Режимы работы нейтрали

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, [4]) 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 [5].

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 [6,7]);
• 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 [8]. 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 статье использованы материалы с сайта журнала «Новости Электротехники».