Резистивное заземление нейтрали сети

Резистивное заземление нейтрали сети

Заземление нейтрали

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

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

Работы в области оптимизации режима нейтрали сетей 6–35 кВ активно велись организациями, представленными в [1], с 1971 года по инициативе Хмельницкого предприятия электрических сетей ПЭО «Винницаэнерго». Причиной послужили несколько несчастных случаев в сетях 10 кВ.

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

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

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Для проведения исследований в сельской сети 10 кВ использовалась опытная установка (все устройства собственной разработки и изготовления) в составе однофазного силового трансформатора 6/0,4 кВ, двух низковольтных резисторов, а также тиристорного блока управления, распознающего характер ОЗ (полное или перемежающееся) и коммутирующего по заданной программе более мощный резистор [2].

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

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

Трансформаторы напряжения

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

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

Идентичные выводы о необходимости изменения режима нейтрали или применения трансформаторов, не создающих указанную выше связь фаз с землей в сетях 6–35 кВ, позже были сделаны и другими исследователями [3, 4].

Трансформаторы тока

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

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

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

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

ДГР + резистор

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

В распределительном устройстве 10 кВ подстанции 110/10 кВ отходящие кабельные линии были оснащены селективной централизованной защитой/сигнализацией [5], действующей на отключение с выдержкой времени 3 с на двух линиях, питающих один из распределительных пунктов сети, а на остальных – на сигнал. На этом же РП были установлены устройства релейной защиты от ОЗ на отключение с выдержкой времени 1 с, а на всех проходных ТП, питаемых от данного РП, – указатели протекания тока ОЗ.

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

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

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

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

ДГР + резистор + релейная защита + сигнализация

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

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

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

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

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

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

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

Высокоомное заземление

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

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

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

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

Низкоомное заземление

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

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

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

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

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

Анализ опубликованных данных, полученных исследователями этих процессов, и результаты измерений, выполненных автором в сетях 6–35 кВ различного назначения, показали: кратности относительно 1,41 Uф этих перенапряжений подчиняются нормальному закону распределения [5]. Его основные параметры:

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

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

Смотрите так же:  Узо водка греческая

ОБОБЩАЮЩИЕ МОМЕНТЫ

Объективный анализ сегодняшнего состояния распределительных сетей свидетельствует о невозможности отказа, тем более полного, от компенсации токов ОЗ. Но необходимо не упускать из виду ряд моментов, на которые обращалось внимание в [5]:

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

О достаточно высокой вероятности появления первого фактора свидетельствуют не только наши исследования, но и работы других авторов (например [7]). По второму данные были представлены еще раньше [8].

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

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

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

Задача обеспечения надежного электроснабжения решается с помощью системы управления сетью, которая создает условия его непрерывности и автоматической локализации поврежденного элемента сети, исключая необходимость ручного отключения с предварительным предупреждением потребителя. Функциональная схема такого управления сетью в плане автоматики и защиты от однофазных замыканий (рис. 1) представлена в [5].

Рис. 1. Функциональная схема АСЦУ

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

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

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

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

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

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

В отношении разработки единого нормативного документа по выбору режима нейтрали в сетях 6–35 кВ следует согласиться с автором [9]: необходимо не допускать самодеятельности в вопросах обеспечения электробезопасности.

Низкоомное заземление нейтрали в распредсетях напряжением 6-20 кВ

Режим нейтрали распределительных электрических сетей напряжением 6—20 кВ (РЭС) в течение многих лет был и остался предметом многочисленных публикаций и дискуссий [1—7].

Особенностью РЭС, включая городские электрические сети, является наличие у применяемого в них оборудования достаточно большого запаса электрической прочности фазной изоляции (относительно земли), допускающего работу с увеличенным фазным напряжением до номинального линейного. По этой причине нормативные материалы [8] предписывают использовать режим изолированной нейтрали (I-режим) для таких сетей в качестве основного. Данный режим получил исключительно широкое распространение, так как может допускать работу сети с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в течение времени, достаточного для поиска повреждённого участка, подачи резервного питания на электроприёмники или их отключения вручную.

В сетях с большой ёмкостью фаз в соответствии с [8] осуществляется компенсация тока ОЗЗ с помощью дугогасящих реакторов, имеющих в ряде случаев автоматическую резонансную настройку на ёмкость сети. Данный режим наряду с режимом изолированной нейтрали в нашей стране является основным.

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

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

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

Технические решения по резистивному заземлению нейтрали не всегда обеспечивают повышение эффективности функционирования кабельной сети. В частности, при высокоомном резистивном заземлении нейтрали (RB-режим), как отмечено в [5], повторные пробои изоляции возникают более часто, чем в LB-режиме. Использование режима низкоомного резистивного заземления нейтрали (RH-режим) связано с дополнительными капиталовложениями в средства релейной защиты, т.к. необходима установка специальных чувствительных защит от замыканий на землю. Кроме того, после отключения замыкания на землю затруднён быстрый поиск места повреждения, так как промышленные указатели тока короткого замыкания не реагируют на токи ОЗЗ при низкоомном резистивном заземлении нейтрали.

Повышенные перенапряжения при ОЗЗ могут быть снижены не только путём применения специального режима нейтрали, но и с помощью быстродействующего автоматического шунтирования (заземления) повреждённой фазы (АЗФ), однако в настоящее время в РФ этот вид автоматики практически не применяется. Одной из причин этого является несовместимость АЗФ с изолированной нейтралью и с компенсацией ёмкостных токов при ОЗЗ, обоснованная в [7].

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

НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

Низкоомное резистивное заземление нейтрали используется в России (по предложению В.А. Зильбермана [3]) и в Белоруссии [4]. Очевидно, что по условию снижения перенапряжений при ОЗЗ до подключения в цепь нейтрали низкоомного элемента целесообразно эксплуатировать сеть с высокоомным (RB-режим) или с комбинированным (LB — RB-режим) заземлением нейтрали. Однако высокоомные резисторы имеют значительные габариты, массу и стоимость, что затрудняет их широкое использование. Дугогасящие реакторы также не свободны от недостатков, что отмечено, например, в [10]. Очевидно, что должны быть проведены дополнительные исследования и расчёты по выбору целесообразного режима нейтрали, предшествующего подключению низкоомного элемента.

Существуют два подхода к осуществлению низкоомного заземления нейтрали:

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

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

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

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

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

Вариантами данного режима являются:

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

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

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

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

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

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

В работах специалистов по режимам нейтрали, например [2], сформулированы критерии их сопоставления, заключающиеся в следующем:

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

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

НИЗКООМНОЕ ИНДУКТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

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

Смотрите так же:  Связист зажал провода в зубах

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

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

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

Рис. 1. Фрагмент участка кабельной сети напряжением 10 кВ

Защита и автоматика специального трансформатора:

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

Защита и автоматика, действующая на вводной выключатель Q5 РП1:

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Расчётная схема участка сети 10 кВ

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

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

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

Табл. 1. Значения I (1) к.пред

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

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

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

Примечание:
Uф.неп — напряжение неповреждённой фазы относительно земли;
IЗ.З — ёмкостный ток замыкания на землю;
Сф — суммарная ёмкость участка сети относительно земли;
Iср.уткз — ток срабатывания указателя тока короткого замыкания;
IR, IL —токи через резистор или индуктивность соответственно при 033.

АНАЛИЗ LH-РЕЖИМА И ОПЫТА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

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

Исключение составляют ЗУ опор ВЛ 6—10 кВ, которые имеют значительно большее сопротивление (R

Резистивное заземление нейтрали сети

Андрей Ширковец, ведущий инженер научно-исследовательского отдела
Леонид Сарин, директор
Михаил Ильиных, руководитель научно-исследовательского отдела, ООО «ПНП БОЛИД», г. Новосибирск
Виктор Подъячев, начальник производственно-технического департамента ОАО «Институт «Энергосетьпроект», г. Москва

ВЫБОР РЕЖИМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

В условиях замены кабелей традиционного исполнения с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели) в единой, электрически связанной распределительной сети – городской, сети электроснабжения промышленных предприятий, схеме выдачи мощности электростанций и т.д. – могут оказаться кабели с различными механизмами пробоя и деградации электрической изоляции.
Инструкции производителей по сооружению и эксплуатации СПЭ-кабелей не предусматривают специальных требований к их испытаниям в комбинированной сети, не выработан и единый подход к уровням испытательных напряжений (в частности, выпрямленного)[1, 2]. После успешно проведенных испытаний в СПЭ-изоляции возможно развитие спровоцированных дефектов, что будет способствовать снижению ее электрической прочности в эксплуатации. С другой стороны, длительность воздействующих на СПЭ-изоляцию внутренних перенапряжений, а значит, интенсивность ее старения, в значительной мере определяются режимом заземления нейтрали сети.
За рубежом кабельные сети эксплуатируются в основном с резистивно-заземленной нейтралью, и при возникновении режима однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) поврежденный фидер отключается с переводом потребителя на резервное электроснабжение. Следовательно, изоляционная конструкция «здоровых» фаз кабеля СПЭ не находится длительное время под линейным напряжением, то есть не создаются дополнительные условия для прорастания триингов в толще твердой СПЭ-изоляции.
В зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю отечественные кабельные сети 6–35 кВ эксплуатируются с изолированной нейтралью либо нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор. При возникновении в них режима ОЗЗ изоляция «здоровых» фаз СПЭ-кабелей может длительно (2–6 часов) подвергаться воздействию линейного напряжения. Поэтому конструкция отечественных СПЭ-кабелей была адаптирована к более тяжелым условиям эксплуатации за счет увеличения толщины изоляции кабеля: например, для кабеля номинальным напряжением 10 кВ с 3,4 до 4 мм [1]. Фактически при этом просто увеличилось время зарождения и развития триингов, что и определяет электрическую прочность и остаточный ресурс СПЭ-кабелей. Однако не все производители приняли необходимость усиления основной изоляции КЛ и реализовали ее при производстве СПЭ-кабелей [2].
Согласно исследованиям [3, 4], в зависимости от значения емкостных токов ОЗЗ, возникающие в распределительной сети с кабелями БМИ замыкания фазы на землю на начальной стадии вследствие «заплывания» канала электрического пробоя могут самоустраниться через несколько периодов промышленной частоты либо перейти в режим устойчивого горения дуги длительностью в единицы и десятки секунд, с последующим переходом в режим глухого металлического замыкания.
На начальном этапе ОДЗ повторные пробои в дуговом промежутке происходят при напряжении (0,6–1,0)Uфm и в дальнейшем, с науглероживанием канала электрического пробоя, снижаются до (0,6–0,8)Uфm. При достаточно хорошей компенсации емкостного тока в сети с ДГР возникающие в переходном процессе при ОДЗ перенапряжения не превысят (2,3–2,5)Uфm. Если же нейтраль изолирована, перенапряжения могут достигать (3,0–3,2)Uфm [5]. Эти условия неприемлемы для несамовосстанавливающейся изоляции – сшитого полиэтилена, в котором скорость роста триингов (рис. 1) напрямую определяется характером воздействующих перенапряжений [6]. Как показывает анализ свойств сшитого полиэтилена [7, 8], он в отличие от бумажно-масляной изоляции более чувствителен к воздействию высокочастотных перенапряжений. Изоляция кабеля СПЭ может подвергаться воздействию как грозовых, так и внутренних перенапряжений (коммутационные и перенапряжения при ОЗЗ, в том числе дуговые; частотой от единиц кГц до десятков МГц). Высокочастотные внутренние перенапряжения представляют опасность для СПЭ в сетях 6–35 кВ. При резком вводе энергии в твердый диэлектрик происходит разрыв связей между молекулами углерода и водорода в местах повышенной напряженности электрического поля, например, на кончике триинга, где напряженность электрического поля на 2–3 порядка может превышать среднюю напряженность [9].

Это приводит к изменению структуры и физико-механических свойств СПЭ и возникновению внутри него новых микрополостей, которые способствуют дальнейшему развитию электрического триинга в толще твердого диэлектрика в виде дендрита – древовидного образования, имеющего повышенную проводимость и приводящего к прогрессирующему разрушению изоляции.
Следовательно, необходимо подавить высокочастотные перенапряжения и максимально ограничить время воздействия напряжения промышленной частоты на СПЭ-изоляцию соответственно в переходном и установившемся режимах замыкания на землю. Этого можно добиться при переходе к низкоомному резистивному заземлению нейтрали, когда при возможности обеспечения резервного питания поврежденный кабель практически сразу же отключается.
При этом достигается не только существенное ограничение перенапряжений (за счет малого номинала резистора), но и точное определение поврежденного фидера с его последующим отключением (за счет организации селективной и чувствительной защиты от ОЗЗ). Как следствие, срок эксплуатации СПЭ-кабелей в сети с низкоомным заземлением нейтрали может быть значительно увеличен.
Вышеизложенная концепция перехода к режиму резистивного заземления нейтрали справедлива не только для комбинированных сетей 6–35 кВ, где одновременно эксплуатируются СПЭ-кабели и БМИ-кабели, но и для проектируемых сетей, базирующихся на использовании только кабелей с изоляцией из СПЭ.

МЕТОДОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОМИНАЛА РЕЗИСТОРА

Вопрос выбора режима заземления нейтрали в сетях со СПЭ- кабелями должен быть решен однозначно: только включение в нейтраль резистора, эффективно ограничивающего перенапряжения и создающего ток, которого будет достаточно для быстрого/мгновенного срабатывания защиты от ОЗЗ, позволит продлить срок службы СПЭ-кабелей и минимизировать затраты на их восстановление.
Иначе говоря, наиболее приемлемым вариантом является перевод любого возникающего в сети ОЗЗ в устойчивое с отключением поврежденного фидера и его последующим ремонтом. В противном случае длительное воздействие высокочастотных перенапряжений при неотключенном ОЗЗ (например, при горении прерывистой дуги) гарантирует накопление и развитие дефектов в изоляции СПЭ и приведет в дальнейшем к многоместным пробоям с необходимостью замены больших участков кабеля на одном или нескольких присоединениях.
Отметим также следующее. Поскольку определение места повреждения КЛ зачастую определяется с помощью прожига (для снижения переходного сопротивления), изоляция поврежденного кабеля всё равно будет нарушена. При этом может пострадать СПЭ-изоляция кабелей, расположенных рядом в траншее или кабельном канале.
Подобная ситуация имела место, в частности, при развитии повреждения кабеля 35 кВ АПвП–6(1 . 150/50) двухцепной кабельной вставки длиной 680 м в городских электрических сетях г. Новокуйбышевска (рис. 2). В результате поиска места повреждения КЛ-35 по одной цепи в результате неоднократного прожига из-за термического воздействия произошло полное разрушение соединительной муфты и была повреждена фаза соседнего кабеля другой цепи 35 кВ.
Компенсация емкостного тока в сети 6–35 кВ со СПЭ-кабелями нецелесообразна, поскольку выше было показано, что поддержание режима ОЗЗ даже в течение небольшого времени крайне неблагоприятно для твердой изоляции из СПЭ. Кроме того, при возникновении двухместного ОЗЗ и/или значительных расcтройках компенсации в сети с ДГР из строя могут выйти сразу несколько СПЭ- кабелей, а изоляция оставшихся в работе линий будет подвергаться деградации в течение всего времени существования замыкания за счет развития имеющихся (либо возникших) дефектов. К тому же самогашение дуги в кабелях СПЭ даже при очень хорошей компенсации емкостного тока ОЗЗ неэффективно, поскольку «заплывания» канала пробоя не происходит.
Нелишним будет упомянуть и о включении СПЭ-кабелей в комбинированные сети с БМИ-кабелями и ДГР, когда поиск поврежденного присоединения, даже при современном уровне автоматизации, может происходить путем поочередного отключения фидеров. Каждая коммутация выключателем, особенно вакуумным, присоединения с СПЭ-кабелем приводит к генерации высокочастотных перенапряжений, также сокращающих изоляционный ресурс кабеля СПЭ. Переход к глухому заземлению нейтрали тоже необоснован:
при высоких уровнях токов однофазного короткого замыкания на землю и двустороннем заземлении экрана СПЭ-кабеля возможно перегорание экрана. Хотя допустимый ток односекундного КЗ для медного экрана сечением 16–95 мм 2 довольно велик и составляет (3,3–19,3) кА [10], фактически такие значения достигаются только при грамотном проектном решении и качественном монтаже КЛ с двусторонним заземлением экранов.
Однако при таком варианте заземления экрана одножильного СПЭ- кабеля по экрану возможно протекание тока, составляющего значительную долю от номинального тока присоединения даже в нормальном режиме работы. Система «жила–изоляция–экран» является «трансформатором», коэффициент передачи которого зависит от параметров кабеля и расстояния между осями соседних фаз при их расположении в вершинах равностороннего треугольника [11] (рис. 3).
Например, при расчетном коэффициенте передачи 0,3 и токе нагрузки порядка 1000 А ток в экране составит 300 А. Такие значения были зафиксированы при осциллографировании токов в экранах фаз кабеля 35 кВ АПвП-6(1 . 630/35) длиной 1250 м фидера «ДСП» (ПС «Электросталь», Металлургический завод им. А.К. Серова). Частые коммутациипечной установки – до 400 раз в сутки – с бросками тока нагрузки, отсутствие активного демпфера высокочастотных колебаний на направлении «КЛ–ПС» и ошибки монтажа (неправильная опрессовка жил на концевых заделках) привели к многочисленным повреждениям кабеля вследствие многоместного ослабления электрической прочности СПЭ- изоляции (рис. 4), необходимости установки дополнительных муфт. При отсутствии резервного питания на время ремонтных работ (3–4 часа) питание дуговой сталеплавильной установки прекращалось.
В работе [11] убедительно показано, что токи в экранах однофазных кабелей 6–35 кВ из сшитого полиэтилена представляют опасность для этих кабелей. Для снижения токов в экране в зависимости от длины кабеля осуществляется заземление экранов только в одной точке либо применение N циклов транспозиции экранов с установкой в рассечки специальных ОПН.
Поэтому при выборе резистора для заземления нейтрали в сети со СПЭ-кабелями необходимо найти компромиссное решение. С одной стороны, следует обеспечить термическую стойкость экранов КЛ, т.е. фактически ограничить ток однофазного КЗ, с другой – создать условия для максимально быстрого отключения поврежденного кабеля, используя резистор «разумного» номинала (т.е. не завышая чрезмерно достаточный для срабатывания РЗиА тока).
Обе эти задачи могут быть успешно решены при следующем условии: номинал резистора выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в точке ОЗЗ, был примерно равен фазному току самого мощного присоединения:

Смотрите так же:  Закрепление провода на изоляторе

Приняв этот тезис за исходный, необходимо разрешить вопрос организации селективной и чувствительной защиты от ОЗЗ.
В качестве базового примера рассмотрим новый проект установки отключаемых резисторов в нейтрали сети 20 кВ ТЭЦ-16 и ПС «Сити-2» «Мосэнерго», выполненной кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена. Номинал каждого резистора – 12 Ом – обеспечивает создание активного тока в месте замыкания величиной

что сопоставимо с током нагрузки

В данных сетях, вследствие достаточного уровня резервирования, при ОЗЗ поврежденное присоединение отключается.

ЗАЩИТА ОТ ОЗ В СЕТИ С НИЗКООМНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ

Исходить нужно из следующего: при однофазных замыканиях на землю должна срабатывать специальная защита от ОЗЗ, а при междуфазных КЗ – своя соответствующая защита. Такое исполнение защит позволит быстрее устранить аварию.
Если значение тока ОЗЗ, определяемое сопротивлением резистора в нейтрали, будет соизмеримо с токами нагрузки, поврежденное присоединение можно будет отключать с выдержкой времени. Выполнение защиты только с действием на сигнал нецелесообразно. Современная практика проектирования предусматривает возможность установки в ячейках КРУ трех трансформаторов тока (ТТ), на базе которых могут быть собраны трехтрансформаторные фильтры тока нулевой последовательности. Это связано с применением СПЭ-кабелей большого сечения и невозможностью охвата стандартными ТТ нулевой последовательности фазных кабелей.
Обратим внимание на следующие ключевые моменты:
1. Большие токи междуфазных КЗ (20–60 кА) приводят к появлению в трехтрансформаторных фильтрах тока нулевой последовательности значительных токов небаланса I нб , от которых необходимо отстраивать ток срабатывания защиты от ОЗЗ, если она не имеет соответствующей выдержки времени:

где kодн =1,0 – коэффициент однотипности ТТ;
e = 0,1 – предельная погрешность ТТ;
IКЗmax – максимальный ток междуфазного КЗ, который будет протекать по фильтру;

где kн = 1,1…1,2 – коэффициент запаса.
2. Чувствительность защиты оценивают коэффициентом чувствительности kч:

где IОЗЗ – ток однофазного замыкания на землю, определяемый сопротивлением резистора для заземления нейтрали.

Чувствительность защиты считается удовлетворительной, если kч 1,5.
При IКЗmax = (20–60) кА получаем IСЗО = (2,2–7,2) кА. Если ток резистора 1000 А, что близко к току нагрузки, защита от ОЗЗ оказывается нечувствительной. Для обеспечения минимально необходимого kч = 1,5 ток резистора должен быть (3,3–10,8) кА, что представляет сложности с точки зрения обеспечения термической стойкости оборудования – в частности, кабельных экранов.
Заметим: даже при включении в схему токоограничивающих реакторов (а их использование в сетях со СПЭ-кабелями целесообразно при токах трехфазного КЗ свыше 15–20 кА) и соответствующем повышении kч чувствительность защиты от ОЗЗ будет недостаточной. Это следует из того, что для получения минимального kч = 1,5 в рассматриваемых сетях ток должен быть ограничен согласно (2), (3), (4) до величины IКЗmax 6,1IОЗЗ, что представляется труднодостижимым.
3. Поскольку при заданных условиях чувствительность защиты оказалась ниже требуемой, выполнить защиту от ОЗЗ можно с выдержкой времени D tОЗЗ, превышающей выдержку времени защиты от междуфазных КЗ D tКЗ на ступень селективности D t:

Выдержку времени защит от междуфазных КЗ примем D tКЗ = 0,1 с;
ступень селективности D t =(0,3–0,4) с. Тогда выдержка защиты от ОЗЗ составит D tОЗЗ = (0,4–0,5) с.
При этом выражение (2) запишется в виде:

где k I одн принимается равным 0,5…1,0;
IНАГРmax – максимальный ток нагрузки, который оценочно можно принять равным номинальному первичному току установленных на защищаемом фидере ТТ I1номТТ.
При I1номТТ = (200–1500) А значение тока небаланса в соответствии с (6) I I нб = (10–150) А, ток срабатывания защиты согласно (3) IСЗ0 = (11–180) А.

При токе резистора 1000 А чувствительность защиты от ОЗЗ будет обеспечена с большим запасом.
Таким образом, селективная и чувствительная защита от ОЗЗ в кабельных, в том числе комбинированных сетях со СПЭ-кабелями, может быть выполнена в виде ненаправленной токовой защиты нулевой последовательности. Защита реагирует на основную гармонику тока 3I0, протекающего по нулевому проводу трехтрансформаторного фильтра ТТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из важнейших условий, необходимых для продления срока эксплуатации сети со СПЭ-кабелями, является рациональный выбор режима заземления нейтрали.
Глухое заземление нейтрали сети 6–35 кВ, как было показано выше, неприемлемо по причине возникновения сверхтоков в экранах СПЭ-кабелей (как при коротких замыканиях на землю, так и в нормальном режиме, сопровождающемся, например, бросками тока нагрузки) и нарушения термической стойкости экранов.
Достаточно давно ведется активное обсуждение необходимости исключения из практики эксплуатации режима изолированной нейтрали, для чего имеется целый ряд веских оснований [12, 13]. Если нейтраль заземлена через ДГР, возможно возникновение значительных уровней перенапряжений при ОДЗ, а наличие автоматических систем настройки компенсации не всегда решает проблему многоместных повреждений оборудования при замыканиях на землю [14]. К тому же такие способы заземления нейтрали подразумевают возможность длительного сохранения режима ОЗЗ без отключения потребителей.
Воздействие линейных напряжений на «здоровые» фазы СПЭ- кабеля приводит к увеличению средней напряженности электрического поля в СПЭ-изоляции и созданию благоприятных условий для развития триингов в электрически ослабленных местах, локально распределенных по толщине изоляции и длине кабеля. Это в свою очередь способствует накоплению и развитию дефектов в изоляционной системе СПЭ-кабелей, а в конечном итоге – повышению аварийности рассматриваемых сетей.
Наиболее приемлемым вариантом является режим заземления сети со СПЭ-кабелями через низкоомный резистор, работающий в комплексе с релейной защитой и гарантирующий быстрое отключение поврежденного фидера при однофазном замыкании на землю. Для этого необходимо обеспечить резервирование участков сети, которые могут быть отключены при ликвидации ОЗЗ.
Анализ особенностей изоляционной среды рассматриваемых кабельных линий – сшитого полиэтилена, специфических факторов ее старения и зависимости этого процесса от режима заземления нейтрали сети – позволил предложить в качестве наиболее рационального способа заземления резистивное.
Учитывая это, а также принимая во внимание опыт использования заземляющих резисторов в ряде сетей 20 кВ «Мосэнерго», считаем целесообразным рекомендовать для включения в перспективные планы развития и модернизации кабельных сетей 6–35 кВ (в том числе сетей крупных промышленных предприятий и городов) с использованием СПЭ-кабелей:
1. Установку в нейтраль трансформаторов головных ПС (ТП) со стороны 6–35 кВ низкоомного резистора, выбранного из условия обеспечения им активного тока в месте ОЗЗ, близкого по величине фазному току наиболее мощного присоединения на шинах ПС (ТП). При этом обеспечивается ограничение перенапряжений и подавление резонансных и феррорезонансных явлений, инициируемых однофазными дуговыми замыканиями на землю.
2. Организацию селективной релейной защиты от ОЗЗ для сети со СПЭ-кабелями на базе включенного в нейтраль резистора. Ток срабатывания защиты определяется номиналом выбранного резистора и для сетей 20 кВ может быть принят на уровне 150–200 А. Защита должна иметь выдержку времени, превышающую выдержку времени резервной ступени защиты от междуфазных КЗ, установленной на том же фидере.

Литература

1. Инструкция по прокладке кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20 и 35 кВ. RUKAB/ID 23-2-019 (ABB Москабель).
2. Инструкция. Прокладка силовых кабелей на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. ИМ СК-20-03 (Камкабель).
3. Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.В. Диагностика и мониторинг кабельных сетей среднего напряжения // Электротехника. – 2000. – № 11. – С. 48–51.
4. Ильиных М.В., Ширковец А.И., Сарин Л.И. Компенсированная и комбинированно заземленная нейтраль. Опыт эксплуатации сети 6 кВ металлургического комбината // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 2 (44).
5. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов – М.: Энергия, 1971.
6. Публикации МЭК 60502-2-1997 «Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение от 1 до 30 кВ».
7. Кожевников А.С. Стойкость к триингам подтверждена испытаниями // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 2(38). – С. 128–129.
8. Бустром Д.О. Сополимерные композиции сшитого полиэтилена для высоконадежных кабелей среднего напряжения // Кабели и провода. – 2005. –№ 5(294). – С. 7–22.
9. Лавров Ю.А. Кабели 6–35 кВ с пластмассовой изоляцией // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6(42); 2007. – № 1(43).
10. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20, 35 кВ. Технические условия. ТУ 16.К71-335-2004 (ОАО ВНИИКП).
11. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. Заземление экранов однофазных силовых кабелей высокого напряжения/ 6-е заседание международной научно-технической конференции «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений». Труды конф. – Самара, 2007.
12. Глушко В., Ямный О., Ковалев Э., Бохан Н. Белорусские сети 6–35 кВ переходят на режим заземления нейтрали через резистор // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 3(39) – С. 37–40.
13. Титенков С.С. России стоило бы подумать над аналогичным документом. Оценки и прогнозы // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 3(39) – С. 42.
14. Софинский А.В., Кучеренко В.И., Хуртов И.И. и др. Резистивное заземление нейтрали в сети собственных нужд Энгельской ТЭЦ-3 «Саратовэнерго» // Электрические станции. – 2003. – № 2.

Похожие статьи:

  • Схема электронного полива Устройство автоматического полива - схема Устройство для автоматического полива представляет собой электронное реле на транзисторе VT1, база и эмиттер которого соединены с пластинами из токопроводящего материала, воткнутыми в почву на […]
  • Крепление провода к щетке Конопаточный порошок для крепления токоведущего провода к щетке Номер патента: 609157 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик1 и 609157 1) Дополнительное к авт. свид-ву явлено 23.07.76 […]
  • Заземление опор вл-10 кв Как правильно делать заземления опорных конструкций В современном мире освещение окружает нас повсеместно: и дома и на улице. Причем роль наружного типа освещения очень важна в городах и селах, ведь оно позволяет избегать множества […]
  • Высоковольтные провода зажигания с медной жилой 11. ПМВК, ПМВКнг(A) – провода монтажные высоковольтные с многопроволочной медной жилой (ТПЖ) с кремнийорганической изоляцией, нераспространяющие горения Провода монтажные высоковольтные малой мощности с многопроволочной медной […]
  • Прибор для измерения частоты тока Приборы для измерения частоты и сопротивления - Испытание электрических машин Приборы для измерения частоты. В практике испытаний ЭМ приходится измерять частоты в довольно широком диапазоне примерно от 1 Гц до 60 кГц. Для этих целей […]
  • Провода для питания двигателя Драйвер шагового двигателя A4988 Для управления шаговыми двигателями используют специальные устройства – драйверы шаговых двигателей. Популярный драйвер шагового двигателя А4988 работает от напряжения 8-35 В и может обеспечить ток до […]