90
Импульсно-резистивный способ
заземления нейтрали трехфазной
электрической сети и физическая
модель, его реализующая
УДК 621.311:621.316
Качесов
В
.
Е
.,
д.т.н., доцент,
профессор кафедры
ТЭВН НГТУ, ведущий
специалист ООО НПП
«ЭНЕРГОКОНСАЛТ»
Финашин
Р
.
А
.,
аспирант кафедры
ТЭВН НГТУ
Ключевые
слова
:
электрическая трех-
фазная сеть, нейтраль,
заземление, резистор,
производная напряже-
ния в нейтрали
Для
электрических
сетей
(
ЭС
)
среднего
напряжения
предлагается
способ
импульсно
-
резистивного
высокоомного
заземления
нейтрали
(
ИРЗ
).
Соединение
нейтрального
(
нейтралезаземляющего
)
резистора
с
контуром
заземления
станции
или
подстанции
происходит
при
неустойчивых
(
перемежающихся
)
замыканиях
на
землю
,
когда
производная
напряжения
в
нейтрали
ЭС
(
du
N
/
dt
)
значительна
.
В
режиме
установившегося
(
устойчивого
)
однофазного
замыкании
на
землю
(
УОЗЗ
)
в
подавляющем
большинстве
электрических
сетей
(
du
N
/
dt
)
~
много
меньше
,
чем
при
неустойчивом
(
НУОЗЗ
),
то
есть
(
du
N
/
dt
)
НУОЗЗ
>>(
du
N
/
dt
)
~
.
Это
позволяет
эффективно
управлять
режимом
резистивного
заземления
нейтрали
ЭС
.
Теоретически
доказана
работоспособность
импульсно
-
резис
-
тивного
заземления
и
его
способность
устранять
недостатки
постоянного
резистивного
заземления
,
обусловленные
повышенным
током
замыкания
промышленной
частоты
.
Спроектирована
и
изготовлена
низковольтная
физическая
модель
электрической
сети
с
различными
способами
неэффективного
заземления
нейтрали
,
включая
импульсно
-
резистивный
.
Э
лектрические сети (ЭС) сред-
него напряжения (СН) в Рос-
сийской Федерации, а также
во многих странах Европы
не имеют эффективного заземления
нейтрали. В таких ЭС заложена воз-
можность их длительной работы с од-
нофазным замыканием на землю, что
повышает надежность передачи и рас-
пределения электроэнергии, а также
уменьшает технологические потери
электропотребителей. При неустой-
чивых (перемежающихся) замыканиях
изоляция всего оборудования ЭС под-
вергается дуговым перенапряжениям
(ДП). Несмотря на то, что при произ-
водстве оборудования для таких ЭС
заложены необходимые запасы элек-
трической прочности изоляции, ДП
стараются ограничивать, поскольку
они ведут к ее ускоренному старению.
Для снижения ДП применяют высоко-
омное резистивное заземление ней-
трали [1] или дугогасящую катушку
(ДГК) [2], первостепенное назначение
которой, несомненно, — эффективное
снижение емкостных токов замыкания
на землю (
I
C
— ЕТЗЗ).
ПРЕИМУЩЕСТВА
И
НЕДОСТАТКИ
СУЩЕСТВУЮЩИХ
СПОСОБОВ
ЗАЗЕМЛЕНИЯ
НЕЙТРАЛИ
ЭС
Установка в электрическую сеть дугога-
сящей катушки (ДГК) с коэффициентом
компенсации ЕТЗЗ
K
L
=
I
L
/
I
C
=~ 1 (
I
L
— ток
катушки) радикально сокращает коли-
чество повторных пробоев фазной изо-
ляции, они сопровождаются малыми
свободными составляющими и, соот-
ветственно, малыми ДП. Основным не-
достатком их применения является до-
роговизна устройств автоматической
компенсации ЕТЗЗ (
I
C
).
В сетях с малыми ЕТЗЗ альтерна-
тивой ДГК является применение ней-
тральных (заземляющих нейтраль)
высокоомных резисторов (
R
N
), позво-
ляющих в паузах между повторными
зажиганиями дуги снижать избыточ-
ный заряд и напряжение на фазах
и нейтрали сети и, соответственно,
интенсивность переходного процес-
са замыкания на землю и ДП. Однако
установка нейтрального резистора
приводит к увеличению установивше-
гося тока замыкания на землю (в √2 раз
при резистивном коэффициенте ком-
пенсации
K
r
=
I
RN
/
I
C
= 1), который может
протекать в сети десятки часов — до
момента обнаружения и устранения
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
91
замыкания. Постоянное резистивное заземление
нейтрали ЭС в противоположность ее заземлению
через ДГК потенциально снижает электробезопас-
ность сети (и ее экологичность), увеличивая ша-
говое напряжение и напряжение прикосновения,
а также усиливая разрушения в месте дефекта
изоляции.
После самопогасания электрической дуги замы-
кания на поврежденной фазе восстанавливается
напряжение с угловой частотой собственных коле-
баний, определяемой параметрами контура прямой
________
последовательности и равной
1
= √
L
S
C
1
, (
C
1
и
L
S
—
емкость сети и индуктивность эквивалентного ис-
точника для напряжений прямой последовательнос-
ти). Величина пика восстанавливающегося напря-
жения, наступающего через полупериод свободных
колебаний, определяет возможность повторного
зажигания дуги [3]. Резистор в нейтрали сети снижа-
ет добротность эквивалентного контура, в котором
происходят свободные колебания, что приводит
к некоторому снижению «напряжения пика гашения»
(
U
п.г.
) [4]. Несомненно, снижение напряжения
U
п.г.
уменьшает вероятность повторных зажиганий
дуги. Степень его снижения при
K
r
= 1 определяет-
ся как
K
= 1 –
exp
(–
/
1
). В отличие от высокоомно-
го резистивного заземления ДГК, установленная
в нейтрали ЭС, практически не изменяет напря-
жение пика гашения и скорость восстановления
напряжения на поврежденной фазе, хотя подъ-
ем напряжения спустя полупериод свободных ко-
лебаний после самопогасания дуги происходит
очень медленно, что обусловлено низкой частотой
биения колебаний.
Главным и зачастую недооцененным недостатком
сети с высокоомным резистивным заземлением яв-
ляется повышенный ток замыкания промышленной
частоты.
ПРИНЦИП
ИРЗ
На основании результатов компьютерного мо-
делирования, а также высоковольтных лабора-
торных испытаний сделан вывод, что недостатки
постоянного высокоомного резистивного зазем-
ления нейтрали устраняет «импульсно-резистив-
ный способ», позволяющий полностью исключить
работу нейтрального резистора в режиме устой-
чивого замыкания на землю [5, 6]. Подключение
нейтрального резистора
R
N
к контуру заземления
подстанции (станции) происходит авто-
матически только при неустойчивых за-
мыканиях на землю, когда производная
напряжения в нейтрали ЭС имеет боль-
шое значение.
В режиме устойчивого замыкания на
землю напряжение в нейтрали ЭС (
u
N
)
близко по форме к синусоидальному,
и его производная, приблизительно рав-
ная (
du
N
/
dt
)
~
=~
U
ф
m
cos
(
t
) сравнительно
мала. В относительных единицах макси-
мальное значение производной равно
круговой частоте
.
Во время дуговых (перемежающихся) замыканий
на землю напряжение на нейтрали ЭС содержит бы-
стрые перепады/скачки, что обусловлено наличием
в нем широкого спектра свободных колебаний выс-
ших частот, вызываемых пробоями изоляции. Основ-
ные частоты свободных колебаний, формирующие
фронт напряжения на нейтрали ЭС
u
N
(
t
), — это пере-
зарядная круговая частота
2
, обусловленная пере-
зарядным процессом на неповрежденных фазах
через эквивалентный источник, и разрядная
3
, обу-
словленная разрядом емкости поврежденной фазы.
Перепад напряжения в нейтрали сети и, следо-
вательно, его производная
du
N
/
dt
пропорциональны
напряжению повторного зажигания (
U
п.з.
), которое
случайным образом может варьироваться в широ-
ких пределах. Производная напряжения
du
N
/
dt
так-
же изменяется в зависимости от места замыкания,
уменьшаясь при его удалении от главной понизи-
тельной подстанции, что используется в параме-
трических методах локации однофазных замыка-
ний на землю [7].
В [4] для простейшей двухчастотной схемы заме-
щения ЭС при ОЗЗ ориентировочно определен диа-
пазон возможных значений производной напряжения
на нейтрали ЭС при удалении места ОЗЗ от центра
питания. Показано, что производная напряжения
du
N
/
dt
при неустойчивом горении заземляющей дуги
многократно превышает соответствующее значение
в режиме установившегося замыкания.
Более точную оценку производной напряжения
можно получить, представив напряжение на нейтра-
ли ЭС в виде двух составляющих: начальной волно-
вой (высокочастотной) — условно I этап переходного
процесса замыкания, и низкочастотной — II этап.
В начальной стадии замыкания на землю нарас-
тание напряжения на нейтрали ЭС можно рассма-
тривать как некий скоротечный волновой процесс,
который обусловлен приходом электромагнитных
волн напряжения по всем трем фазам на шины цен-
тра питания (ЦП). На этой стадии почти прямоуголь-
ная волна напряжения нулевой последовательности
(НП) от места замыкания распространяется к ЦП
(рисунок 1). При этом происходит деформация вол-
ны (увеличение ее длительности фронта) и заметное
снижение амплитуды в силу преломлений в узлах ЭС
(на распределительных подстанциях и в узле самого
ЦП). Эта составляющая производной (
du
N
/
dt
)
I
сильно
зависит от топологии сети: количества узлов в ЭС,
R
d
C
d
u
d
Z
c
тр
ф
ЦП
u
0
(
t
)
Z
C
Рис
. 1.
Однолинейная
схема
древовидной
распределительной
сети
с
условными
кривыми
напряжений
в
узлах
сети
при
ОДЗ
в
конце
линии
3–4;
C
d
и
R
d
—
емкость
и
сопротивление
дифференцирующей
цепи
;
Z
c
тр
—
элемент
схемы
замещения
обмоток
питающего
(
сило
-
вого
)
трансформатора
;
Z
C
—
волновое
сопротивление
линии
№
1 (58) 2020
92
количества фидеров в каждом узле и их волнового
сопротивления. Степень деформации распростра-
няющейся волны напряжения во многом зависит от
типа линии (воздушная или кабельная). Определе-
ние этой составляющей напряжения и, соответствен-
но, производной требует расчетов, которые, напри-
мер, могут быть выполнены с помощью [8].
В сетях со слабой разветвленностью волновая
составляющая напряжения на нейтрали ЭС может
формировать очень большую производную. Условно
на рисунке 2 эта волновая (начальная) составляю-
щая напряжения на нейтрали показана в области
I
.
Оценка второй низкочастотной составляющей
производной напряжения на нейтрали ЭС может
быть получена с помощью простейшей одночастот-
ной эквивалентной схемы замещения сети, приво-
димой в учебной литературе. Низкочастотная часть
напряжения на нейтрали (интервал времени —
/
2
),
в основном, определяется перезарядным процессом
на неповрежденных фазах сети с частотой
1
2
= —,
_________________________
√3
L
S
(
C
S
+
C
M
)
где
C
S
и
C
M
— фазная и междуфазная емкости сети.
В низкочастотной части процесса появления на-
пряжения на нейтрали ЭС амплитуда свободного ко-
лебания напряжения приближенно определяется как:
C
M
2
A
=
U
пр
(1 – —) —,
C
S
+
C
M
3
где
U
пр
— напряжение пробоя фазной изоляции
в момент максимума фазного напряжения, то есть
принимаем
U
пр
=
U
ф.
m
= 1 о.е. Тогда производная на-
пряжения на этом втором (низкочастотном) этапе
определится как:
(
du
N
/
dt
)
II
=~ 2
2
A
/3.
С учетом того, что, как правило,
C
M
/(
C
S
+
C
M
) =
0,2÷0,25, производная на втором этапе определится
как
(
du
N
/
dt
)
II
=~ 2 · 0,75 ·
U
пр
2
/3 =
U
пр
2
/2.
Среднее значение частоты собственных колеба-
ний
2
в сетях среднего напряжения в большинстве
случаев находится в диапазоне 6280÷12 560 ра-
диан/секунду (1÷2 кГц) [9], поэтому
2
/2 >>
. Прини-
мая во внимание высокочастотную часть в напряже-
нии на нейтрали сети (в области I), где производная
напряжения (
du
N
/
dt
)
I
, как правило, много больше,
чем в рассмотренном временном диапазоне, мож-
но уверенно констатировать, что при неустойчивых
замыканиях на землю может быть сформирован
достаточный сигнал, пропорциональный
du
N
/
dt
, по-
зволяющий управлять, например, полупроводнико-
вым ключом и подключать нейтральный резистор
к контуру заземления станции/подстанции. На ри-
сунке 3 показаны расчетные кривые во время пере-
межающегося дугового замыкания на землю в ЭС
с предельным ЕТЗЗ (20 А — для сети с рабочим на-
пряжением 10 кВ) и малой мощностью понизитель-
ного трансформатора (
S
= 25 МВА), что приводит
к низкой частоте свободных перезарядных коле-
баний
2
.
Производная напряжения в нейтрали ЭС в пе-
реходном процессе (
du
N
/
dt
)
НУОЗЗ
многократно пре-
вышает производную в установившемся режи-
ме замыкания (
du
N
/
dt
)
~
: (
du
N
/
dt
)
НУОЗЗ
= 8500 кВ/с,
(
du
N
/
dt
)
~
= 2600 кВ/с, то есть запас по чувствительно-
сти для запуска устройства импульсно-резистивного
заземления более чем трехкратный.
УСТРОЙСТВО
ИРЗ
Упрощенная электрическая схема устройства ИРЗ
показана на рисунке 4.
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
u
(о.е.)
u
N
(кВ)
I
Рис
. 2.
Расчетная
осциллограмма
первичного
пробоя
изоляции
и
устанавливающегося
устойчивого
замыка
-
ния
на
землю
Рис
. 3.
Расчетное
напряжение
на
нейтрали
ЭС
и
его
производная
при
удаленном
замыкании
на
землю
в
воз
-
душно
-
кабельной
ЭС
10
кВ
с
изолированной
нейтралью
du
N
/
dt
(кВ/с)
t
(c)
/
2
U
ф
m
u
N
(кВ)
93
Дифференцирующе-запускающая
цепь (ДЗЦ), подключенная между ней-
тралью сети и контуром заземления
станции/подстанции при неустойчивом
замыкании на землю формирует корот-
кие (запускающие) импульсы напряже-
ния, поступающие на высоковольтный
ключ, в качестве которого выступает
симистор (или блок симисторов) [5].
В момент нарастания (по модулю) на-
пряжения на нейтрали электрической
сети симистор открывается и подклю-
чает нейтральный резистор к контуру
заземления подстанции. При уста-
новлении устойчивого замыкания на
землю, когда напряжение в нейтрали
не содержит заметных перепадов, от-
крытие полупроводникового ключа не
происходит (производная
du
N
/
dt
мень-
ше уставки/порога срабатывания), и сеть работает
с изолированной нейтралью.
ФИЗИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ
ЭС
С
ИРЗ
Для целей исследования и обучения спроектиро-
вана и изготовлена низковольтная физическая мо-
дель ЭС с различными способами неэффективного
заземления нейтрали, включая ИРЗ. Упрощенная
электрическая схема этой модели показана на ри-
сунке 5. Понизительный трансформатор (ТС) со
вторичными обмотками, соединенными в звезду,
моделирует эквивалентный источник, а конден-
саторы (
C
s
и
C
m
) представляют сосредоточенные
емкости эквивалентной линии электропереда-
чи. Модель заземляющей дуги выполнена с по-
мощью полупроводниковых ключей — динистора
и симистора. Запальный конденсатор небольшой
емкости (
C
i
), заряжающийся через резистор (
R
i
)
от одной из фаз сети, разряжается по цепи: то-
коограничивающий резистор (
R
о
), динистор (
QS
),
p
–
n
переход (УЭ-MT1) симистора (
VS
1
), земля, что
приводит к отпиранию симистора. Обрыв тока за-
мыкания на землю происходит при первом его про-
хождении через нулевое значение, то есть так же,
как в теории горения дуги по Петерсену [10].
Модель горения дуги по теории Петерса-Слепя-
на [11], реализованная в физической модели ЭС,
основывается на неспособности прерывания си-
мисторами быстро изменяющихся то-
ков отключения, а также неспособно-
сти самовосстановления при быстром
нарастании напряжения между основ-
ными выводами прибора (МТ2 и МТ1).
Симистор требует некоторого времени
для самовосстановления (рекомбина-
ции зарядов в переходах его сложной
полупроводниковой структуры), а так-
же, работая на активно-индуктивную
нагрузку, быстро возрастающее на-
пряжение при обрыве тока замыкания
может превышать предельное значе-
ние
du
com
/
dt
, и симистор теряет способ-
ность к самовосстановлению (потере проводимо-
сти). Поэтому в моделях дуги [10, 11] используются
два переподключаемых симистора — быстродей-
ствующий сильноточный и слаботочный «мед-
ленный».
Блок ИРЗ реализован с помощью элементов
R
N
,
VS
RN
и ДЗЦ (
C
diff
—
R
diff
).
RC
-цепь, подключенная
к нейтрали ТС, дифференцирует напряжение
u
N
(
t
)
и включает симистор (
VS
RN
), соединяющий нейтраль-
ный резистор с «землей» установки. Параллельное
включение нескольких динисторов с разными напря-
жениями пробоя (на схеме не показаны) позволяет
исследовать переходные процессы, моделирующие
снижение диэлектрической прочности дефектной
изоляции.
Визуально работа устройства ИРЗ на медлен-
ных временных развертках ничем не отличается
от работы резистора, постоянно подключенного
к нейтрали ТС. Это связано с высокой чувстви-
тельностью симистра
VS
RN
и значительными про-
изводными
du
N
/
dt
. Задержка включения симисто-
ра, то есть подключения нейтрального резистора
между нейтралью ТС (ЭС) и землей, составляет не
более десяти микросекунд.
Осциллограммы переходных процессов при за-
мыкании на землю, когда напряжение повторного
зажигания составляет приблизительно 0,65 о.е.,
показаны на рисунке 6. В этом случае
u
N
(
t
) име-
Рис
. 4.
Симисторное
устройство
для
импульсного
высокоомного
заземления
нейтрали
: 1—
нейтральный
резистор
R
N
; 2 —
симистор
;
3 —
трансформаторная
ДЗЦ
; 4 —
RC
-
ДЗЦ
R
d
C
d
C
d
Рис
. 5.
Упрощенная
электрическая
схема
установки
C
diff
R
diff
C
m
L
п
ТС
Вторичная
обмотка
C
s
C
i
QS
VS
1
R
*
R
i
R
N
u
N
u
C
u
B
u
A
R
о
VS
RN
№
1 (58) 2020
94
ет сложную («многоэкспоненциальную») форму,
и выделяемая энергия в нейтральном резисто-
ре превышает соответствующее значение при
U
п.з
. = 1 о.е.
Модернизация физической модели ЭС с неэф-
фективным заземлением нейтрали предполагает
наряду с применением нового способа импуль-
сно-резистивного заземления нейтрали установку
устройства глубокого ограничения дуговых перена-
пряжений [12].
ВЫВОДЫ
И
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Для ЭС СН разработан и предложен импуль-
сно-резистивный способ заземления нейтрали,
исключающий протекание активного тока в месте
замыкания в установившемся режиме. Это позво-
ляет снизить разрушающее воздействие заземля-
ющей дуги на изоляцию и оборудование, повысить
электробезопасность сети при УОЗЗ, снизить тре-
бование к мощности нейтрального резистора и по-
тери электроэнергии в режиме устойчивого замы-
кания.
2. Работоспособность ИРЗ, принципиально огра-
ниченная значением производной напряжения на
нейтрали сети, сохраняется для широкого спектра
параметров ЭС. При крайне малых напряжениях
повторных зажиганий, когда производная
du
N
/
dt
недостаточна для запуска ИРЗ, необходимость ра-
боты ИРЗ отпадает, поскольку ДП незначительны,
и сеть будет работать с изолированной нейтралью.
3. Разработана и изготовлена физическая модель
трехфазной ЭС с различными способами зазем-
ления нейтрали, включая новый импульсно-рези-
стивный способ. В ней воплощены основные клас-
сические механизмы гашения заземляющих дуг
(по Петерсену и Петерсу-Слепяну).
Рис
. 6.
Осциллограммы
фазных
напряжений
и
в
нейтра
-
ли
ЭС
,
полученные
на
физической
модели
u
(о.е.)
u
C
u
B
u
N
t
(мс)
ЛИТЕРАТУРА
1. Petersen W. Unterdrückung des aus-
setzenden Erdschlusses durch die
Nullwiderstande und Funkenableiter.
ETZ, 39 (1918), 341 p.
2. Petersen W. Die Begrenzung des
Erdschlußstromes und die Unter-
drückung des Erdschlußlichtbogens
durch die Erdschlußspule. ETZ, 40
(1919), H. 1, pp. 5-7; 17-19.
3. Беляков Н.Н. Исследование пере-
напряжений при дуговых замыка-
ниях на землю в сетях 6–10 кВ с изо-
лированной нейтралью // Электри-
чество, 1957, №. 5. С. 31–36.
4. Качесов В.Е., Финашин Р.А. Им-
пульсно-резистивное заземление
нейтрали в распределительных се-
тях // Электричество, 2017. № 12.
С. 12–18.
5. Качесов В.Е. Устройство заземле-
ния нейтрали трехфазной электри-
ческой сети. Патент РФ № 2454769.
БИ, № 18, 2012.
6. Качесов В.Е., Финашин Р.А. Устрой-
ство заземления нейтрали трех-
фазной электрической сети. Па-
тент РФ на полезную модель
№ 194369. БИ, № 34, 2019.
7. Bogdasheva L.V., Kachesov V.E.
Parametric On-line Fault Location
Methods for Distribution MV Net-
works. IEEE PowerTech’05: proceed-
ings, St.-Petersburg, 27-30 June,
2005, p. 159.
8. Banzhaf W. Computer aided circuit
analysis using SPICE. Printice Hall,
1989.
9. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю
в сетях с изолированной нейтра-
лью и с компенсацией емкостных
токов. М.: Энергия, 1971. 152 с.
10. Petersen W. Der aussetzende (in-
termittierende) Erdschluss. ETZ, 38
(1917), H. 47, pp. 553-555, H. 48,
pp. 564-566.
11. Peters I.E., Slepian J. Voltage In-
duced by Arcing Ground. Tr. AIEE,
1923, Apr., p. 478.
12. Качесов В.Е., Финашин Р.А.
Устройство заземления нейтрали
трехфазной электрической сети.
Патент РФ 2640033. БИ, № 36,
2017.
REFERENCES
1. Petersen W. Unterdrückung des aus-
setzenden Erdschlusses durch die
Nullwiderstande und Funkenableiter.
ETZ, 39 (1918), 341 p.
2. Petersen W. Die Begrenzung des
Erdschlußstromes und die Unter-
drückung des Erdschlußlichtbogens
durch die Erdschlußspule. ETZ, 40
(1919), H. 1, pp. 5-7; 17-19.
3. Belyakov N.N. Overvoltages study at
arcing ground faults in power grids
6-10 kV with insulated neutral // Ele-
ktrichestvo, 1957, no. 5, pp. 31-36.
4. Kachesov V.Ye., Finashin R.A.
Pulse-resistive grounding in distribu-
tion networks // Elektrichestvo, 2017,
no. 12, pp. 12-18.
5. Kachesov V.E. The neutral ground-
ing device of a three-phase electrical
network. Patent of Russian Federa-
tion № 2454769. Invention’s Bulletin,
№ 18, 2012.
6. Kachesov V.E., Finashin R.A.
Three-phase power network neu-
tral grounding device. Patent RU
194369. Invention’s Bulletin, № 34,
2019.
7. Bogdasheva L.V., Kachesov V.E.
Parametric On-line Fault Location
Methods for Distribution MV Net-
works. IEEE PowerTech’05: pro-
ceedings, St.-Petersburg, 27-30
June, 2005, p. 159.
КАБЕЛЬНЫЕ
ЛИНИИ
95
8. Banzhaf W. Computer aided circuit
analysis using SPICE. Printice Hall,
1989.
9. Likhacev F.A. Ground faults in insu-
lated networks and with capacitive
current compensation. M.: Energy,
1971. 152 p.
10. Petersen W. Der aussetzende (in-
termittierende) Erdschluss. ETZ, 38
(1917), H. 47, pp. 553-555, H. 48,
pp. 564-566.
11. Peters I.E., Slepian J. Voltage In-
duced by Arcing Ground. Tr. AIEE,
1923, Apr., p. 478.
12. Kachesov V.E., Finashin R.A.
Three-phase power network neu-
tral grounding device. Patent RU
2640033. Invention’s Bulletin, № 36,
2017.
ÊÎÌÌÅÍÒÀÐÈÉ
И
з многих проблем электроэнергетики
вопросы, связанные с выбором спо-
соба заземления нейтрали в электри-
ческих сетях среднего напряжения,
всегда относились к наиболее сложным и дис-
куссионным. Так, в различных странах в сетях
среднего напряжения применяют изолирован-
ную, компенсированную, резистивную ней-
трали. Встречается даже и глухозаземленная.
Несмотря на указанное многообразие, каждая
сетевая компания уверяет, что именно ее ре-
шение является оптимальным. На этом фоне
новые публикации по заземлению нейтрали
с одной стороны интересны, а с другой — долж-
ны восприниматься с известной долей осторож-
ности.
В представленой статье авторы предлага-
ют так называемый импульсно-резистивный
способ заземления нейтрали, который заклю-
чается в возможности подключения/отключе-
ния к нейтрали сети высокоомного резистора
в зависимости от наличия/отсутствия в ее на-
пряжении переходных составляющих. Данное
решение отчасти напоминает собой уже из-
вестный и применяемый в сетях вариант, когда
в нейтрали сети устанавливают низкоомный
резистор последовательно с выключателем,
и хотя бы по этой причине заслуживает опре-
деленного внимания.
Для низкоомного резистора нормально ра-
зомкнутый выключатель в нейтрали дает воз-
можность кратковременно перевести сеть с изо-
лированной нейтралью в сеть с низкоомным за-
землением, что бывает необходимо, например,
если в сети возникло однофазное повреждение
и релейной защите из-за малой величины тока
замыкания на землю не удается установить
конкретное место этого повреждения. Подклю-
чение резистора к нейтрали, повторимся, требу-
ется лишь на время работы защиты.
Для высокоомного резистора наличие ком-
мутационного аппарата, по мнению авторов ста-
тьи, могло бы иметь другие цели и, прежде всего,
резистор надо было бы подключать к нейтра-
ли в случае, если анализ формы напряжения
нейтрали выявит в сети дуговые или ферроре-
зонансные перенапряжения. Если перенапря-
жений нет, то, как считают авторы, резистор мож-
но отключить от
нейтрали, и делать
это следует, чтобы,
во-первых, снизить
нагрев
резисто-
ра и, во-вторых,
уменьшить ток за-
мыкания на землю,
величина которого
влияет на безопасность людей и животных.
Названные аргументы в пользу отключения
высокоомного резистора являются наиболее
спорным местом статьи. В сетях среднего на-
пряжения многие повреждения носят дуговой
характер, и поэтому можно ожидать, что, как
правило, высокоомный резистор будет нахо-
диться в подключенном к нейтрали состоянии.
Следовательно, в плане экономии электро-
энергии едва ли будет заметным эффект от
редкого вывода резистора из работы. Также не
стоит опасаться и нагрева резистора, посколь-
ку такой проблемы производители резисторов
и службы эксплуатации не заявляют.
Отключение высокоомного резистора от
нейтрали действительно понизит ток замыка-
ния на землю, однако это же обстоятельство
ухудшит селективность защит и возможность
быстрого поиска и отключения замыкания на
землю. Таким образом, хотя ток замыкания на
землю будет меньше, но больше будет вре-
мя этого замыкания, а значит результирующее
влияние на вопросы безопасности оценить не-
просто. Кроме того, согласно принятой в мире
терминологии высокоомным заземлением ней-
трали считается то, при котором суммарный ток
замыкания на землю не превосходит 10 А — по-
добные токи никогда не были опасными в сетях
6–35 кВ, и поэтому отключать высокоомный ре-
зистор никакой необходимости нет.
Идея отключения высокоомного резистора
в нейтрали сети интересна, но нужна какая-то
дополнительная аргументация в пользу этого
технического решения, иная, нежели вопро-
сы нагрева резисторов и желание обеспечить
безопасность. Полезным было бы увидеть
и результаты компьютерного моделирования
переходных процессов в таких признанных
программах, как ATP/EMTP.
Дмитриев
М
.
В
.,
к.т.н., научный редактор журнала
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»
№
1 (58) 2020
Оригинал статьи: Импульсно-резистивный способ заземления нейтрали трехфазной электрической сети и физическая модель, его реализующая
Для электрических сетей (ЭС) среднего напряжения предлагается способ импульсно-резистивного высокоомного заземления нейтрали (ИРЗ). Соединение нейтрального (нейтралезаземляющего) резистора с контуром заземления станции или подстанции происходит при неустойчивых (перемежающихся) замыканиях на землю, когда производная напряжения в нейтрали ЭС (duN/dt) значительна. В режиме установившегося (устойчивого) однофазного замыкании на землю (УОЗЗ) в подавляющем большинстве электрических сетей (duN/dt)~ много меньше, чем при неустойчивом (НУОЗЗ), то есть (duN/dt)НУОЗЗ>>(duN/dt)~. Это позволяет эффективно управлять режимом резистивного заземления нейтрали ЭС. Теоретически доказана работоспособность импульсно-резистивного заземления и его способность устранять недостатки постоянного резистивного заземления, обусловленные повышенным током замыкания промышленной частоты. Спроектирована и изготовлена низковольтная физическая модель электрической сети с различными способами неэффективного заземления нейтрали, включая импульсно-резистивный.
