруженных фазах и повышение на незагруженных). Может быть принято при необходимости раздельное выполнение нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.

Рис.7. Трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью

Режимы работы нейтрали в электроустановках

Нейтралью в ЭУ называют общую точку обмотки генератора, трансформатора или электродвигателя, соединенной в “звезду” (рис.1).

ПУЭ установлены следующие режимы работы нейтрали в электрических сетях:

1) сети с глухозаземленной нейтралью до 1 кВ;

2) сети с незаземленной (изолированной) нейтралью до 1 кВ;

3) сети с незаземленной (изолированной) нейтралью 6- 35 кВ;

4) сети с эффективно заземленной нейтралью 110 кВ;

5) сети с глухозаземленной нейтралью 220 кВ и выше.

В большинстве случаев источником электрической энергии для потребителей ЭУ является вторичная обмотка трансформатора.

Электроустановки в отношении мер электробезопас­ности разделяются на:

— электроустановки выше 1000 В в сетях с эффективно зазем­ленной нейтралью (с большими токами замыкание на землю);

— электроустановки выше 1000 В в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкание на землю);

— электроустановки до 1000 B с глухозаземленной нейтралью;

— электроустановки до 1000 В с изолированной нейтралью.

Таблица 1. Буквенные обозначения систем электроснабжения

Номер буквы Буква Что обозначает
Первая T(terra) Заземленная нейтраль
I (isolate) Изолированная нейтраль
Вторая Т(terra) Открытые токопроводящие части заземлены, независимо от отношения к земле нейтрали источника питания
N (neutral) Открытые токопроводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания
Третья С (combine) Нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники совмещены в одном проводнике (PEN-проводник)
S(separe) Нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники разделены

Электроустановки до 1000 В переменного токавыпол­няютсясзаземленной нейтралью (системы: TN-C, TN-C-S, TN-S) или с изолированной нейтралью (система IT),

В системе с изолированной нейтралью (рис.2) нейтраль трансформатора или генератора не присоединяется к заземляю­щему устройству или присоединяется к нему через приборы сиг­нализации, измерения, защиты, заземляющие дугогасящие реак­торы, имеющие большое сопротивление.

В системе с глухозаземленной нейтралью (рис.3,4,5) нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, например, через трансформатор тока. Части электроустановки, не находящиеся под напряжением присоединяются к глухозазем­ленной нейтрали посредством нулевых защитных проводников.

В зависимости от устройства нулевого рабочего и нулевого защит­ного проводников различают три типа систем TN:

— система TN-S — нулевой рабочий проводник (N) и нулевой защитный проводник (РЕ) разделены по всей системе электро­снабжения (Рис.4);

— система TN-C — функции нулевого рабочего и нулевого защитного проводников объединены в одном проводнике (PEN) по всей сети (рис.3);

система TN-C-S — функции нулевого рабочего и нулевого за­щитного проводников объединены в одном проводнике в части сети (рис.5).

Занулением в электроустановках напряжением до 1000 В называется преднамеренное соединение частей электроус­тановки, нормально не находящихся под напряжением, с глухоза­земленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трех­фазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофаз­ного тока, с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.

Защитным проводником (РЕ) в электроустановках называется проводник, применяемый для защиты от поражения людей и животных электрическим током.

В электроустановках до 1000 В защитный проводник, со­единенный с глухозаземленной нейтралью генератора или транс­форматора, называется нулевым защитным проводником.

Нулевым рабочим проводником (N) в электроустанов­ках до 1000 В называется проводник, используемый для питания электроприемников, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухоза­земленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземлен­ной точкой источника в трехпроводных сетях постоянного тока.

Совмещенный проводник(PEN) – проводник в системахTN-C и TN-C-S, который присоединен к заземленной нейтрали источника и одновременно выполняет функции нулевого защитного провод­ника (РЕ) и нулевого рабочего проводника (N).

Система ТТ характеризуется соединением с заземля­ющим устройством в одной или нескольких точках распредели­тельной сети за пределами сети потребителя.

Части электроустановки не находящиеся под напряжением соединяются с заземлителем электрически независимым от заземлителя нейтрали трансформатора питающей электрической сети.

Для обеспечения безопасности людей в ЭУ с изоли­рованной нейтралью в соответствии с требованиями Правил уст­ройства электроустановок должны быть сооружены заземляющие устройства, к которым надежно подключаются корпуса электро­оборудования, которые вследствие нарушения изоляции могут оказаться под напряжением.

Заземлению или занулению подлежат:

— корпуса электрических машин, трансформаторов, аппара­тов и т.п.;

— приводы электрических аппаратов;

— вторичные обмотки измерительных трансформаторов;

— каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов;

— металлические конструкции распределительных устройств, металлические кабельные конструкции, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, металлические оболочки проводов, стальные трубы электропроводки и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования:

— металлические корпуса передвижных и переносных элект­роприемников.

Дата добавления: 2020-06-13 ; просмотров: 1573 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Режимы заземления нейтрали в электрических системах. Режимы заземления нейтрали

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).

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 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.

Каждый электрик должен знать:  Что может рассказать цвет изоляции электропроводки

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.

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 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 на нейтрали меньше.

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

Режимы работы нейтралей в электроустановках.

Нейтралями электроустановок называют общие точки трехфазных обмоток генераторов или трансформаторов, соединенных в звезду.

В зависимости от режима нейтрали электрические сети разделяют на четыре группы:
  • сети с незаземленными (изолированными) нейтралями;
  • сети с резонансно-заземленными (компенсированными) нейтралями;
  • сети с эффективно заземленными нейтралями;
  • сети с глухозаземленными нейтралями.
Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ, гл. 1.2).

Сети с номинальным напряжением до 1 кВ, питающиеся от понижающих трансформаторов, присоединенных к сетям с Uном > 1 кВ, выполняются с глухим заземлением нейтрали.

Сети с Uном до 1 кВ, питающиеся от автономного источника или разделительного трансформатора (по условию обеспечения максимальной электробезопасности при замыканиях на землю), выполняются с незаземленной нейтралью.

Сети с Uном = 110 кВ и выше выполняются с эффективным заземлением нейтрали (нейтраль заземляется непосредственно или через небольшое сопротивление).

Сети 3 — 35 кВ, выполненные кабелями, при любых токах замыкания на землю выполняются с заземлением нейтрали через резистор.

Сети 3—35 кВ, имеющие воздушные линии, при токе замыкания не более 30 А выполняются с заземлением нейтрали через резистор.

Компенсация емкостного тока на землю необходима при значениях этого тока в нормальных условиях:
  • в сетях 3 — 20 кВ с железобетонными и металлическими опорами ВЛ и во всех сетях 35 кВ — более 10 А;
  • в сетях, не имеющих железобетонных или металлических опор ВЛ:
    при напряжении 3 — 6 кВ — более 30 А;
    при 10 кВ — более 20 А;
    при 15 — 20 кВ — более 15 А;
  • в схемах 6 — 20 кВ блоков генератор — трансформатор — более 5А

При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется установка не менее двух заземляющих дугогасящих реакторов.

Режимы работы нейтрали электроустановок

Различные элементы (генераторы, трансформаторы и т. д.) энергосистем имеют нейтрали, режим работы которых существенно влияет на технико-экономические показатели электрических сетей (уровень изоляции, требования к оборудованию, защита от коротких замыканий и перенапряжений и т. д.) [1] .

Содержание

Общие положения

Случайное замыкание одного из проводов электрической сети с землей может явиться причиной появления значительного тока, протекающего через место повреждения и распространяющегося в земле. Если в сети имеется вторая заземлённая точка, например, заземлённая нейтраль энергосистемы, то ток, текущий в земле, направляется от места повреждения к этому заземлению.

При эксплуатации крупных электрических сетей время от времени возникают такие однополюсные замыкания на землю. Они могут быть вызваны обрывом провода, перекрытием или пробоем изоляции, накоплением на изоляторах грязи или пыли, а также птицами, ветвями деревьев и другими посторонними предметами. Токи однополюсного короткого замыкания распространяются на большие расстояния, как по проводам сети, так и по земле и могут стать причиной тяжёлый аварийных ситуаций в энергосистеме.

Заземление нейтрали является рабочим заземлением, то есть обусловлено режимом работы электрической сети, в отличии от защитного заземления (применяемого для обеспечения безопасной работы в электроустановках).

В Российских энергосистемах применяются следующие режимы работы нейтрали [2] :

  1. Изолированная нейтраль.
  2. Глухозаземленная нейтраль.
  3. Эффективнозаземленная нейтраль.
  4. Нейтраль, заземленная через активное сопротивление:
    • низкоомное;
    • высокоомное.
  5. Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор.

Изолированная нейтраль

При этом режиме работы нейтрали всех электроустановок оказываются незаземленными. Работа электрических сетей напряжением 2-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Компенсация ёмкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:

  1. в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ — более 10 А;
  2. в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи: более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
  3. более 20 А при напряжении 10 кВ; более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
  4. в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков генератор-трансформатор — более 5 А.

При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применение не менее двух заземляющих реакторов.

При работе в сетях с изолированной нейтралью следует обращать внимание на следующие обстоятельства:

  1. повышение напряжения двух фаз относительно земли во время замыкания на землю третьей приводит к тому, что изоляцию всех фаз относительно земли необходимо рассчитывать не на фазное, а на междуфазное напряжение. Только при напряжениях до 35 кВ это не вызывает существенного удорожания сети;
  2. возможность образования в месте замыкания на землю перемежающейся электрической дуги обусловливает возникновение коммутационных перенапряжений с амплитудой 4…6 . Эти перенапряжения могут нарушить работу некоторых приемников и привести к пробою изоляции в других местах и других фазах сети;
  3. тепловое действие дуги на изоляцию фаз сети в месте замыкания на землю может привести к переходу однофазного замыкания на землю в двух- или трехфазное (в кабельных линиях и в других случаях близкого расположения фазных проводников друг к другу);
  4. возникновение в сети и в источниках питания при замыкании на землю системы токов обратной последовательности может привести к индуцированию в роторах синхронных генераторов токов двойной частоты и к существенному дополнительному нагреву роторов.

Из-за приведенных выше нежелательных явлений работа сети с изолиро-ванной нейтралью допускается, если токи замыкания на землю не превышают некоторых максимально допустимых значений, находящихся обычно, как показано в таблице 1, в пределах 10…30 А. Величины максимально допустимых токов замыкания на землю зависят от типа используемых опор.

Таблица 1 — Максимально допустимые токи замыкания на землю

Тип опор Класс напряжения, кВ Максимальный допустимый ток замыкания на землю, А
Деревянные 3 и 6 30
10 20
15-20 15
35 10
Железобетонные, стальные 3…35 10

В России с изолированной нейтралью работают следующие сети:

  1. трехфазные сети 6-35 кВ, в которых токи замыкания на землю не превышают допустимых значений;
  2. трехфазные трехпроводные сети до 1 кВ (например, сети 220 и 660 В);
  3. двухпроводные сети постоянного тока;
  4. все сети низких напряжений, в которых для обеспечения безопасности людей предусматривают защитные мероприятия, не связанные с применением заземлений (защитная изоляция, разделяющие трансформаторы и др.).

Глухозаземленная нейтраль

В электрический сетях с полностью изолированной нейтралью разность потенциалов между землей и нейтралью (центра тяжести треугольника напряжений) не является фиксированной величиной. При отсутствии каких-либо повреждений потенциал нейтрали трёхфазной симметричной системы равен потенциалу земли. В этом случае все три провода имеют одинаковый потенциал относительно земли. При замыкании одного из проводов на землю, то потенциал этого провода становится равным потенциалу земли, а потенциал нейтрали равным фазному значению напряжения. Таким образом, при однофазном замыкании потенциал нейтрали отличается от потенциала земли, а напряжение двух здоровых фаз относительно земли становится равным линейному значению напряжения. Изоляция здоровых фаз подвергается действию напряжения, превышающего его нормальное значение в [math]\sqrt<3>[/math] раз.

Радикальным средством против изменения потенциала нейтрали и связанных с этим перенапряжений является глухое заземление нейтрали трёхфазной электрчиеской сети. В сетях высокого класса напряжения оно осуществляется путём непосредственного соединения нулевой точки одного или нескольких трансформаторов. В этом случае, при замыкании на землю одного провода создаются замкнутые контуры, которые содержат только активные и индуктивные сопротивления, которые и определяю картину явления протекания тока однофазного замыкания. Ёмкостные контуры играют лишь второстепенную роль. Токи, протекающие через землю, возвращаются в трансформатор через его заземлённую нейтраль; они имеют характер токов короткого замыкания. Для исключения повреждения оборудования и угрозы для жизни людей такие токи должны отключаться с наименьшей выдержкой времени.

Ток замыкания текущий по земле от места короткого замыкания к заземлённой нейтрали, состоит из двух составляющих, каждая из которых создаётся напряжением фазы [math]U_<\text<ф>>[/math] . Первая составляющая протекает непосредственно через обмотку той фазы трансформатора, где произошло замыкание на землю. Её величина определяется индуктивностью [math]L_<1>[/math] данного фазного стержня трансформатора. Путь второй составляющй тока проходит по двум одинаковым и параллельным ветвям через две других не повреждённых фазы к месту повреждения.

Режим работы с глухозаземлённой нейтралью оказывается необходимым ввиду наличия в сетях автотрансформаторов, которые оказывается экономически целесообразно проектировать только с учетом глухозаземленной нейтрали. В противном случае изоляцию последовательной обмотки необходивмо рассчитывать на повышенные значения уровня напряжения. Именно этот факт приводит к удоражнию автотрансформатора и снижению его экономической эффективности применения.

В России работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью. Электрические сети напряжением 220 кВ и выше должны работать только с глухозаземленной нейтралью. Сети классом напряжения ниже 1 кВ также являются сетями с глухозаземленной нейтралью.

Эффективнозаземленная нейтраль

При режиме работы с эффективнозаземленной нейтралью, часть нейтралей электроустановок присоединяются к контуру заземления также, как и в случае глухозаземленной нейтрали, часть же электроустановок, с целью уменьшения токов коротких замыканий К1 и К11, оказывается целесообразным часть нейтралей трансформаторов оставить незаземленными. Как уже отмечалось, работа электрических сетей напряжением 110 кВ может предусматриваться как с глухозаземленной, так с эффективно заземленной нейтралью.

Нейтраль заземлённая через активное сопротивление

В резистивно заземлённой системе нейтраль трансформатора или генератора подключается к контуру заземления через активное сопротивление. Вследствие чего в контуре протекания тока короткого замыкания появляется дополнительное сопротивление, что приводит к его уменьшению. Резистивное сопротивление применяемое для заземления может быть двух типов: низкоомное и высокоомное.

Нейтраль, заземленная через низкоомное активное сопротивление

Никоомное сопротивление предназначено для ограничения токов замыкания на землю в диапазоне между от 100 до 1000 А.

Нейтраль, заземленная через высокоомное активное сопротивление


В случае высокоомного заземления используется резистор с высоким значением активного сопротивления.

В общем случае, использование высокоомного заземления в электрчиеских сетях, где ток однофазного замыкания на землю превышает 10 А, следует избегать из-за увеличения вероятности появления электрчиеской дуги в месте замыкания. Преимущества выскоомного заземления

  1. Однофазные замыкания на землю не требуют немедленного отключения. Это позволяет уменьшить величину недоотпуска элеткрической энергии потребителям.
  2. Снижается переходное перенапряжение.
  3. Упрощение обнаружения однофазных замыканий на землю.
  4. Снижение вероятности возникновения дуги, связанной с высокими величинами токов замыкания на землю.

Высокоомное заземление обычно используется в следующих случаях:

  1. Низкие классы напряжения с высокой долей трёхфазных элеткроприёмников.
  2. Средние классы напряжения в которых требуется поддержание непрерывности электроснабжения и низкими значениями ёмкостных токов.
  3. Модернизация электрических сетей с изолированной нейтралью, где необходимо уменьшить перенапряжения в переходных процессах, вызванных замыканиями на землю.

Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор

Для компенсации ёмкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью применяются дугогосящие реакторы с ручным или автоматическим управлением. Компенсация ёмкостного тока однофазного замыкания на землю должна применяться при ёмкостных токах, превышающих значения приведённые в таблице [3] :

Номинальное напряжение электрической сети, кВ 6 10 15-20 35
Ёмкостной ток однофазного замыкания на землю, А 30 20 15 10

В сетях 6-35 кВ на железобетонных и металлических опорах должны использоваться дугогасящие реакторы при ёмкостном токе замыкания на землю более 10 А [3] . Мощность дугогасящих реакторов выбирается по ёмкостному току однофазного замыкания на землю в электрической сети и должна иметь резонансную настройку.

Режимы нейтралей электрических сетей

Режимы нейтралей электрических сетей

7.1 Классификация электрических сетей по способу заземления нейтрали.

7.2. Свойства сетей с глухозаземленной нейтралью. Свойства сетей с эффективно-заземленной нейтралью

7.3 Токи замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.Достоинства электрических сетей с изолированной нейтралью.

7.4 Недостатки электрических сетей с изолированной нейтралью.

7.5 Свойства электрических сетей с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

7.6 Свойства электрических сетей с нейтралью, заземленной через активное сопротивление

Сети с нейтралью заземленной через дугогасящий реактор

Сети с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор решают одну проблему сетей с изолированной нейтралью, а именно, исключить или снизить вероятность появления опасных по величине дуговых перенапряжений. Это возможно в том случае, если ток в месте замыкания снизить. до такой величины, чтобы исключить или снизить вероятность появления перемежающейся дуги. В идеале, лучше ток в месте замыкания снизить до нуля. Тогда вообще не будет тока в месте замыкания, а следовательно, и электрической дуги.

Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор используется в России с начала 60 – х годов 20-го века. В соответствии с ПУЭ и ПТЭЭП с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор в России работают сети 6-35 кВ, в которых токи однофазного замыкания на землю превышают значения, допустимые для сетей с изолированной нейтралью. Это в основном кабельные сети больших и средних городов и крупных промышленных предприятий. Использование компенсации возможно и при токах, меньших, чем это требуется по ПУЭ и ПТЭЭП, например, в сетях насосных и компрессорных станций.

Идея сетей с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор – в снижении тока в месте повреждения путем компенсации емкостного тока замыкания индуктивным током от специальной катушки индуктивности. По имени разработчика ее в первые годы называли катушкой Петерсена. Для снижения токов в месте замыкания в нейтраль одного из трансформаторов сети включается реактор, который называют дугогасящим реактором (ДГР) или дугогасящей катушкой (ДГК).

Дугогасящий реактор подключают к сети с помощью специального силового трансформатора (Т-ДГР на рисунке 7.17) с соединением обмоток звезда-треугольник. Нагрузка к трансформатору не подключается.

Рисунок 7.17 – Схема подключения ДГР

В нормальном режиме при симметричной сети напряжение нейтрали трансформатора Т-ДГР по отношению к земле равно нулю и по ДГР ток не протекает. В случае повреждения изоляции одной из фаз электрической сети и возникновения замыкания на землю, образуется замкнутый контур, содержащий ДГР, фазную обмотку трансформатора, поврежденную фазу и место повреждения (рисунок 7.18).

Рисунок 7.18 – Однофазное замыкание на землю в сети с компенсированной нейтралью

Напряжение поврежденной фазы при однофазных замыканиях на землю во всей сети снижается до нуля (рисунок 7.15). Например, при замыкании на землю фазы А снизится до нуля напряжение UА, и исчезнет напряжение в обмотке фазы А трансформатора Т-ДГР. При этом на нейтрали трансформатора Т-ДГР появится напряжение (смещение нейтрали) равное по величине фазному напряжению фазы А и противоположно ему направленное. Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным UNЗ = -UА

Под действием этого напряжения через ДГР и место повреждения будет протекать ток, который носит индуктивный характер. Пренебрегая сопротивление трансформатора Т-ДГР и продольными сопротивлениями линии для тока через ДГР, вследствие их малости, можно записать:

В результате в месте повреждения будет протекать сумма двух токов: индуктивного IL и емкостного Ic, обусловленного суммарной емкостью всей сети. При этом ток в месте повреждения будет равен векторной сумме токов IL и Ic,

где IС — емкостной ток замыкания на землю, для которого в соответствии с выражением (7.5) можно записать:

Рассмотрим векторную диаграмму токов (рисунок 7.19).

Рисунок 7.19 – Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании на землю в сети с компенсированной нейтралью

Ток IL отстает по фазе от напряжения UNЗ на 90 0 . Так как токи IL и Ic сдвинуты по фазе на 180°, то ток в месте замыкания будет равен разности их абсолютных значений

Конструкция ДГР предусматривает возможность регулирования величины индуктивности. Регулирование выполняется либо изменением числа витков обмотки, либо изменение величины воздушного зазора в сердечнике. Так как реактор ДГР управляемый, то можно изменять величину индуктивного тока. Установив индуктивный ток равным емкостному току (IL=Ic), можно снизить ток замыкания до нуля IЗ=0. Такая настройка реактора называется резонансной. При этом сеть называют резонансно — скомпенсированной. Именно такая резонансная настройка ДГК рекомендуется в ПУЭ и ПЭЭП.

Однако компенсируется только емкостной ток частотой 50 Гц. Поэтому в месте замыкания протекают небольшой активный ток, обусловленный активным сопротивление ДГР, и могут протекать токи высших гармоник.

В процессе работы сети возможно изменение схемы вследствие включения или отключения присоединений. Такие изменения приводят к изменению емкостного тока. Поэтому в процессе работы резонансная настройка может нарушаться. Для ее поддержания необходима автоматическая настройка ДГР. Но ее реализация достаточно сложная. Чаще используют ручную настройку по расчетному значению емкостного тока. При этом возможно нарушение резонансной настройки. Степень расстройки компенсации характеризуется коэффициентом:

Правильно используемая компенсация емкостных токов в сетях имеет следующие преиму­щества:

— уменьшается ток через место повреждения до минимальных зна­чений (в пределе до активных составляющих и высших гармоник), при этом снижается вероятность появления перемежающейся дуги, повышается вероятность самопогашения дуги и «заплывания» места повреждения, снижается напряжение шага при растекании токов в земле;

— при степени расстройки компенсации до 5 % ограничиваются перенапряжения, возникающие при дуговых замы­каниях на землю, до значений (2,5—2,6) Uф, безопасных для изоляции эксплуатируемого оборудования и линий;

— за счет большой индуктивности ДГР значительно снижается скорость восстанавливающегося напряже­ния поврежденной фазы в месте повреждения после пога­сания перемежающейся дуги; вследствие этого диэлек­трические свойства места повреждения успевают восстановиться, что снижает вероятность повторных зажиганий дуги.

Перечисленные преимущества компенсации проявляются только при резонансной настройке.

Недостатки.

В сетях с резонансно-компенсированной нейтралью решаются проблема снижения токов в месте повреждения, снижение напряжения шага (но полностью не исключается) и снижения луговых перенапряжений. Другие недостатки сетей с изолированной нейтралью остаются справедливыми и для сетей с резонансно — компенсированной нейтралью, в том числе: повышение напряжения неповрежденных фаз до линейного напряжения; и проблема селективной сигнализации и поиска места повреждения.

Таким образом, у сетей с компенсированной нейтралью можно выделить следующие недостатки.

1) Напряжения неповрежденных фаз при однофазном замыкании повышаются до линейного напряжения.

2) Из-за снижения токов в месте повреждения и в поврежденной линии усложняется проблема определения поврежденной линии (селективной сигнализации) и поиска места повреждения. Более того, компенсация емкостного тока исклю­чает возможность использования про­стого принципа выявления поврежденного фидера по величине и направлению тока нулевой последовательности промышленной частоты. Это создает дополнительные проблемы селективной сигнализации и обусловливает при­менение частот, отличных от промышленной.

3) На практике резонансной настройки не получается. Связано это как со сложностью плавного регулирования индуктивного сопротивления ДГР, так и сложностью выбора критерия автоматической настройки в резонанс. Нет удобной автоматической настройки резонанса. Нет удобных способов измерения емкостных токов. Поэтому на практике часто применяют ручное переключение ДГР, основанной на расчетной величине емкостного тока. Отсутствие резонансной настройки на практике снижает положительные эффекты компенсации.

4) Резонансная компенсация требует почти идеальной симметрии сети, иначе в нормальном режиме возможны значительные смещения нейтрали. Если сеть в нормальном режиме, то по методу двух узлов напряжение на нейтрали по отношению к земле будет:

где — проводимость дугогасящего реактора; .- емкостные проводимости фаз А, В и С по отношению к земле.

Если сеть симметричная, то емкости, а, следовательно, и емкостные проводимости разных фаз равны между собой:

и напряжение нейтрали относительно земли будет равно нулю: .

Но на практике симметрии сети может не быть. При этом числитель выражения (7.13) не будет равен нулю: .

В то же время знаменатель выражения (7.13) при резонансной настройке будет близок к нулю:

При этом напряжение на нейтрали (смещение нейтрали) может быть достаточно большим и даже больше фазного напряжения, что . Это снижает качество электрической энергии и делает неприемлемым использование ДГР в несимметричных сетях. Практически приемлемой степенью симметрии обладают только КЛ. В воздушной сети из-за естественной несимметрии проводимостей фаз относительно земли для резонансной настройки могут потребоваться мероприятия по симметрированию сети.

Рисунок 7.22 – Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании на землю в сети с нейтралью, заземленной через активное сопротивление

Ток через активное сопротивление совпадает по фазе с напряжением смещения нейтрали UNЗ. Так как токи IR и Ic сдвинуты по фазе на 90°, то ток в месте замыкания будет равен:

При этом ток в месте замыкания всегда больше, чем емкостной ток сети: Таким образом, заземление нейтрали через резистор позволяет повысить ток замыкания на землю.

Применяются три варианта заземления нейтрали через активное сопротивление: низкоомное; высокоомное; комбинированное.

Низкоомное заземление применяется в тех случаях, когда требуется быстрое отключение поврежденной линии. Ток в нейтрали и в поврежденной линии должен быть достаточным для работы токовых защит. Рекомендуемые значения тока нейтрали от 10 до 100 А. Это позволяет обеспечить необходимую чувствительность простой токовой защиты от однофазных замыканий на землю и существенно сократить время замыкания на землю. При этом уменьшается длительностьгорения перемежающейся дуги, суще­ственно снижается длительность и вероятность перенапря­жений. На ВЛ вместо кабельной вставки появляется возможность установки третьего фазного трансформатора тока (в фазу В) и выполнения трех трансформаторного фильтра тока нулевой последовательности вместо кабельных трансформаторов тока с тороидальным сердечником..

Высокоомное заземление нейтрали применяется тогда, когда по условиям надежности электроснабжения сеть должна длительно работать при однофазном замыкании на землю без отключения поврежденной линии. При этом ток в месте замыкания должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений. Наличие активной составляющей в токе замыкания снижает величину дуговых перенапряжений. Если отношение активного тока к емкостному будет порядка 1,0, то величина перенапряжений снизится с 3,2 до 2,4 (рисунок 7.23). При этом в месте замыкания не должен превышать 10 А.

Рисунок 7.22 — Зависимость кратности перенапряжения ku от отношения активного тока к емкостному

Комбинированное заземление применяется в сетях с ДГР. При этом активное сопротивление включается параллельно ДГР.

В настоящее время режим с резистивным заземлением нейтрали в сетях 6-10 кВ выполнен на нескольких газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов и насосных станциях нефтепроводов. На газокомпрессорных станциях сопротивление резистора выбрано так, что ток при замыканиях на землю составляет около 40 А.

Для выполнения резистивного заземления нейтрали выпускаются комплектные устройства с трансформатором и резистором для установки в РУ-10 кВ.

Режимы нейтралей электрических сетей

7.1 Классификация электрических сетей по способу заземления нейтрали.

7.2. Свойства сетей с глухозаземленной нейтралью. Свойства сетей с эффективно-заземленной нейтралью

7.3 Токи замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.Достоинства электрических сетей с изолированной нейтралью.

7.4 Недостатки электрических сетей с изолированной нейтралью.

7.5 Свойства электрических сетей с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

7.6 Свойства электрических сетей с нейтралью, заземленной через активное сопротивление

Последнее изменение этой страницы: 2020-04-26; Нарушение авторского права страницы

Защита трансформаторов напряжения в сетях 3-35 кВ. Необходимо изменить режим заземления нейтрали

В электрических сетях 3-35 кВ с изолированной нейтралью или нейтралью, заземлённой через дугогасящий реактор, постоянно происходят процессы, которые отрицательно отражаются на работе заземляемых электромагнитных трансформаторов напряжения (ТН) вне зависимости от вида их изоляции.

По этой причине по данным [1] средний срок службы ТН типов НТМИ-6, НТМИ-10, ЗНОМ-20, ЗНОМ-35 часто не превышает 3-5 лет. Не лучше обстоят дела и с ТН с литой изоляцией. Особенно высокая повреждаемость ТН фиксируется в сетях 35 кВ [2].

К процессам, отрицательно влияющим на работу электрооборудования, относятся:

— наличие постоянной составляющей магнитного потока в ТН при автоколебательных процессах в сети.

Причинами, вызывающими эти процессы, являются:

— неблагоприятное сочетание ёмкости электрической сети по отношению к земле и нелинейной индуктивности ТН;

— дуговые замыкания на землю;

— коммутация ненагруженных трансформаторов;

Два примера повреждения ТН

Останавливаться на физической сущности перечисленных выше процессов не следует, поскольку они подробно описаны во многих публикациях. Целесообразно привести два наиболее характерных примера повреждения ТН с литой изоляцией производства ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока» (ОАО «СЗТТ»).

1984 год. Завод промышленных тракторов, г. Чебоксары. На предприятии две подстанции 10 кВ, питающие литейное производство. На обеих подстанциях применены заземляемые ТН производства ОАО «СЗТТ». На одной подстанции применена электромашинная компенсация реактивной мощности, а на другой – ёмкостная. На первой подстанции трансформаторы напряжения эксплуатировались благополучно в течение длительного периода, на второй – вышли из строя при пуске подстанции в эксплуатацию. В порядке эксперимента службой главного энергетика завода с первой подстанции были сняты ТН и установлены на второй вместо повреждённых. Сразу после включения они стали перегреваться. Этот пример свидетельствует о необходимости применения специальных мер по рассогласованию параметров сети и ТН при емкостной компенсации реактивной мощности.

Каждый электрик должен знать:  Как подключить сварочный аппарат чтобы свет не мигал

Другой пример. 2001 год. ОАО «Уралмашзавод», г. Екатеринбург, Свердловская ТЭЦ, подстанция «Литейная» – ЗРУ-35 кВ и литейный цех – РУ-35 кВ. Зафиксированы массовые выходы из строя заземляемых электромагнитных ТН 35 кВ практически сразу после первых включений ненагруженного силового трансформатора ЭТЦН-32000/35 вакуумными выключателями.

Однолинейная принципиальная электрическая схема питания трансформатора ЭТЦН-32000/35 приведена на рис. 1. На рис. 2 приведена принципиальная электрическая схема RC-цепочки, применённой в схеме для защиты силового трансформатора ЭТЦН-32000/35, питающего литейную установку «печь-ковш».

Проведённое сравнение параметров сети и заземляемых ТН ЗНОЛЭ-35 и ЗНОЛ-35, оценка режимов работы сети, после которых ТН выходили из строя, свидетельствуют о наличии значительных перенапряжений, поскольку:

— индуктивное сопротивление насыщения ТН и ёмкостное сопротивление сети относительно земли одного порядка – ХLms 13000 Ом; Xс 9000 Ом (при расчётах не учитывались параметры остального электрооборудования), что является предпосылкой феррорезонансных перенапряжений;

— включение и отключение трансформатора ЭТЦН-32000/35 производилось на холостом ходу вакуумными выключателями, что вызывает значительные коммутационные перенапряжения [3, 4].

Принципиальная схема и характеристики элементов схемы электроснабжения установки «печь-ковш»

Принципиальная электрическая схема RC-цепочки трансформатора ЭТцН-32000/35

Бороться необходимо с причиной

Существуют различные схемные решения по подавлению отрицательных процессов в электрических сетях 3-35 кВ.

— заземление нейтрали обмоток высокого напряжения ТН через резисторы различных значений сопротивлений – от низкоомных до высокоомных;

— включение резисторов в разомкнутый треугольник обмоток ТН, предназначенных для контроля изоляции сети;

— включение высокоомных резисторов между питающей сетью и обмотками высокого напряжения ТН;

— применение антирезонансных ТН типа НАМИ;

— другие технические решения, например, замена в НАМИ заземляемой электромагнитной фазы ёмкостным делителем;

— применение электромагнитных ТН с ненасыщаемой магнитной системой;

— заземление нейтрали заземляемых ТН через первичную обмотку незаземляемого ТН;

— заземление нейтрали ТН через первичную обмотку трансформаторов тока (ТТ) с подключенным ко вторичной обмотке ТТ низкоомным резистором.

Специалистами также предлагается отказ от применения электромагнитных ТН и использование других принципов контроля несимметрии сети [5].

Нетрадиционный принцип контроля несимметрии приведен в [1], но с применением электромагнитных ТН без обмоток контроля несимметрии. При этом контроль осуществляется с помощью трёхфазного резисторного делителя напряжения, подключенного к выводам первичных обмоток ТН. Однако перечисленные выше меры не дают должного эффекта, поскольку являются борьбой со следствием, а не с причиной. При применении этих решений, как правило, ухудшаются метрологические характеристики ТН.

Согласно [6] применение ТН типа НАМИ полностью не решает проблему, поскольку:

— переходные процессы в сети с изолированной нейтралью, содержащей трансформаторы НАМИ-10, могут приводить к глубокому насыщению сердечника фазного ТН;

— наиболее тяжёлым режимом для НАМИ при дуговых замыканиях является режим однополярной дуги, когда зажигание дуги происходит один раз в период промышленной частоты;

— причинами повреждения трансформаторов НАМИ-10 при длительных дуговых замыканиях в сети с изолированной нейтралью из-за нагрева первичной обмотки фазного трансформатора могут быть:

— разные напряжения зажигания дуги в положительную и отрицательную полуволну приложенного напряжения,

— возникновение режима горения дуги с гашением её на втором периоде вынужденной составляющей тока замыкания на землю в сети с токами замыкания 5 А и более.

Метрология и ТН

Наиболее характерным примером ухудшения метрологических характеристик ТН является включение высокоомных резисторов между питающей сетью и первичными обмотками ТН. При ознакомлении с информацией, касающейся феррорезонансных перенапряжений, на сайте «Конкурса русских инноваций» была обнаружена схема защиты заземляемых ТН на 35 кВ от феррорезонансных перенапряжений, применяемая в сетях 35 кВ СЭС АО «Колэнерго». В этой схеме для подавления феррорезонанса применяются высокоомные резисторы (15-45 кОм), включаемые между фазой сети и высоковольтным выводом ТН. Такие схемы по полученной информации на подстанциях АО «Колэнерго» применяются с мая 1996 г.

Предлагаемая схема приемлема с точки зрения защиты ТН от феррорезонанса, но совершенно неприемлема с точки зрения обеспечения требуемых от ТН метрологических характеристик для целей измерения и учёта. Погрешности трансформаторов напряжения при такой схеме резко возрастают и трансформатор из класса точности 0,5 при номинальной мощности, соответствующей этому классу точности, переходит в класс точности 1 при сопротивлении резистора 15 кОм и в класс точности 3 при сопротивлении резистора 45 кОм, что недопустимо. Это подтверждено экспериментальными исследованиями, проведенными в ОАО «СЗТТ» и ХК «Московский электрозавод».

При указанной схеме включения ТН и резисторов погрешности ТН становятся более отрицательными, что приводит к значительному (до 1,5%) искажению показаний измерительных приборов, в т. ч. к недоучёту электрической энергии. Каков недоучёт электрической энергии в АО «Кол-энерго» за период с мая 1996 года по настоящее время, можно только предполагать. На рис. 3 приведена схема защиты ТН 35 кВ, применяемая в АО «Колэнерго», а в таблице 1 – результаты исследований ТН 35 кВ, включенных по такой схеме. Приведенные результаты свидетельствуют о недопустимости с точки зрения метрологии такой защиты ТН.

Схема защиты ТН 35 кВ от феррорезонансных перенапряжений, применяемая в АО «Колэнерго»

НЕ ВСЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ МОГУТ ЗАЩИТИТЬ ТН

Поскольку заземляемые электромагнитные ТН обладают достаточно высокой нелинейной индуктивностью (от нескольких единиц генри для ТН 6 и 10 кВ до нескольких десятков генри для ТН 35 кВ) [7], негативные процессы в электрических сетях в первую очередь отражаются на работе этих ТН. Одной из основных причин высокой повреждаемости ТН, если не самой главной причиной, является полное отсутствие защиты ТН на выводах первичных обмоток. Применяемые для целей защиты ТН предохранители типов ПКН 001 и ПКТ непригодны, поскольку токи срабатывания этих предохранителей значительно превышают предельно-допустимые длительные токи первичных обмоток ТН. Предохранители сгорают только после повреждения ТН [2], поскольку предельно-допустимые длительные токи ТН составляют десятки миллиампер, в то время как сверхтоки, протекающие по первичной обмотке ТН при перенапряжениях, создают плотности тока недопустимых значений – до нескольких десятков ампер на квадратный миллиметр. В таблице 2 приведены предельно-допустимые длительные токи в первичных обмотках ТН на 3-35 кВ. На рисунках 4 и 5 приведены для примера ампер-секундные характеристики предохранителей ПКН 001 на 10 и 35 кВ. Эти характеристики подтверждают недопустимость применения таких предохранителей для защиты ТН. Что же необходимо сделать для снижения до минимума повреждаемости ТН?

Таблица 1. Результаты метрологических исследований ТН 35 кВ с высокоомными резисторами, включенными между сетью и первичными обмотками ТН

Таблица 2. Предельно-допустимые длительные токи ТН 3-35 кВ

Прежде всего создать высоковольтную защиту ТН с токами срабатывания не более 0,5-0,7 А и временем срабатывания не более 20-30 с. В ОАО «СЗТТ» освоено промышленное производство заземляемых электромагнитных ТН на 6 и 10 кВ (ЗНОЛП-6 и ЗНОЛП-10) со встроенным защитным предохранительным устройством. На рисунке 6 приведена ампер-секундная характеристика такого устройства. По существу, это устройство является высоковольтным минивыключателем. После срабатывания устройства требуется только его перезарядка с заменой плавкой вставки. Проведение других операций (чистка полости патрона и т. п.) не требуется.

В настоящее время в ОАО «СЗТТ» проводятся квалификационные испытания незаземляемых ТН на 6 и 10 кВ (НОЛП-6 и НОЛП-10) со встроенными защитными предохранительными устройствами.

Но эти защитные устройства предназначены для ТН внутренней установки. С созданием аналогичных устройств для наружной установки возможны затруднения, поскольку необходимо будет решать проблему исключения влияния увлажнения на работу этих устройств.

Ампер-секундная характеристика предохранителя типа ПКН 001 на 10 кВ

Ампер-секундная характеристика предохранителя типа ПКН 001 на 35 кВ

Ампер-секундная характеристика встроенного защитного предохранительного устройства трансформаторов ЗНОЛП-6 и ЗНОЛП-10

Требуется резистивное заземление нейтрали!

Для исключения в электрических сетях 3-35 кВ негативных процессов должен быть пересмотрен подход к нейтрали этих сетей в части её заземления. В мировой практике широко применяется резистивное заземление нейтрали в сетях среднего напряжения, что повышает надёжность работы электрических сетей, в том числе и заземляемых трансформаторов напряжения. Российские и украинские специалисты также приходят к выводу о необходимости резистивного заземления нейтрали [8], [9], [10] и [11]. Необходимо осуществить переход на резистивное заземление в сетях 3-35 кВ на практике, что позволит до минимума сократить повреждаемость ТН. Конечно, это потребует определенных материальных затрат, но, считаю, они окупятся за довольно небольшой срок.

1. Электромагнитные ТН – наиболее высокоиндуктивные элементы в электрических сетях.

2. Негативные процессы, происходящие в электрических сетях, отрицательно отражаются на работе электромагнитных ТН в связи с их высокой индуктивностью.

3. Назначение ТН – метрологическое обеспечение электрических сетей, а не подавление негативных процессов в них.

4. Защита ТН в электрических сетях отсутствует. Предохранители типов ПКН 001 и ПКТ для защиты ТН непригодны.

5. Необходимо разработать и освоить производство высоковольтных защитных устройств для ТН с токами срабатывания не более 0,5-0,7 А и временем срабатывания не более 20-30 с.

6. С 1 января 2003 года введены в действие ПУЭ 7-го изд. [12], п.1.2.16 которых разрешает применение резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 3-35 кВ. Необходимо осуществить резистивное заземление нейтрали в этих сетях на практике.

1. Нагорный П. Д., Назаров В. В. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. – 2002, № 3. – С. 22-23.

2. Шаргородский В. Л. Автоколебательный процесс – причина повреждения трансформаторов напряжения // Электрические станции. – 1963, № 5. – С. 59-64.

3. Александров Г. Н. Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений // Новости электротехники. – 2001, № 6. – С. 14-15.

4. Абрамович Б., Кабанов С., Сергеев А., Полищук В. Перенапряжения и электромагнитная совместимость оборудования электрических сетей 6-35 кВ // Новости электротехники. – 2002, № 5. – С. 22-24.

5. Лисицын Н. В. Аварийные режимы в сетях с изолированной нейтралью и способ контроля изоляции // Электрические станции. – 1996, № 1. – С. 42-48.

6. Богдан А. В., Калмыков В. В., Сафарбаков А. А. Переходные процессы в электрической сети 10 кВ с трансформаторами НАМИ-10 // Электрические станции. – 1993, № 10. – С. 46-49.

7. Виштибеев А. В., Кадомская К. П., Хныков В. А. Повышение надёжности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ. // Электрические станции. – 2002, № 3. – С. 47-51.

8. Назаров В. В. О режимах нейтрали в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. – 1993, № 6. – С. 33-36.

9. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество. – 1998, № 12. – С. 8-22.

10. Шабад М. А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ России // Энергетик. – 1999, № 3.

11. Стогний Б. С., Масляник В. В., Назаров В. В., Нагорный П. Д., Демченко Н. А., Жереб А. А. О необходимости изменений режимов нейтрали в сетях 3-35 кВ // Энергетика и электрификация. – 2001, № 4. – С. 27-29.

12. Правила устройства электроустановок. 7-е изд.

Система электроснабжения с глухозаземленной нейтралью. Изолированная нейтраль. Устройство и работа. Применение

Электрические сети, как известно, делятся в зависимости от класса напряжения – до и выше 1000В. Нейтраль – это общая точка обмоток у трансформаторов и генераторов, соединенных в звезду. Если же схема обмоток треугольник и необходим ноль, то можно вспомнить про схему . Будем рассматривать только сети переменного тока.

Виды заземления нейтрали в сетях до 1кВ

В электрических сетях напряжением до 1000В принято использовать три системы заземления нейтрали – это TN, IT, TT. Каждая из букв несет определенный смысл, разберемся:

  • 1-ая буква описывает способ заземления нейтрали источника питания
    • T (terra) – нейтраль глухозаземленная
    • I (isolate) – нейтраль изолирована (и – изолирована, легко запомнить)
  • 2-ая буква показывает способ заземления открытых проводящих частей (ОПЧ) с землей
    • N (neutral) – ОПЧ заземлены через глухозаземленную нейтраль источника питания
    • T – ОПЧ заземлены независимо от источника питания

В свою очередь система TN делится на три подсистемы – TN-C, TN-S и TN-C-S. В рамках данной подсистемы третьи буквы (C — combine, S — separe) обозначают совмещение или разделение в одном проводе функций нулевого защитного (PE) и нулевого рабочего (N) проводника.

Рассмотрим теперь каждую систему более подробно.

Система заземления TN

В этой системе нейтраль глухозаземлена, а открытые проводящие части заземлены через эту глухозаземленную нейтраль. Глухозаземленная – это значит что нейтраль присоединена непосредственно к заземляющему устройству (болтом, сваркой) или через малое сопротивление (трансформатор тока).

В сетях до 1кВ глузозаземленная нейтраль используется для питания однофазных и трехфазных нагрузок.

Система заземления TT

Система TT предполагает, что нейтраль источника питания глухозаземлена, а ОПЧ оборудования заземлены заземляющим устройством электрически несвязанным с нейтралью источника. То есть защитный PE-проводник создается у самого потребителя, а не идет от источника питания.

Система заземления IT

В системе IT нейтраль генератора или трансформатора изолирована или заземлена через устройства, имеющие высокое сопротивление, а ОПЧ заземлены независимо. Эта система не рекомендуется для жилых зданий, используется там, где при первом замыкании на землю не требуется перерыв питания. Это могут быть электроустановки с повышенными требованиями надежности снабжения электроэнергией.

Виды заземления нейтрали в электросетях выше 1кВ

В сетях напряжением выше 1000В используется изолированная (незаземленная) нейтраль, эффективно заземленная нейтраль и резонансно-заземленная нейтраль. Глухозаземленная нейтраль используется только в сетях до 1кВ.

Исторически первая система заземления. Нейтральная точка источника питания не присоединена к заземляющему устройству. Обмотки соединены в треугольник и выходит, что нулевая точка отсутствует. Применяется на напряжение 3-35кВ.

Этот вид заземления используется в сетях напряжением выше 110кВ. Достоинство заключается в том, что при однофазных замыканиях на неповрежденных фазах напряжение относительно земли будет равно 0,8 междуфазного в нормальном режиме работы. В этой системе сам контур заземления выполняется с учетом протекания больших токов КЗ, что делает его сложным и дорогим.

Применяется в сетях 3-35кВ. Используется для уменьшения величины токов КЗ. Исторически был вторым способом заземления нейтрали. Заземление через резистор используется во всем мире, через реактор – в странах бывшего союза.

Заземление через реактор – при отсутствии замыкания ток через реактор мал. Когда происходит замыкание фазы на землю, то через место повреждения течет емкостной ток КЗ и индуктивный ток реактора. Если их величина равна, то в месте замыкания отсутствует ток (явление резонанса).

Заземление через резистор бывает низкоомным и высокоомным. Разница в величине тока, создаваемым резистором при замыкании на землю. Высокоомное применяется в сетях с малыми емкостными токами, в этом случае замыкание можно не отключать немедленно. Низкоомное заземление наоборот используется при больших емкостных токах.

Выбор виды заземления нейтрали зависит от следующих факторов:

  • величина емкостного тока сети
  • допустимая величина однофазного замыкания
  • возможности отключения однофазного замыкания
  • вида и типа релейных защит
  • безопасности персонала
  • наличия резерва

Если не хотите потерять этот материал, то поделитесь им с друзьями в социальных сетях!

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов. Сети напряжением 35 кВ и ни­же работают с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящие реакторы.
Каждый вид заземления имеет свои преимущества и недостатки.
В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора. Остаточный в результате компенсации малый ток не способен под­держивать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически. Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов. При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.
В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.
С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.
Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.
Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ. Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.
Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ — действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. До­статочно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действую­щим напряжением гашения 50 кВ.
Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах ком­мутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Неполнофазное включение ненагруженных трансформаторов. На рис. 1.20 показан трехфазный трансформатор с изолированной нейтралью. Из векторной диаграммы видно, что при симметричном напряжении сети и параметрах схемы токи намагничивания и магнитные потоки в сердечнике также симметричны, т. е. , , а напряжение на нейтрали равно нулю.
При пофазной коммутации трансформатора его электрическое и магнитное состояние изменяется. Включение трансформатора со стороны обмотки, соединенной в звезду, двумя фазами (рис. 1. 20, б) приводит к исчезновению потока Ф с и появлению на нейтрали и на отключенной фазе напряжения, равного половине фазного:

Напряжение на разомкнутых контактах коммутационного аппарата

При подаче напряжения по одной фазе все обмотки трансформатора и его нейтраль будут находиться под напряжением включенной фазы. Между разомкнутыми контактами аппарата напряжение D U = U л .
В эксплуатации задержка в устранении неполнофазных режимов ненагруженных трансформаторов неоднократно приводила к авариям. Лучшей мерой защиты пониженной изоляции трансформаторов от опасных напряжений является глухое заземление их нейтралей. Поэтому необходимо перед включением или отключением от сети (разъединителями, отделителями или воздушными выключателями) трансформаторов 110-220 кВ, у которых нейтраль защищена вентильными разрядниками, глухо заземлять нейтраль включаемой под напряжение или отключаемой обмотки, если к тем же шинам или к питающей линии не подключен другой трансформатор с заземленной нейтралью.
Испытаниями установлено, что глухое заземление нейтрали трансформатора облегчает процессы отключения и включения намагничивающих токов. Дуга при отключении трансформатора горит менее интенсивно и быстро гаснет.
Отключение заземляющего разъединителя в нейтрали трансформатора, работающего нормально с разземленной нейтралью, защищенной разрядником, следует производить сразу же после включения под напряжение и проверки полнофазности включения коммутационного аппарата. Нельзя длительно оставлять заземленной нейтраль, если это не предусмотрено режимом работы сети. Заземлением нейтрали вносится изменение в распределение токов нулевой последовательности и нарушается селективность действия защит от однофазных замыканий на землю.
Схемы питания от одиночных и двойных проходящих линий 110-220 кВ подстанций, выполненных по упрощенным схемам, в настоящее время получили широкое распространение. Число присоединяемых к линии трансформаторов не регламентируется и доходит до четырех-пяти. Если к линии присоединены два трансформатора и более (рис. 1.21), то целесообразно постоянно (или на время производства операций) хотя бы у одного из них иметь глухое заземление нейтрали (трансформаторы Т2 и ТЗ на рис. 1.21). Это позволит избежать появления опасных напряжений на изолированных нейтралях других трансформаторов в случае неполнофазной подачи напряжения на линию вместе с подключенными к ней трансформаторами.
Так, при однофазном включении (фаза В) питающей линии под напряжение (рис. 1.22, а) в сердечниках отключенных фаз трансформатора с глухозаземленной нейтралью T 1 замкнется магнитный поток Ф B неотключенной фазы. Он наведет в обмотках фаз А и С примерно равные ЭДС взаимоиндукции Е A и е с. Трансформатор T 1 будет находиться в уравновешенном однофазном режиме.
При однофазной симметричной системе напряжений на линейных выводах трансформатора (сумма этих напряжений равна нулю) напряжение на незаземленной нейтрали Т2 относительно земли также равно нулю:

где
При двухфазном включении (фаз А и В) питающей линии (рис. 1.22, б) по сердечнику отключенной фазы замыкается суммарный магнитный поток Ф A +Ф B =-Ф C , который наведет в обмотке отключенной фазы ЭДС взаимоиндукции E C , равную по значению и направлению напряжению фазы U c , если бы она была включена. Таким образом, на линейных вводах всех подключенных к линии трансформаторов образуется симметричная трехфазная система напряжений, при которой напряжение на изолированной нейтрали трансформатора Т2 равно нулю:

Рис. 1.20. Полнофазный (а) и двухфазный (б) режимы включения ненагруженного трансформатора с изолированной нейтралью

В сетях с эффективно заземленной нейтралью трансформаторы подвержены опасным перенапряжениям в аварийных режимах, когда, например, при обрыве и соединении провода с землей выделяется по тем или иным причинам участок сети, не имеющий заземленной нейтрали со стороны источника питания. На таком участке напряжение на нейтралях трансформаторов становится равным по значению и обратным по знаку ЭДС заземленной фазы, а напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного. Возникающие при этом в результате колебательного перезаряда емкостей фаз на землю перенапряжения представляют собой серьезную опасность для изоляции трансформаторов и другого оборудования участка.
В сетях с эффективно заземленной нейтралью на случай перехода части сети в режим работы с изолированной нейтралью от замыканий на землю предусматривают защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности 3 U о , которое появляется на зажимах разомкнутого треугольника трансформатора напряжения при соединении фазы с землей. Защиты действуют на отключение выключателей трансформаторов с незаземленной нейтралью. Защиты от замыканий на землю в сети настраивают таким образом, чтобы при однофазном повреждении первыми отключались питающие сеть трансформаторы с изолированной нейтралью, а затем трансформаторы с заземленной нейтралью. На тех подстанциях 110 кВ, где силовые трансформаторы не могут получать подпитку со стороны СН и НН, такие защиты от замыканий на землю не устанавливаются, не производится также и глухое заземление нейтралей.
Рекомендации оперативному персоналу. На основании изложенного оперативному персоналу могут быть даны следующие рекомендации.
При выводе в ремонт силовых трансформаторов, а также изменениях схем подстанций необходимо следить за сохранением режима заземления нейтралей, принятого в энергосистеме, и не допускать при переключениях в сетях с эффективно заземленной нейтралью выделения участков без заземления нейтралей у питающих сеть трансформаторов.
Во избежание же автоматического выделения таких участков на каждой системе шин подстанции, где возможно питание от сети другого напряжения, желательно иметь трансформатор с заземленной нейтралью с включенной на нем токовой защитой нулевой последовательности. В случае вывода в ремонт трансформатора, нейтраль которого заземлена, необходимо предварительно заземлить нейтраль другого параллельно работающего с ним трансформатора.
Без изменения положения нейтралей других трансформаторов производится отключение трансформаторов с изолированной нейтралью (трансформаторы старых выпусков с равнопрочной изоляцией выводов) или нейтралью, защищенной вентильным разрядником.

Сеть с эффективным заземлением нейтрали — сеть, в которой заземлена большая часть нейтралей обмоток силовых трансформаторов. При однофазном замыкании в такой сети напряжение на неповрежденных фазах не должно превышать 1,4 фазного напряжения нормального режима работы сета. В СССР сети напряжением 110 кВ и выше, работающие, как правило, с глухозаземленной нейтралью, относят к сетям с эффективно заземленной нейтралью

Неполнофазным отключением (включением) называется коммутация, при которой выключатели, разъединители или отделители в цепи оказываются включенными не тремя, а двумя или даже одной фазой

4 режима заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Изолированную нейтраль объявим вне закона

Изолированная нейтраль
Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник (рис. 1), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.
ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока). Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах:

  • более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
  • более 20 А при напряжении 10 кВ;
  • более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
  • более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ;
  • более 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор–трансформатор».

Вместо компенсации тока замыкания на землю может применяться заземление нейтрали через резистор (резистивное) с соответствующим изменением логики действия релейной защиты.
Исторически режим изолированной нейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения. Его достоинствами являются:

  • малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).
  • Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:
  • возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю;
  • 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;
  • сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Кроме того, значительное число повреждений трансформаторов напряжения типа НТМИ-6(10), ЗНОЛ-6(10), ЗНОМ-35 в отечественных сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю также связано с состоянием нейтрали сетей среднего напряжения.
Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий. Такое развитие событий в эксплуатации не так редко, как кажется на первый взгляд. Именно по этой причине во многих странах, таких, как США, Канада, Англия, Австралия, Бельгия, Португалия, Франция и другие, отказ от режима изолированной нейтрали произошел еще в 40–50-х годах прошлого века. Как видно из табл. 1, в настоящее время из промышленно развитых стран режим изолированной нейтрали применяют только Италия, Япония и Финляндия. Причем в Италии сейчас рассматривается возможность перехода к работе с заземлением через дугогасящий реактор, а в Японии – с заземлением через резистор.
В России до последнего времени режим изолированной нейтрали был закреплен в ПУЭ. Именно этим объясняется сложившееся положение, когда даже в сетях с высоковольтными электродвигателями, где защита от однофазных замыканий выполнена с действием на отключение без выдержки времени, применяется режим изолированной нейтрали.

Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор
Она также достаточно часто применяется в России. Этот способ заземления нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор (рис.2).
С точки зрения исторической последовательности возникновения этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена).
Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются:

  • отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;
  • малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);
  • возможность самоликвидации однофазного замыкания, 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 многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;
  • возможность перехода однофазного замыкания 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 однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция 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 кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.
При дуговом характере однофазного замыкания скважность воздействия перенапряжений на изоляцию сети ниже, чем при изолированной нейтрали, но и здесь существует возможность возникновения многоместных повреждений. В последние десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а мощность компенсирующих устройств на подстанциях осталась той же, соответственно значительная доля сетей среднего напряжения сейчас работает с существенной недокомпенсацией. Это ведет к исчезновению всех положительных свойств сетей с компенсированной нейтралью. Отметим дополнительно, что дугогасящий реактор компенсирует только составляющую промышленной частоты тока однофазного замыкания. При наличии в сети источников высших гармоник последние могут содержаться в токе замыкания и в некоторых случаях даже усиливаться.
Применение режима с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, в таких странах, как Финляндия, Швеция, отличается от российского. В этих странах он применяется в сетях с воздушными линиями, где его применение наиболее эффективно. Кроме того, в этих странах существует значительное сопротивление грунта, состоящего в основном из скальных пород, и режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор позволяет обнаруживать однофазные замыкания через значительные переходные сопротивления 3-5 кОм. Применение режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор в таких странах, как Германия, Австрия, Швейцария, носит в некоторой степени традиционный характер (выше уже говорилось онемецком инженере – изобретателе этого способа). Тем не менее и в этих странах этот режим заземления нейтрали применяется в основном в сетях с воздушными линиями. В сетях среднего напряжения зарубежных промышленных предприятий используется резистивное заземление нейтрали.

Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный)
Этот режим заземления используется в России очень редко, только в некоторых сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций. В то же время, если оценивать мировую практику, то резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ (см. табл. 1).

Таблица 1. Способы заземления нейтрали в странах мира

Страна Принятое напряжение Способ заземления нейтрали
Изолированная Через дугогасящий реактор Через резистор Глухое
Россия 6–35 кВ + +
Австралия 11–12 кВ + +
Канада 4–25 кВ + +
США 4–25 кВ + +
Испания 10–30 кВ + +
Италия 10–20 кВ +
Португалия 10–30 кВ +
Франция 12–24 кВ +
Япония 6,6 кВ + +
Германия 10–20 кВ +
Австрия 10–30 кВ +
Бельгия 6,3–17 кВ +
Великобритания 11 кВ + +
Швейцария 10–20 кВ +
Финляндия 20 кВ + +
Резистор в отечественных сетях 6-10 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора (рис. 3).
Возможны и другие варианты включения резистора, когда нейтраль заземляющего трансформатора наглухо присоединяется к контуру заземления, а резистор включается во вторичную обмотку, собранную в разомкнутый треугольник (рис. 4б), либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг (рис. 4в).
Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный.
При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Например, согласно нормам французской сетевой компании Electricite de France, ток, создаваемый резистором, должен быть в два раза больше емкостного тока сети. Это гарантирует отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях. 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 однофазное замыкание 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 однофазного замыкания; наличие в сети высоковольтных электродвигателей и генераторов; чувствительность релейной защиты. В Electricite de France низкоомный резистор выбирается таким образом, чтобы ток однофазного замыкания в воздушных сетях не превышал 300 А, а в кабельных 1000 А. Согласно бельгийским нормам ток однофазного замыкания лимитируется величиной не более 500 А. При наличии в сети высоковольтных электродвигателей Electricite de France ограничивает ток в месте замыкания величиной 20 А (в случае необходимости допускается увеличение до 50 А). Эта норма связана с недопустимостью выплавления стали статора электродвигателя при однофазном замыкании. Похожие ограничения для сетей с высоковольтными электродвигателями были приняты при разработке устройств резистивного заземления нейтрали и в России. Например, такие заводы, как «Самарский Электрощит», «Московский Электрощит», выпускают ячейки заземления нейтрали, в которых используются резисторы, создающие активный ток 35-38 А (100 Ом для сетей 6 кВ и 150 Ом для сетей 10 кВ).
Некоторое отличие представляет практика низкоомного резистивного заземления нейтрали англоязычных стран. Так, в США типовым решением является применение резистора, создающего ток 400 А, в том числе и для сетей с высоковольтными электродвигателями.
Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются:

  • отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети;
  • отсутствие необходимости в отключении первого однофазного замыкания на землю (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 однофазного замыкания в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);
  • простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на токовом принципе.

Недостатками резистивного режима заземления нейтрали являются:

  • увеличение тока в месте повреждения;
  • необходимость в отключении однофазных замыканий (только для низкоомного заземления);
  • ограничение на развитие сети (только для высокоомного заземления).
Рис. 1. Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью.

Рис. 2. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

Рис. 3. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор.

Рис. 4. Варианты включения резистора в нейтраль сети 6-10 кВ.

Рис. 5*. Североамериканский трансформатор потребителя.

Отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях 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.

Глухозаземленная нейтраль
Как уже было сказано, 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.5 приведен участок сети 13,8 кВ в США. Как видно из рис.5, воздушная линия 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 фаз-ное напряжение. На рис.5* показан такой однофазный трансформатор потребителя с заземленной средней точкой обмотки НН. Основная воздушная линия 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).

Рис. 5. Схема воздушной четырехпроводной распределительной сети 4-25 кВ США.

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. Указанный выше случай глухого заземления нейтрали в кабельной сети 35 кВ, питающей г. Кронштадт, является исключением. Такое решение было сознательно принято проектным институтом в связи с тем, что ток однофазного замыкания в этой сети составляет около 600 А. Компенсация в данном случае малоэффективна, а надежных высоковольтных низкоомных резисторов на момент реализации решения в России не существовало.

Что выбрать?
К сожалению, в России жесткие нормативные требования ПУЭ в отношении применения только изолированной нейтрали не позволяли до последнего времени использовать заземление нейтрали через резистор. Даже сейчас, после внесения изменений в ПУЭ, проектные институты продолжают закладывать в новые объекты старую идеологию. По-видимому, необходимы совместные усилия заказчиков, производителей оборудования и проектных институтов для изменения существующей ситуации.
В заключение следует отметить, что режим заземления нейтрали в сети среднего напряжения должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом следующих факторов:

  • уровня емкостного тока сети;
  • допустимого тока однофазного замыкания, исходя из разрушений в месте повреждения;
  • безопасности персонала и посторонних лиц;
  • допустимости отключения однофазных замыканий с позиций непрерывности технологического цикла;
  • наличия резерва;
  • типа и характеристик используемых защит.

Однако в любом случае выбор должен делаться между заземлением нейтрали через дугогасящий реактор, высокоомным или низкоомным заземлением, а режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен.

Другим способом, предупреждающим возникновение дуги и свя­занных с ней перенапряжений при однофазном замыкании на землю, является глухое заземление нейтрали. Глухозаземленная нейтраль — это нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству.

Однофазное замыкание на землю (например, фазы А) в системах с глухозаземленной нейтралью (рис. 1.5) представляет собой короткое замыкание, так как поврежденная фаза оказывается короткозамкнутой через землю и нейтраль трансформатора или генератора. Ток в месте повреждения ограничен только сопротивлениями источников питания и поэтому является током КЗ. При этом ток замыкания практически не: зависит от величины сопротивления изоляции и емкости системы от­носительно земли, так как Y » Y A ; Y » Y B ; Y 0 » Y c ; Y = l/r 3 , пoэтому ток. однофазного замыкания на землю, например фазы А, опре­деляется выражением

т.е. при глухом заземлении нейтрали (r 3 -> 0; Y 0 -> ∞) величина I 3 A может иметь очень большое значение (тысячи ампер). Напряжения не­поврежденных фаз относительно земли определяются геометрической суммой нормальных напряжений U « B и U « C и небольших дополнитель­ных составляющих, обусловленных сопротивлениями обмоток транс­форматоров и подводящих проводов; но величины U « B и U « C менее 0,8U Л .

При однофазном замыкании на землю в системе с глухозаземлен- ной нейтралью ток однофазного КЗ подавляет емкостный ток и приво­дит в действие релейную защиту, отключающую поврежденный уча­сток системы.

Рис. 1.5. Система напряжением выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью:

а-расчетная схема замещения в аварийном режиме; б- векторная диаграмма напряжений.

Уменьшение токов однофазного КЗ в системе с глухозаземленной нейтралью достигается за счет разземления нейтрали у некоторых трансформаторов системы либо введением в нейтраль токоограничи- вающего сопротивления (активного R или индуктивного соL ). Раззем-ление нейтрали у части трансформаторов системы преследуетцелуменьшить ток однофазного КЗ до величины тока трехфазного КЗ, оп­ределяющего необходимую отключающую способность выключате­лей. Однако в некоторых случаях уменьшение числа глухбзаземлек- ных нейтралей не достигает цели, а эксплуатация системы усложняется. Тогда приходится прибегать к заземлению нейтрали трансформаторов системы через сопротивление того или иного рода. Но при этом полностью освободиться от перенапряжений или повы­шения напряжения «здоровых» фаз относительно земли в аварийных режимах не удается.

При заземлении нейтрали через индуктивное сопротивление х р (реактор) ток в месте повреждения будет значительно больше емкост­ного тока замыкания на землю, но не более допустимых величин., ограниченных возможностью появления устойчивого дугового замы­кания на землю. Напряжения неповрежденных фаз относительно земли в аварийном режиме составляют (0,8. 1,0)U л (уровень изоляции – как в системах с изолированной нейтралью). Реакторы в нейтрали повы­шают устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю и ограничивают коммутационные перенапряжения до допустимых пределов.

При заземлении нейтрали через активное сопротивление R ток в месте повреждения будет больше емкостного тока замыкания на землю (но меньше, чем при заземлении нейтрали через х р ), а напряжения не­поврежденных фаз относительно земли могут быть выше, чем в систе­ме с изолированной нейтралью (1,73. 1,9)£/ф. При правильно выбран­ной величине R устойчивость системы при однофазных замыканиях на землю обычно выше, чем при глухозаземленной нейтрали. С точки зрения коммутационных перенапряжений системы с нейтралью, зазем­ленной через R, аналогичны системам с глухозаземленной нейтралью (самые низкие). Заземление нейтрали через R является эффективной мерой для предотвращения перенапряжений при переходных процес­сах замыкания на землю, так как R шунтирует емкости сети, обуслов­ливая апериодический процесс разряда (лучшие результаты в этом отношении имеют место при величине R , равной X C =1 / j ЗωС или близкой к ней. Надежность заземления нейтрали через R выше, чем через х р. Токоограничивающие активное и реактивное сопротивления, заземляющие нейтраль, обычно выбирают такой величины, при кото­рой ток замыкания на землюпревышает возможный максимальный тог нагрузки.

Системы с нейтралью, заземленной через R , по сравнению с систе­мой, нейтраль которой заземлена через х р , имеют следующие недос­татки: для достижения одной и той же степени ограничения тока замы­кания на землю требуется большая величина сопротивления (R ), так как сопротивление реактора (x р) складывается арифметически с ин­дуктивным сопротивлением системы, а следовательно, и напряжения в системе, и потери мощности при коротких замыканиях больше; конст­руктивно выполнение R сложнее, особенно в системах высоких напря­жений и больших мощностей, и стоимость сооружения выше, чем для реакторов (усложняется охлаждения).

Таким образом, введение в нейтраль реактора для ограничения тока однофазного КЗ является более экономически целесообразным меро­приятием, получившим соответствующее распространение. Область применения способа заземления нейтрали через активное сопротивле­ние ограничена в основном генераторами и сетями генераторного на­пряжения.

Основные достоинства системы с глухим заземлением нейтрали за­ключаются в следующем: стабилизируется потенциал нейтрали и уст­раняются возможности появления устойчивых заземляющих дуг и свя­занных с ними последствий; облегчается работа изоляции при замыканиях на землю и переходных процессах, что дает возможность либо снизить уровень изоляции (а следовательно, экономии в затра­тах), либо повысить надежность работы установок в результате боль­шего запаса прочности в изоляции при сохранении уровня изоляции по сравнению с другими способами заземления нейтрали; обеспечивается выполнение четкой, надежной, селективной и быстродействующей релейной защиты; облегчается эксплуатация системы в отношении режима нейтрали.

Однако система с глухим заземлением нейтрали имеет ряд недос­татков: любое однофазное замыкание на землю является КЗ и релейная защита немедленно отключает поврежденный участок, т.е. нарушается бесперебойность электроснабжения, что требует для ограничения бес­токовых пауз применять быстродействующие устройства АПВ и вы­полнять системы с резервированием для наиболее ответственных потребителей, это приводит к повышению затрат, дополнительным капи­таловложениям и ущербу от недоотпуска продукции; наблюдается значительное электромагнитное влияние на линии связи, что ведет к увеличению затрат на защиту последних; удорожается релейная защи­та в связи с устройством ее в трехфазном исполнении; токи КЗ могут достигать очень больших значений (превышать токи трехфазных КЗ) при замыканиях на землю, что является причиной динамических раз­рушающих усилий, распространяющихся на значительную часть сис­темы (повреждения железа статора при пробое изоляции на корпус, разрывы оболочек кабелей, разрушение гирлянд изоляторов на ЛЭП и т.п.); при больших токах КЗ уменьшается синхронизирующий момент (синхронные двигатели могут затормозиться, а параллельно работаю­щие станции — выйти из синхронизма); существует опасность пораже­ния людей вследствие больших напряжений прикосновения и шага из- за токов КЗ при однофазном замыкании на землю; значительно увели­чиваются затраты на заземляющие устройства.

Глухое заземление нейтралей электроустановок не только преду­преждает возникновение в них дуговых перенапряжений, но и приво­дит к облегчению изоляции по отношению к земле, что дает возмож­ность снизить затраты, причем экономия увеличивается с ростом напряжения сети. В связи с этим глухозаземленная нейтраль нашла широкое применение в системах напряжением 110 кВ и выше. При не­обходимости ограничения тока однофазного КЗ производят разземле- ние нейтрали части трансформаторов.

Сети с глухозаземленной нейтралью применяют также в системах напряжением до 1000 В. Ее целесообразно применять в трехфазных системах питания напряжением 220 и 380 В при значительно разветв­ленной сети.

Режимы заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ

В сетях среднего напряжения (с номинальным напряжение до 69 кВ по зарубежной классификации) применяются четыре режима заземления нейтрали:

Рис.1 Режимы заземления нейтрали сетей среднего напряжения

То есть всего в мире в сетях среднего напряжения (до 69 кВ) в отличии от сетей высокого напряжения (110 кВ и выше) используются четыре возможных варианта заземления нейтральной точки сети, а именно:

  • изолированная (незаземленная);
  • заземленная через дугогасящий реактор;
  • заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный);
  • глухозаземленная (в России не применяется)

Кроме указанных четырех режимов заземления нейтрали в мире применяется также комбинация (параллельное включение) дугогасящего реактора и резистора. Например, такая комбинация встречается в воздушных сетях 20 кВ Германии, где дугогасящий реактор обеспечивает гашение кратковременных однофазных перекрытий изоляции на землю, а низкоомный резистор подключается к нейтрали сети параллельно реактору только кратковременно специальным однофазным силовым выключателем. Резистор в такой схеме служит для селективного определения фидера с устойчивым однофазным замыканием на землю.

Таблица 1 Режим заземления нейтрали в сетях среднего напряжения 3-69 кВ в различных странах мира

Если посмотреть на мировую практику эксплуатации сетей среднего напряжения (см. табл.1), то хорошо видно, что в отличии от России, где используется режим изолированной нейтрали (примерно 80% сетей 6-35 кВ) и режим заземления через дугогасящий реактор (примерно 20% сетей 6-35 кВ), в других странах чаще всего применяется заземление нейтрали через резистор или дугогасящий реактор. Режим заземления нейтрали через резистор сравнительно новый и используется в России в ограниченном числе сетей 6-35 кВ. Впервые режим резистивного заземления нейтрали использовался в России в карьерных сетях 6 кВ в 1978-1983 г. [1, 2] и сетях 6 кВ собственных нужд блочных электростанций примерно 1987 г. [3]. Однако, несмотря на полученный положительный опыт, развития использования резистивного заземления нейтрали в СССР не произошло. Вероятно, это было связано с отсутствием в основном нормативном документе – «Правилах устройства электроустановок» разрешения на использование режима резистивного заземления нейтрали.

В настоящее время в России в сетях 6-35 кВ нормативными документами (Правилами устройства электроустановок) разрешены к применению только три режима заземления нейтрали. Пункт 1.2.16 ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г. гласит:

«…работа электрических сетей напряжением 3–35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор».

Таким образом, в сетях 6-35 кВ в России разрешены все режимы заземления нейтрали кроме глухого заземления.

Четкого определения и рекомендаций в каких случаях в сетях 6-35 кВ должен использоваться тот или иной режим заземления нейтрали в ПУЭ, к сожалению, нет. В том же пункте 1.2.16 только указаны граничные емкостные токи, начиная с которых должна применяться компенсация емкостного тока:

«Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:

  • в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ — более 10 А;
  • в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи:
  • более 30 А при напряжении 3-6 кВ;
  • более 20 А при напряжении 10 кВ;
  • более 15 А при напряжении 15-20 кВ;
  • в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5А».

Отсутствие рекомендаций по использованию режима нейтрали в сетях 6-35 кВ в ПУЭ скорее всего связано со сложностью формирования таких рекомендаций для большого разнообразия сетей 6-35 кВ (сельских, городских, сетей промышленных предприятий и др.) и необходимости учета при этом многих условий.

Из других нормативных документов, касающихся режима заземления нейтрали можно отметить также РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) «Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6-35 кВ». Это документ, касающийся исключительно компенсации емкостного тока замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов (катушек). Другие режимы заземления нейтрали в нем не рассматриваются.

В части существующих нормативных документов следует отметить отдельный пункт 5.11.8 в последней редакции «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей», посвященный режиму заземления нейтрали, который гласит: «…В сетях собственных нужд 6 кВ блочных электростанций допускается режим работы с заземлением нейтрали сети через резистор».
Режим изолированной нейтрали

Режим изолированной нейтрали используется в России достаточно давно и подавляющее большинство сетей 6-35 кВ (примерно 80%) работает именно с этим режимом заземления нейтрали.

На рис.2 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ.

Рис.2 Понижающая подстанция с изолированной нейтралью на стороне 6-10 кВ

Как видно из рис.2, в этом случае нейтральная точка в сети 6-10 кВ физически отсутствует, так как обмотки силовых трансформаторов на стороне 6-10 кВ соединены в треугольник. В сетях 35 кВ с изолированной нейтралью нейтральная точка физически присутствует, так как обмотки трансформаторов 35 кВ в большинстве случаев соединены в звезду с выводом нейтральной точки через отдельный проходной изолятор на крышку баку трансформатора.

Многолетний опыт эксплуатации сетей с изолированной нейтраль, накопленный не только в России, но и во всем мире позволяет говорить о существенных недостатках режима изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ, таких как:

  • дуговые перенапряжения и пробои изоляции на первоначально неповрежден-ных фидерах при однофазных замыканиях на землю в сети;
  • возможность возникновения многоместных повреждений изоляции (одновременное повреждение изоляции нескольких фидеров) при однофазных замыканиях на землю;
  • повреждения трансформаторов напряжения (НТМИ, ЗНОЛ, ЗНОМ) при замыканиях на землю;
  • сложность обнаружения места повреждения (места замыкания);
  • неправильная работа релейных защит от однофазных замыканий на землю;
  • опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети.

В связи с наличием такого количества недостатков режим изолированной нейтрали в сетях 6-35 кВ был исключен в подавляющем большинстве стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии и других странах еще в 40-50-х годах прошлого века.

В сетях среднего напряжения 3-69 кВ стран Европы, Северной и Южной Америки, Австралии режим изолированной нейтрали применяется крайне редко (в исключительных случаях). В основном сети среднего напряжения 3-69 кВ этих стран работают с нейтралью заземленной через резистор или дугогасящий реактор.

Одной из стран, в которых имеется значительное число сетей с изолированной нейтралью является Финляндия. Там указанный режим используется исключительно в воздушных сетях 20 кВ и его применение существенно отличается от отечественной практики эксплуатации. В частности при наличии режима изолированной нейтрали в сети 20 кВ защиты от замыканий на землю действуют на мгновенное отключение поврежденной воздушной линии. При отказе в отключении выключателя отходящей линии с выдержкой времени 0,5 секунды отключается выключатель ввода на секцию. Режим изолированной нейтрали в воздушных сетях 20 кВ Финляндии применяется исключительно для повышения чувствительности защит от замыканий на землю, так как сопротивление грунта на большей части территории этой страны в 20-50 раз выше, чем среднеевропейское. При таком высоком удельном сопротивлении грунта заземление нейтрали (глухое или через резистор) не увеличивает ток в поврежденном фидере, так как он в основном определяется сопротивлением грунта. Применение изолированной нейтрали в данном случае является вынужденной мерой и причина такого технического решения не обеспечение надежности электроснабжения, а повышение чувствительности защит от замыканий на землю и безопасности людей.
Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через дугогасящий реактор

На рис.3 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ заземленной через дугогасящий реактор.

В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0) и дугогасящий реактор.

При однофазном замыкании на землю в сети дугогасящий реактор создает в месте повреждения индуктивную составляющую тока, равную емкостной. При этом суммарный ток в месте повреждения становится равным практически нулю и первое возникшее в сети однофазное замыкание на землю можно не отключать.

Режим с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (катушку) также достаточно давно используется в России в сетях с большими емкостными токами (городских сетях, сетях промышленных предприятий).

Рис.3 Понижающая подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ заземленной через дугогасящий реактор

В сетях среднего напряжения 3-69 кВ европейских стран (Германия, Чехия, Швейцария, Австрия, Франция, Италия, Румыния, Польша, Финляндия, Швеция, Норвегия и др.) широко используется заземление нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором (см. рис.3). Низковольтный шунтирующий резистор напряжением 500В подключается через специальный контактор во вторичную силовую обмотку 500 В дугогасящего реактора. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

  • отсутствие необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания на землю и соответственно потребителя;
  • малый остаточный ток в месте повреждения (не более 1-2А);
  • самоликвидация однофазных замыканий (особенно на воздушных линиях);
  • возможность организации селективной автоматически действующей релейной защиты от однофазных замыканий на землю
  • исключение повреждений измерительных ТН из-за феррорезонансных процессов.

Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором приведена на рис.4

Рис.4 Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор

В существующих российских сетях 6-35 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы старой конструкции с ручным регулирование и реакторы с подмагничиванием, но без шунтирующего резистора существует проблема организации селективной защиты от однофазных замыканий на землю. В этих сетях не могут использоваться как простые токовые защиты от замыканий на землю (код ANSI 51G), так и направленные защиты (код ANSI 67N). Первые в связи с тем, что дугогасящий реактор компенсирует ток однофазного замыкания (ток 3I) в поврежденном присоединении практически до нуля. Вторые в связи с совпадением направления тока 3I в поврежденном и неповрежденных фидерах по направлению. В поврежденном фидере в направлении «от шин» течет индуктивный ток 3I по величине равный собственному емкостному току фидера, а в неповрежденных фидерах собственные емкостные токи в направлении «к шинам».

Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором, подключаемым во вторичную силовую обмотку напряжением 500В, позволяет реализовать селективную защиту от замыканий на землю как с использование простых токовых защит (код ANSI 51G), так и более сложных направленных защит по направлению тока 3I (код ANSI 67N) или активной мощности нулевой последовательности («ваттметрические», код ANSI 32). Как правило, защиты от замыканий на землю в этом случае действуют на сигнал (ток в месте повреждения мал и его немедленное отключение не требуется).

Рис.5 Организация селективной релейной защиты от однофазных замыканий в сети с заземлением через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором

При наличии шунтирующего низковольтного (500В) резистора логика использования дугогасящих реакторов следующая. До момента возникновения однофазного замыкания дугогасящий реактор настроен в резонанс, а шунтирующий резистор отключен. В начальной стадии замыкания дуга обычно неустойчива и возникают повторные зажигания и гашения. При этом реактор действует, как дугогасящее устройство и позволяет не отключать поврежденный фидер.

В том случае, если замыкание перешло в устойчивое, с определенной выдержкой времени, задаваемой в регуляторе REG-DPA реактора, подключается шунтирующий резистор (на время от 1 до 3 секунд). Цифровой регулятор REG-DPA реактора дает команду на включение контактора шунтирующего резистора напряжением 500В, который подключается к вторичной силовой обмотке реактора 500В (см. рис.5). Подключение шунтирующего резистора на 1-3 секунды создает только в поврежденном фидере активный ток 3I, величина которого определяется сопротивлением резистора и может составлять от 5 до 50А. Этого тока достаточно для селективного срабатывания даже обычной токовой защиты от замыканий на землю поврежденного присоединения. Уставка простых токовых защит (код ANSI 51G) от замыканий на землю по току 3I на фидерах выбирается, исходя из собственного емкостного тока присоединения (или суммарного тока присоединения и питаемого им РП). Для современных цифровых защит с фильтрацией входного сигнала можно рекомендовать уставку на уровне 1,5 собственных емкостных тока присоединения. Уставка по времени защит от замыканий на землю при действии на сигнал может приниматься в диапазоне от 0 до 0,5 сек в зависимости от необходимости отстройки от переходных процессов.

В нормальном режиме низковольтный шунтирующий резистор SR дугогасящего реактора отключен и не влияет на точность настройки компенсации. Резистор подключается только на время, требуемое для срабатывания защит от замыканий на землю (1-3 сек). Термическая стойкость резистора, как правило, от 6 до 60 секунд. Подключение шунтирующего резистора регулятор REG-DPA реактора может выполнять как по факту перехода замыкания в устойчивое, так и просто через определенную выдержку времени (например, через 5 с после возникновения перемежающегося замыкания). Если замыкание в течение выдержки времени не перешло в устойчивое, то подключение шунтирующего резистора увеличивает активную составляющую в месте повреждения, тем самым, способствуя стабилизации дуги (переходу замыкания в устойчивое). Если замыкание самоустранилось за время менее 5 с, резистор не подключается и сеть продолжает работать в нормальном режиме.

В проектной практике и эксплуатации мощность дугогасящего реактора выбирается исходя из емкостного тока сети и перспективы развития сети. В РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) мощность дугогасящих реакторов рекомендуется выбирать по формуле:

где 1,25 – коэффициент, учитывающий возможное развитие сети; — номинальное напряжение сети; — суммарный емкостный ток сети (включая емкостные токи РП, при их питании от подстанции где устанавливаются дугогасящие реакторы).

Мощность трансформатора для подключения дугогасящего реактора выбирается равной или большей мощности реактора.
Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через резистор (резистивное заземление нейтрали)

На рис.6 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ заземленной через высоковольтный резистор.

В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0), в нейтраль которого включается резистор.

Рис.6 Понижающая подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ заземленной через резистор

Рис.7 Варианты включения резистора в сеть

На рис.7 приведены возможные варианты включения резистора в сеть. Как правило, для реализации резистивного заземления нейтрали используют варианты рис.7а и 7в. Вариант рис.7б достаточно редкий и требует для своей реализации специального трансформатора.

Все режимы заземления нейтрали через резистор (или по-другому резистивное заземление нейтрали) можно разделить на две большие группы с позиции создаваемого активного тока:

высокоомное резистивное заземление нейтрали это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) не превышает 10А. Как правило, однофазное замыкание на землю при таком режиме заземления нейтрали можно не отключать и защиты от замыканий на землю действуют на сигнал.

низкоомное резистивное заземление нейтрали это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) превышает 10А. Как правило, суммарный ток однофазного замыкания при этом режиме заземления нейтрали существенно превышает 10А, а именно достигает десятков и сотен ампер, что требует действия защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени (или малой выдержкой).

Указанное деление на высокоомное и низкоомное резистивное заземление в отечественных документах не выполнено. Четкая граница между этими двумя подвидами резистивного заземления нейтрали дана в зарубежных нормативных документах, в частности в IEEE Std 142-1991 «Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems».

Высокоомное резистивное заземление нейтрали может выполняться только в сетях с емкостным током IC не более 5-7 А при этом активный ток IR, создаваемый резистором, должен быть больше емкостного тока сети:

При высокоомном резистивном заземлении нейтрали суммарный ток в месте повреждения складывается из емкостного тока сети и активного тока, создаваемого резистором заземления нейтрали:

Указанные активный и емкостный ток суммируются векторно и сдвинуты друг относительно друга на 90° (см. рис.8).

При равенстве активного тока, создаваемого резистором, и емкостного тока сети суммарный ток в месте повреждения увеличивается всего в раз. Так при емкостном токе сети величиной 5 А и активном токе 5 А, создаваемом резистором, суммарный ток в месте повреждения составит всего 7А.

Рис.8 Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании в сети с резистивным заземлением нейтрали

Низкоомное заземление нейтрали может выполняться в сетях с любым емкостным током, при этом активный ток IR, создаваемый резистором, также должен быть больше емкостного тока сети. Как правило, активный ток, создаваемый резистором, превышает емкостный ток сети не менее чем в 2 раза.

Обычно, ток, создаваемый резистором при низкоомном резистивном заземлении нейтрали, лежит в пределах:

Выбор тока, создаваемого резистором, при низкоомном заземлении нейтрали является разумным компромиссом между двумя противоположными задачами: повышением чувствительности защит от замыканий на землю за счет увеличения тока однофазного замыкания и ограничением тока в месте повреждения (однофазного замыкания) для снижения объема разрушения оборудования.

Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор:

Страна Способ заземления нейтрали
Изолированная Заземленная через реактор Заземленная через резистор Глухозаземленная
Россия + +
Австралия + +
Канада + +
Испания + + +
Португалия
Франция
Япония
Германия
Австрия
Бельгия
Великобритания + +
Швейцария
Финляндия + + +
Италия
Чехия
Словакия
Швеция
Норвегия
Преимущества

Недостатки
1. Отсутствие необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали);

2. Отсутствие дуговых перенапряжений;

3. Простая реализация релейной защиты;

4. Исключение повреждений измерительных ТН из-за феррорезонансных процессов;

5. Уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц (при низкоомном заземлении нейтрали и быстром отключении)

1. Увеличение тока в месте повреждения (только для низкоомного заземления нейтрали);

2. Необходимость отключения однофазных замыканий (только для низкоомного заземления нейтрали);

Такие существенные преимущества сетей с резистивным заземлением нейтрали как отсутствие перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, исключение феррорезонансных процессов насыщения трансформаторов напряжения и возможность организации селективной релейной защиты от замыканий на землю предопределили широкое использование этого режима в зарубежных странах.

Присущие режиму резистивного заземления нейтрали недостатки (увеличение тока в месте повреждения и необходимость отключения замыканий) преодолеваются за счет быстрого отключения поврежденного фидера и организации резервного питания потребителей.

В качестве примера благоприятного влияния резистивного заземления нейтрали можно привести пример подстанции №21 «Шуя» Карелэнерго. В 2009 году на этой подстанции произошли три повреждения трансформаторов напряжения с литой изоляцией при однофазных замыканиях на землю. Осциллограмма одного из таких аварийных процессов записанная цифровым блоком релейной защиты приведена на рис.9.

Рис.9 Переходный процесс в сети 35 кВ ПС №21 «Шуя» (однофазное замыкание с последующим возникновением феррорезонанса)

На осциллограмме рис.9 период времени I соответствует нормальному режиму работы сети, период II — устойчивому замыканию на землю, период III – дуговому замыканию на землю, период IV – исчезновению однофазного замыкания на землю и возбуждению феррорезонансного процесса в сети (феррорезонанс на измерительных трансформаторах напряжения четко фиксируется по возникновению на нейтрали субгармоники напряжения с частотой 25 Гц). При возбуждении феррорезонансного процесса в сети происходило насыщение трансформаторов напряжения, повышение их тока существенно выше номинального и термическое повреждение со взрывом и коротким замыканием в ячейке 35 кВ КРУ внутренней установки.

Емкостный ток сети 35 кВ на секциях подстанции №21 «Шуя» Карелэнерго по расчетам составляет всего 3-4А, поэтому для исключения феррорезонансных явлений было использовано техническое решение по заземлению нейтрали секций 35 кВ через высокоомные резисторы.

После заземления нейтрали на секциях 35 кВ подстанции №21 «Шуя» Карелэнерго через резисторы NER-3000-182-40,5 (активное сопротивление 3000 Ом, длительно допустимый ток 7,8 А) повреждения трансформаторов напряжения прекратились. Проведенный в сети 35 кВ специалистами Карелэнерго эксперимент показал, что после исчезновения однофазного замыкания на землю феррорезонансный процесс в сети с резистивным заземлением нейтрали не возникает.

Организация релейной защиты от замыканий на землю в сетях с высокоомным и низкоомным заземлением нейтрали может отличаться.

Как правило, в сетях с высокоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю действуют на сигнал. При этом могут использоваться как простые токовые защиты (код ANSI 51G) при существенном превышении активным током емкостного, так и направленные защиты при значительных собственных емкостных токах присоединений. Защита от замыканий на землю с действием на отключение в сетях с высокоомным резистивным заземлением нейтрали может применяться, но необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания в таких сетях нет.

В сетях с низкоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю должны действовать на отключение поврежденного фидера с минимально возможной выдержкой времени. Однофазное замыкание при низкоомном резистивном заземлении нейтрали должно отключаться также быстро, как и двухфазное или трехфазное КЗ.

Пример организации селективной релейной защиты от замыканий на землю в сети 6-10 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали показан на рис.10.

Рис.10 Вариант релейной защиты от замыканий на землю в сети 6-10 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали (активный ток резистора 100-400А)

При значительном токе однофазного замыкания на землю (порядка сотен ампер), создаваемом резистором, могут использоваться простые токовые защиты (код ANSI 51G). Уставка по току токовых защит от замыканий на землю отстраивается от собственного емкостного тока присоединений. Как правило, при применении современных цифровых защит с входной фильтрацией сигнала уставка по току может приниматься на уровне 1,5 собственных емкостных тока присоединения. Уставки по времени выбираются по ступенчатому принципу с нарастанием по мере приближения к шинам подстанции и ступенью порядка 0,5 сек. На тупиковых присоединениях уставка по времени равна нулю. При отказе в действии защиты или выключателя отходящего от шин подстанции присоединения резервирование отказа осуществляется отключением выключателя ввода (аналогично резервированию при отказах в отключении междуфазных КЗ). Резервирование в отключении выключателя ввода осуществляется отключением присоединения с резистором. То есть резистор отключается последним, как исключительная мера.

Основываясь на изложенном выше, можно сделать вывод о том, что в сетях 6-35 кВ наиболее благоприятными с точки зрения эксплуатации являются режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с низковольтным шунтирующим резистором и режим заземления через резистор (высокоомный или низкоомный). Режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен из практики эксплуатации.
1. Выбор режима заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ является исключительно важным вопросом при эксплуатации и проектировании сети.

2. От выбора режима заземления нейтрали зависит уровень аварийности в сети, правильная работа защит от замыканий на землю, автоматизация поиска поврежденного фидера и последствия от возникновения однофазных замыканий на землю.

3. Применение в сетях 6-35 кВ современного оборудования заземления нейтрали (дугогасящих реакторов с шунтирующими низковольтными резисторами и высоковольтных резисторов заземления нейтрали) позволяет существенно повысить надежность работы сетей, автоматизировать процесс поиска поврежденного фидера и снизить аварийность при однофазных замыканиях на землю

1. Серов В.И., Шуцкий В.И., Ягудаев Б.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. – М.: Наука. – 1985. – 135 с.

2. А.с. 1026173 (СССР). Способ изготовления высоковольтного объемного резистора / Врублевский Л.Е., Жаворонков А.А., Захаров Г.А., Николаев И.В.; заявлено 03.07.1981, №3313567 / 18-21; опубл. в Б.И., 1983, №24

2. Зильберман В.А., Эпштейн И.М., Петрищев Л.С., Рождественский Г.Г. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество, №12, 1987, стр. 52-56

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА УРОВЕНЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

Ощепков В.А. 1 , Владимиров Л.В. 2 , Плотников Д.И. 3 , Шакенов Е.Е. 4 , Мельников С.А. 5 , Паламарчук Д.В. 6

1 ORCID: 0000-0002-2350-6130, кандидат технических наук, доцент,

2 ORCID: 0000-0002-7208-0893, кандидат технических наук, доцент,

3 ORCID: 0000-0002-4566-4885, студент, 4 ORCID: 0000-0001-5086-071Х, студент,

5 ORCID: 0000-0001-9226-297Х, студент, 6 ORCID: 0000-0002-0498-2991, студент,

Омский Государственный Технический Университет.

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НЕЙТРАЛИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА УРОВЕНЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ

Аннотация

В статье рассматривается влияние режима работы нейтрали распределительных электрических сетей на уровень перенапряжений, возникающих при однофазном замыкании на землю. Выполнен расчет параметров электрической сети и математическое моделирование режима однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Определен максимальный уровень перенапряжений на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю. Доказано снижение кратности перенапряжений в сети при переходе от изолированной нейтрали к компенсации емкостных токов.

Ключевые слова: изолированная нейтраль, компенсация емкостных токов, дугогасящий реактор, однофазное замыкание на землю.

Oschepkov V.A. 1 , Vladimirov L.V. 2 , Plotnikov D.I. 3 , Shakenov E.E. 4 , Melnikov S.A. 5 , Palamarchuk D.V. 6

1 ORCID: 0000-0002-2350-6130, PhD in Engineering, Associate professor,

2 ORCID: 0000-0002-7208-0893, PhD in Engineering, Associate professor

3 ORCID: 0000-0002-4566-4885, Student, 4 ORCID: 0000-0001-5086-071Х, Student,;

5 ORCID: 0000-0001-9226-297Х, Student, 6 ORCID: 0000-0002-0498-2991, Student,

Omsk State Technical University.

INFLUENCE OF OPERATION MODE OF NEUTRAL OF POWER NETWORKS ON OVERVOLTAGE LEVEL AT SINGLE LINE-TO-GROUND FAULT

Abstract

The influence of the operation mode of the neutral of power network on the overvoltage level arising during single line-to-ground fault is considered in the paper. The calculation of the power network parameters and mathematical modeling of a single line-to-ground fault mode in a network with an isolated neutral and with a neutral grounded through an arc-suppression coil were performed. The maximum overvoltages level in undamaged phases with a single line-to-ground fault is determined. The reduction in the number of overvoltages in the network during the transition from isolated neutral to compensation of capacitive currents has been proven.

Keywords: isolated neutral, compensation of capacitive currents, arc-suppression coil, single line-to-ground fault.

В электрических сетях среднего класса напряжения нейтраль обычно либо изолируется, либо заземляется через дугогасящий реактор (ДГР). Сети данных классов напряжения в основном имеют большую разветвленность, то есть от шин одной подстанции может получать питание большое число отходящих присоединений, иногда это число переваливает за десяток.

Согласно статистике, значительная часть всех повреждений, возникающих в электрических сетях указанных классов напряжений, приходится на однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). Для повышения уровня надежности электроснабжения потребителей электроэнергии требуется оперативное определение поврежденных участков отходящих присоединений и своевременное, по возможности с минимальным промежутком времени, устранение этих самых повреждений, поскольку ОЗЗ в сети, помимо того, что может перерасти в двухфазное или даже в трехфазное короткое замыкание, что значительно усугубит последствия, в свою очередь также может привести к значительным перенапряжениям и к возникновению различных феррорезонансных явлений.

Режим работы нейтрали определяет многие технические показатели [1, С. 123]. Прежде всего, это можно отнести к распределительным электрическим сетям при возникновении однофазного замыкания на землю. Для нейтрали с резистивным заземлением или заземлением через ДГР и изолированной нейтрали, данный режим не является аварийным, поскольку не требует быстродействия со стороны защиты поврежденного места. Но следует брать во внимание тот факт, что, если такой режим работы окажется устойчивым, образуются нежелательные явления, несущие за собой различного рода последствия, такие как, например, несвоевременный выход из строя оборудования или же значительное снижение срока его эксплуатации.

Помимо этого, способ заземления нейтрали влияет на максимально возможную кратность перенапряжений, возникающих при, все том же, ОЗЗ. Следует помнить и о возможности возникновения резонансных и феррорезонансных воздействий, которые, как уже было отмечено выше, негативно сказываются на дорогостоящем электрооборудовании [2, С. 111].

Режим изолированной нейтрали является основным способом заземления, применяемым в странах СНГ. В этом случае нейтральная точка источника, не присоединяется к контуру общего заземления. Если брать во внимание сети, напряжением 6-10 кВ, где обмотки силовых трансформаторов, обычно, соединяют в треугольник, то нейтральная точка и вовсе отсутствует.

Заземление нейтрали через ДГР, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий. В данном случае, нейтральная точка сети появляется при условии применения специального нейтралеобразующего трансформатора (ФЗМО).

В Российской Федерации режим заземления нейтрали через ДГР применяется в основном в разветвленных кабельных сетях, при значительных емкостных токах. Кабельная изоляция, в отличие от воздушной изоляции, не является самовосстанавливающейся. Т.е. при возникновении повреждения, оно не может самоустраниться, даже несмотря на практически полную компенсацию тока в поврежденном месте. Отсюда следует, что для кабельных сетей самоликвидация ОЗЗ, как положительное свойство режима заземления нейтрали через ДГР, не имеет место быть [3, С. 198].

Моделирование переходных процессов в распределительных сетях позволяет получить представление о том, как происходит изменение тока и напряжения при различных начальных условиях. В режиме ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью возникает недопустимый уровень перенапряжений. Во время переходного процесса, который длится более 1 с, на высоковольтных обмотках трансформатора напряжения происходят, так называемые, биения напряжения. Следовательно, аналогичные биения будут наблюдаться на секциях шин подстанций и на высоковольтных обмотках трансформатора собственных нужд подстанции. В ряде случаев это может привести к негативным последствиям, таким как: ложное срабатывание защиты, необоснованное отключение цепей управления на самой подстанции [4, С. 236].

Моделирование режима ОЗЗ выполнено на примере электрической сети, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Схема электрической сети

Рассмотрим два способа заземления системы электроснабжения (СЭС), получающей питание через силовой трансформатор типа ТДТН-10000 110/35/10.

В первом случае будем считать, что нейтраль трансформатора изолирована, во втором – заземлена через ДГР плунжерного типа [5, С. 23].

Индуктивность реактора принимаем равной L=0.06 Гн. Его внутреннее сопротивление R=10000 Ом [6, С. 26].

Параметры силового трансформатора:

  • Потери активной мощности при х.х.: =17 кВт;
  • Потери активной мощности при к.з.: =76 кВт;
  • Напряжение короткого замыкания: =10.5% ;
  • Ток х.х.: =1%.

Расчет был проведен на примере режима работы сети при ОЗЗ фазы «С» с последующим определением значений перенапряжений на неповрежденных фазах. Схемы замещения сетей представлены на рис. 2

Рис. 2 – Схема замещения для сети: а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Для начала необходимо определить следующие параметры схем замещения:

Номинальный ток силового трансформатора:

Полное сопротивление при ОЗЗ:

Активное сопротивление при ОЗЗ:

Реактивное сопротивление при ОЗЗ:

Индуктивность при ОЗЗ:

где f – частота сети, Гц [7, С. 3].

Емкость линии при ОЗЗ (в данном случае используется провод марки АС 95/16) была определена по методу зеркальных изображений [8, С. 60] и составила:

Составим уравнения по законам Кирхгофа для представленных схем замещения.

Для схемы замещения сети с изолированной нейтралью:

Для схемы замещения сети с компенсированной нейтралью:

После проведения математических преобразований, полученные системы уравнений были записаны в нормальной форме Коши.

Для сети с изолированной нейтралью:

Для сети с компенсированной нейтралью:

Затем, данные системы дифференциальных уравнений были проинтегрированы методом Рунге-Кутта.

Полученные результаты проанализируем на основе максимальных значений возникающих перенапряжений (рис. 3) и емкостных токов (рис. 4) на фазе B.

Рис. 3 – Уровень перенапряжений в сети: а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Рис. 4 – Уровень емкостных токов в сети: а – с изолированной нейтралью; б – с компенсированной нейтралью

Приведенные графические изображения доказывают зависимость уровней перенапряжений и емкостных токов от способа заземления нейтрали.

Согласно данным, полученным в результате проведенного расчета, можно сделать вывод, что уровень перенапряжений, возникающих при ОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью оказался более высоким, по сравнению с тем, каким он получился при заземлении нейтрали через ДГР. Так, максимальное значение перенапряжений, полученное в режиме работы сети с изолированной нейтралью, составляет 110,7 кВ (5,47 Uф), тогда как предельный уровень перенапряжений в сети с компенсированной нейтралью не превышает 81,14 кВ (4,01 Uф).

То же касается и уровня емкостных токов, максимальное значение которых в сети с изолированной нейтралью составляет 458,681 А, а в сети с компенсированной нейтралью – 332,9 А.

В сетях высоких и сверхвысоких классов напряжений замыкание любой из фаз линии сопровождается сверхтоками и проводит к мгновенному отключению [9, С. 33]. В сетях средних классов напряжений возникновение ОЗЗ пусть и не приводит к ухудшению условий электроснабжения потребителя, но тем не менее существующий дефект требует своевременного устранения, поскольку неповрежденные фазы сети также находятся под повышенным напряжением, особенно, в случае неустойчивого дугового замыкания, когда возникающие перенапряжения длительные по времени, высокие по величине и, тем самым, негативно воздействуют на, и без того, ослабленную изоляцию [10, С. 135].

Список литературы / References

  1. Бурчевский В.А. Обзор режимов заземления нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ / В.А. Бурчевский, Л.В. Владимиров, В.А. Ощепков и др. // Омский научный вестник. Серия 77, Приборы, машины и технологии. – 2009. – № 1. – С. 122–126.
  2. Вайнштейн Р.А. Режимы заземления нейтрали в электрических системах / Р.А. Вайнштейн, Н.В. Коломиец, В.В. Шестакова. – Томск: Изд. ТПУ, 2006. – 120 с.
  3. Владимиров Л.В. Моделирование режима однофазного замыкания на землю в распределительной электрической сети с изолированной нейтралью / Л.В. Владимиров, А.А. Вырва, В.А. Ощепков и др. // Омский научный вестник. Серия 107, Приборы, машины и технологии. – 2012. – № 1. – С. 197–201.
  4. Никитин К.И. Токовый принцип определения повреждения присоединения и места однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью / К.И. Никитин, Л.В. Владимиров, Е.Н. Еремин и др. // Омский научный вестник. Серия 107, Приборы, машины и технологии. – 2012. – № 1. – С. 234–236.
  5. Миронов И.А. Особенности применения дугогасящих реакторов / И.А. Миронов, В.А. Кричко // Новости Электротехники. Серия 43. – 2007. – № 1. – С. 21–24.
  6. Gernot Druml. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Повышение точности настройки / Druml Gernot, Kugi Andreas, Parr Bodo // Новости Электротехники. Серия 43. – 2007. – № 1. – С. 25–28.
  7. ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. 2014–07–01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 62 с.
  8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – 11-е изд., перераб. и доп. / Л.А. Бессонов. – М.: «Гардарики», 2006. – 701 с.
  9. Миронов И.А. Проблемы выбора режимов заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ / И.А. Миронов // ЭЛЕКТРО-ИНФО. Серия 46, Эксплуатация. – 2006. – №5. – С. 32–36.
  10. Сирота И.М. Режимы нейтрали электрических сетей / И.М. Сирота, С.Н. Кисленко, С.Н. Михайлов. – Киев: Изд. Наукова думка, 1985. – 265 с.

Список литературы на английском языке / References in English

Каждый электрик должен знать:  Системы, описываемые дифференциальными уравнениями
Добавить комментарий