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 [7]:
- 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 [97]. 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 [97].
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.
| Рис. 2.1. Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью |
Достоинствами режима являются [97]:
- отсутствие необходимости в немедленном отключении первого ОЗЗ;
- 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 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;
- сложность обнаружения места повреждения;
- 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).
| Рис. 2.2. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор |
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 [97]:
- 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.
| Рис. 2.3. Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор |
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 [97]:
- 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 [97]. 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.
| Рис. 2.4. Схема воздушной четырехпроводной распределительной сети 4-25 кВ 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) [88].
В соответствие со способом, на участке сети (наиболее целесообразно в центре питания) предлагается устанавливать специальный силовой трансформатор со схемой соединения звезда-треугольник (ТЗН). Нейтраль обмотки, соединенной в звезду, заземляется. Указанный трансформатор подключается выключателем к источнику питания при ОЗЗ, т.е. при появлении на шинах питания напряжения нулевой последовательности. Подключение трансформатора переводит сеть в режим низкоомного индуктивного заземления нейтрали. При этом значение тока ОЗЗ становится достаточным для срабатывания устройств релейной защиты (500−1000 А).
Достоинства:
- токи ОЗЗ в такой сети отключаются автоматически действием существующих устройств РЗ от двойных замыканий на землю, реагирующих на токи НП. Могут использоваться также и максимальные токовые защиты (МТЗ);
- дает значительную экономию по сравнению с ДГР с устройствами автоматической компенсации емкостных токов;
- исключает появление значительных коммутационных перенапряжений при ОЗЗ.
Недостатки: Время существования режима должно быть минимальным, т. е. ТЗН должен автоматически отключаться от источника питания по истечении допустимого времени (не более 2 сек).
2.1.6 Снижение тока замыкания на землю при ОЗЗ
Для снижения тока замыкания на землю, как показано выше, применяются специальные компенсирующие устройства − дугогасящие катушки, которые подключаются между нулевыми точками трансформаторов или генераторов и землей. В зависимости от настройки дугогасящей катушки ток замыкания на землю уменьшается до нуля или до небольшой остаточной величины.
Поскольку токи замыкания на землю имеют небольшую величину, а все междуфазные напряжения остаются неизменными, ОЗЗ не представляет непосредственной опасности для потребителей. Защита от этого вида повреждения, как правило, действует на сигнал.
Однако длительная работа сети с заземленной фазой нежелательна, так как длительное прохождение тока в месте замыкания на землю, а также повышенные в 1,73 раза напряжения неповрежденных фаз относительно земли могут привести к пробою или повреждению их изоляции и возникновению двухфазного КЗ. Поэтому согласно Правилам технической эксплуатации допускается работа сети с заземлением одной фазы только в течение 2 ч. За это время оперативный персонал с помощью устройств сигнализации должен обнаружить и вывести из схемы поврежденный участок.
В сетях, питающих передвижные строительные механизмы, для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала защита от замыканий на землю выполняется с действием на отключение.
2.2 Методы расчета параметров режима при повреждениях в сетях 6−35 кВ
Расчет режима при любом КЗ заключается в определении неизвестных токов во всех ветвях и напряжений во всех узлах трехфазной электрической сети.
Расчет можно выполнять как в фазных координатах (ФК) [66, 83, 24, 25, 56], так и в симметричных координатах (СК) [44, 81, 57, 32]. Расчет трехфазного КЗ обычно производят в однолинейном виде, т. е. в симметричных координатах при отсутствии обратной и нулевой последовательностей.