Опыт эксплуатации резистивного заземления нейтрали сети 10 кВ на ПС «Петродворец» и экспериментальное исследование токов однофазного замыкания на землю

78

Опыт эксплуатации 
резистивного заземления 
нейтрали сети 10 кВ 
на ПС «Петродворец» 
и экспериментальное 
исследование токов 
однофазного замыкания 
на землю

УДК

 621.3.053.2

Кучумов

Л

.

А

., 

к

.

т

.

н

., 

ЗАО

 «

НПФ

 «

ЭНЕРГОСОЮЗ

»

Кузнецов

А

.

А

.,

к

.

т

.

н

., 

ЗАО

 «

НПФ

 «

ЭНЕРГОСОЮЗ

»

Евдокунин

Г

.

А

., 

д

.

т

.

н

., 

профессор

СПбПУ

Титенков

С

.

С

., 

к

.

т

.

н

., 

генеральный

директор

ООО

 «

ЕГЕ

-

Энерган

»

Назарычев

А

.

Н

.,

д

.

т

.

н

., 

профессор

, 

ректор

ФГАОУ

ДПО

 «

ПЭИПК

»

Милютин

С

.

И

.,

начальник

Петродворцового

района

филиала

ПАО

 «

Ленэнерго

» — 

«

Пригородные

электрические

сети

»

Червочков

Д

.

П

., 

инженер

, 

ЗАО

 «

НПФ

«

ЭНЕРГОСОЮЗ

»

Суходоев

С

.

П

.,

диспетчер

Петродворцового

района

филиала

ПАО

 «

Ленэнерго

» — 

«

Пригородные

электрические

сети

»

В

статье

обсуждаются

особенности

режимов

однофазных

за

-

мыканий

на

землю

в

сети

 10 

кВ

с

реализованным

низкоомным

заземлением

нейтрали

. 

Сопоставляются

расчетные

и

экспери

-

ментально

полученные

данные

о

режимных

параметрах

в

опы

-

тах

металлического

замыкания

на

землю

, 

проведенных

при

изолированной

и

резистивной

нейтрали

.

Ключевые

слова

:

изолированная

нейтраль

, 

резистивно

заземленная

нейтраль

, 

токи

однофазных

замыканий

на

землю

, 

осциллографирование

процессов

Keywords:

isolated neutral, resistance earthed 
neutral, single-phase earth fault currents, 
oscillograph recording

В

опрос

о

целесообразности

различных

способов

за

-

земления

нейтрали

в

се

-

тях

 6–35 

кВ

в

последние

годы

продолжает

быть

актуальным

[1, 2, 3, 4, 5]. 

Обосновывается

воз

-

можность

отказа

от

эксплуатации

сетей

с

изолированной

нейтралью

. 

Выдержал

проверку

временем

спо

-

соб

включения

в

нейтраль

автома

-

тически

управляемых

дугогасящих

реакторов

  (

ДГР

), 

минимизирующих

реактивные

токи

в

режимах

одно

-

фазных

замыканий

на

землю

  (

ОЗЗ

) 

и

способствующих

снижению

крат

-

ности

перенапряжений

. 

Активно

развивается

в

электросетевом

комплексе

России

относительно

новое

направление

резистивного

заземления

нейтралей

, 

также

обес

-

печивающее

эффект

уменьшения

перенапряжений

в

сети

и

допол

-

нительно

повышающее

селектив

-

ность

и

надежность

работы

релей

-

ных

защит

от

ОЗЗ

, 

распознающих

поврежденное

присоединение

.

Однако

нельзя

утверждать

, 

что

в

настоящее

время

имеются

четко

сформулированные

и

общепри

-

знанные

технические

решения

. 

По

-

этому

по

-

прежнему

актуальна

про

-

блема

специфики

режимов

ОЗЗ

, 

к

а

б

е

л

ь

н

ы

е

 л

и

н

и

и

кабельные линии

79

особенно

если

она

базируется

на

полученных

экспериментальных

данных

и

корректно

разрабо

-

танных

математических

моделях

электрических

сетей

.

Рассмотрим

решение

данной

проблемы

на

примере

анализа

опыта

эксплуатации

и

резуль

-

татов

осциллографирования

напряжений

и

токов

при

металлическом

ОЗЗ

в

сети

 10 

кВ

главной

по

-

низительной

подстанции

  (

ГПП

) 

ПС

-197 «

Петро

-

дво

рец

» 

Петродворцового

района

  «

Пригородных

электрических

сетей

» 

ПАО

  «

Ленэнерго

». 

Опы

-

ты

с

ОЗЗ

проведены

при

изолированной

и

рези

-

стивно

заземленной

нейтрали

сети

в

 2008 

году

на

ПС

-197, 

где

было

реализовано

низкоомное

резистивное

заземление

нейтрали

с

активным

током

однофазного

замыкания

на

землю

поряд

-

ка

 400 A. 

На

этой

подстанции

установлены

два

силовых

трансформатора

с

расщепленными

об

-

мотками

типа

ТРДН

-63000/110/10/6 

номинальной

мощностью

 63 

МВА

, 

которые

питают

через

сдво

-

енные

токоограничивающие

реакторы

четыре

секции

 10 

кВ

и

четыре

секции

 6 

к

B. 

Причем

на

секциях

 6 

кВ

нейтраль

заземлена

через

дугога

-

сящие

реакторы

 ZTC50 190 

кВА

/6 

кВ

, 

а

на

секци

-

ях

 10 

кВ

нейтраль

заземлена

через

резисторы

NER 200 A/10 

кВ

/5 

сек

  (

производитель

 «E

ГЕ

-

Энерган

», 

г

. 

Санкт

-

Петербург

). 

Для

подтвержде

-

ния

правильности

принятого

технического

реше

-

ния

по

резистивному

заземлению

нейтрали

были

выполнены

экспе

-

риментальные

исследования

то

-

ков

ОЗЗ

на

секциях

 10 

кВ

ПС

-197 

«

Петродворец

» 

и

питаемой

сети

.

На

момент

проведения

опы

-

тов

была

создана

конфигурация

сети

, 

показанная

на

рисунке

 1. 

Она

отличается

от

схемы

сети

, 

принятой

в

нормальном

режиме

эксплуатации

. 

Какие

-

либо

на

-

грузки

отсутствовали

. 

Емкостная

составляющая

тока

ОЗЗ

в

этой

сети

обусловлена

преимуще

-

ственно

четырьмя

идентичными

по

исполнению

кабельными

ли

-

ниями

 (

КЛ

) 

Ф

1

÷

Ф

4

. 

Длина

каждого

фидера

l

КЛ

=

6,4 

км

. 

По

фидеру

Ф

1

подается

питание

от

шин

 1-

й

сек

-

ции

ГПП

на

шины

РП

. 

Фидеры

Ф

3

и

Ф

4

подключены

ко

 2-

й

сек

-

ции

ГПП

, 

связанной

с

 1-

й

сек

-

цией

через

сдвоенный

реактор

. 

Фидер

Ф

2

подключен

к

шинам

РП

. 

Каждый

из

фидеров

имеет

две

параллельно

проложенные

трехфазные

группы

однофазных

КЛ

со

СПЭ

-

изоляцией

при

сече

-

ниях

жилы

 240 

мм

2

  (

алюминий

) 

и

экрана

 70 

мм

2

  (

медь

). 

Экраны

КЛ

заземлены

с

двух

сторон

. 

При

погонной

емкости

одиноч

-

ного

кабеля

C

0

* = 0,412 

мкФ

/

км

расчетное

значение

тока

ОЗЗ

со

-

ставляет

: 

Рис

. 1. 

Схема

сети

 10 

кВ

на

момент

проведения

опытов

ОЗЗ

Сеть 110 кВ

Т

СР

ТН-1

ГПП

Фидер Ф

R

R

N

1 секция 10 кВ

Цифровой

осциллограф

«НЕВА-ИПЭ» 

№1

2 секция 10 кВ

ТТНП

Цифровой 

осциллограф

«НЕВА-ИПЭ» 

№2

ТН-2

РП

ОЗЗ

экран КЛ

u

a

,

u

b

,

u

c

,

u

0

u

a

,

u

b

,

u

c

,

u

0

i

a

,

i

b

,

i

c

i

a

,

i

b

,

i

c

i

a

,

i

b

,

i

c

3

i

0 Ф

i

экр

3

i

0

R

i

ОЗЗ

R

N

Фаза «А»

Фид

ер Ф

2

Фидер Ф

3

Фидер Ф

R

Фидер Ф

4

3

i

0 Ф

3

i

0 Ф

ГПП

3

i

0 Ф

РП

Фидер Ф

1

(аварий

ный)

ФМЗО

ФМЗО

Ячейка 

с ОЗЗ

1

1

3

4

2

N

1

N

1

N

2

1

I

ОЗЗ

 = (

U

ЛИН

/

√

3) · 



· 

C

0



 =

= (10300

/

√

3) · 314 · 63,3 · 10

-6

 = 118,3 

А

,

где

при

определении

суммарной

емкости

трех

фаз

на

землю

C

0



 = 

C

0

* · 4 · 2 · 3 · 

l 

КЛ

 = 63,3 

мкФ

учтено

наличие

четырех

идентичных

двухцепных

КЛ

.

По

результатам

опытов

емкостной

ток

ОЗЗ

при

изолированной

нейтрали

и

U

ЛИН

=

10,3 

кВ

оказался

равным

 128 

А

 (

больше

на

 8% 

расчетного

) 

при

соб

-

ственном

токе

каждого

из

фидеров

 3

Î

0

≅

 32 

А

.

Раз

-

личие

между

расчетным

и

реально

измеренным

емкостными

токами

вероятно

связано

с

неточным

учетом

длин

кабельных

линий

при

прокладке

или

неточностью

справочных

данных

по

емкости

кабе

-

ля

 (

для

разных

производителей

).

Для

улучшения

условий

работы

при

ОЗЗ

про

-

стых

токовых

защит

нулевой

последовательности

(

НП

) 

на

обеих

секциях

ГПП

постоянно

включены

присоединения

Ф

R

N

1

и

Ф

R

N

2

, 

содержащие

транс

-

форматоры

вывода

нейтрали

и

установленные

в

эти

нейтрали

резисторы

с

активным

сопротив

-

лением

R

N

 = 28,9 

Ом

. 

Это

позволяет

увеличить

полный

ток

металлического

ОЗЗ

до

значения

око

-

ло

 200 

А

при

задействовании

Ф

R

N

1

и

примерно

до

350 

А

при

одновременном

нахождении

в

работе

фидеров

заземления

нейтрали

Ф

R

N

1

и

Ф

R

N

2

. 

Расчет

-

№

 6 (45) 2017

80

Рис

. 3. 

Осциллограммы

металлического

ОЗЗ

при

изолированной

нейтрали

, 

снятые

на

РП

 (

а

) 

и

ГПП

 (

б

)

б

) 

ГПП

а

) 

РП

ная

длительность

нахождения

резисторов

под

то

-

ком

составляет

 5 

секунд

. 

Реализованная

защита

гарантированно

прекращает

режим

ОЗЗ

за

время

t

≤

 0,6 

с

. 

Фото

трансформатора

вывода

нейтрали

и

резистора

приведено

на

рисунке

 2.

Опыты

металлического

замыкания

фазы

 «

А

» 

осу

-

ществлялись

с

использованием

ячейки

на

РП

. 

С

по

-

мощью

двух

цифровых

осциллографов

при

частоте

оцифровки

 10 

кГц

велась

запись

мгновенных

значе

-

ний

фазных

напряжений

и

токов

 3

i

0

(

t

) 

всех

присоеди

-

нений

на

ГПП

и

РП

. 

При

измерении

токов

НП

были

задействованы

штатные

трансформаторы

тока

нуле

-

вой

последовательности

 (

ТТНП

) 

типа

ТЗЛ

. 

Дополни

-

тельно

с

помощью

однофазных

ТТ

осциллографиро

-

вались

фазные

токи

фидера

Ф

1

и

ток

, 

протекающий

в

режиме

ОЗЗ

по

экрану

фидера

Ф

1

.

ОПЫТ

ОЗЗ

ПРИ

ИЗОЛИРОВАННОЙ

НЕЙТРАЛИ

Начальные

фрагменты

снятых

на

РП

и

ГПП

ос

-

циллограмм

режима

ОЗЗ

при

изолированной

ней

-

трали

показаны

на

рисунке

 3. 

Фазировки

токов

соответствуют

показанным

на

рисунке

 1 

обще

-

принятым

направлениям

стрелок

от

центра

пи

-

тания

к

нагрузкам

. 

Напряжение

в

сети

во

время

проведения

опытов

поддерживалось

на

уровне

10,3 

кВ

. 

Данная

сеть

эксплуатируется

с

обрат

-

ным

чередованием

фаз

. 

Замыкание

в

узле

РП

произошло

в

момент

, 

когда

мгновенное

значение

напряжения

на

аварийной

фазе

  «

А

» 

составля

-

ло

 0,5

U

Ф

m

. 

В

момент

ОЗЗ

появляются

свободные

составляющие

токов

и

напряжений

: 

быстро

за

-

тухающие

на

частотах

 4÷6 

кГц

  (

их

интенсивность

заметно

ослабевает

в

удаленном

от

места

замы

-

кания

узле

ГПП

) 

и

затухающие

примерно

за

 20 

мс

на

частоте

 430 

Гц

. 

Первые

наибольшие

импуль

-

сы

тока

i

ОЗЗ

(

t

) 

и

напряжения

u

0

(

t

) 

являются

разно

-

полярными

, 

этот

известный

факт

используется

многими

разработчиками

защит

для

быстрого

рас

-

познания

поврежденного

присоединения

.

Обработка

показанных

на

рисунке

 3 

напря

-

жений

и

токов

  3

i

0

(

t

) 

для

установившегося

режи

-

ма

ОЗЗ

дала

следующие

значения

: 

U

Ф

=

5,95 

кВ

; 

U

ЛИН

=

10,3 

кВ

; 

I

ОЗЗ

 = 3

I

0 

ОЗЗ

 = 128 

А

; 3

I

0

РП

Ф

1

 = 96 

А

;

3

I

0

ГПП

Ф

1

 = 64 

А

; 3

I

0 

Ф

2

≅ 

3

I

0 

Ф

3

≅ 

3

I

0 

Ф

4

 = 32 

А

. 

При

ме

-

таллическом

ОЗЗ

ток

i

A 

Ф

1

(

t

) 

в

аварийном

фидере

Ф

1

практически

равен

току

i

ОЗЗ

(

t

).

Кратности

K

I

мак

-

симальных

значений

бросков

токов

  3

i

0

(

t

) 

по

отно

-

шению

к

амплитудам

установившегося

тока

соста

-

вили

: 

K

I

ОЗЗ

≅

 2,3; 

K

I

РП

Ф

1

≅

 3,7; 

K

I

ГПП

Ф

1

≅

 3,5; 

K

I

РП

Ф

2

≅

 7,6;

K

I

Ф

3

 = 

K

I

Ф

4

≅ 

3,2.

Представляет

интерес

сопоставление

измерен

-

ного

на

ГПП

тока

  3

i

0

ГПП

Ф

1

(

t

) 

в

жилах

аварийного

фи

-

дера

Ф

1

и

тока

 3

i

экр

ГПП

Ф

1

(

t

) 

в

экране

этого

фидера

. 

Для

удобства

сравнения

направление

тока

экрана

на

ос

-

циллограмме

рисунка

 3 

перевернуто

и

принято

со

-

впадающим

с

током

 3

i

0

ГПП

Ф

1

(

t

). 

Видно

, 

что

в

начальный

момент

замыкания

эти

токи

практически

совпадают

, 

но

уже

спустя

 20 

мс

ток

в

экране

снижается

на

 25% 

(

часть

тока

НП

от

РП

к

центру

питания

ГПП

возвра

-

щается

не

по

экранам

аварийного

фидера

Ф

1

).

Рис

. 2. 

Фото

одного

из

трансформаторов

вывода

нейтрали

типа

ФМЗО

-200 

кВА

и

резистора

заземления

нейтрали

 NER 200 

А

/10 

кВ

/5 

с

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

81

Рис

. 5. 

Осциллограммы

металлического

ОЗЗ

при

резистивно

заземленной

нейтрали

, 

снятые

на

РП

 (

а

) 

и

ГПП

 (

б

)

б

) 

ГПП

а

) 

РП

Узел ГПП

3

I

0 Ф

= 63 А

Г ПП

1

3

P

0 Ф

= 9 к Вт

Г ПП

1

3

Q

0 Ф

= –381 квар

Г ПП

1

3

I

0 Ф

= 94 А

РП

1

3

P

0 Ф

= 21 к Вт

РП

1

3

Q

0 Ф

= –571 к вар

РП

1

Фидер Ф

1

(аварийный)

3

I

0 Ф

= 31,5 А

2

3

P

0 Ф

= 4,5 к Вт

2

3

Q

0 Ф

= –191 квар

2

Фидер Ф

2

Ячейка 

с ОЗЗ

3

I

0 Ф

= 31,5 А = 3

I

0 Ф

3

3

P

0 Ф

= 4,5 к Вт  = 3

P

0 Ф

3

3

Q

0 Ф

= –191 к вар = 3

Q

0 Ф

3

Фидер Ф

3

Фидер Ф

4

4

4

4

Узел РП

I

0 ОЗЗ

= 126 А

P

0 ОЗЗ

= 25,5 к Вт

Q

0 ОЗЗ

= –7 62 к вар

Г

0

Рис

. 4. 

Токи

и

мощности

нулевой

последовательности

в

режиме

металлическо

-

го

ОЗЗ

при

изолированной

нейтрали

сети

Токи

i

ОЗЗ

(

t

), 3

i

0

РП

Ф

1

(

t

) 

и

  3

i

0

ГПП

Ф

1

(

t

) 

аварийного

при

-

соединения

Ф

1

отстают

от

напряжения

u

0

(

t

)

на

угол

, 

несколько

больший

 90°. 

Это

свидетельствует

о

су

-

ществовании

в

этих

цепях

встречных

  (

в

сторону

пи

-

тающей

сети

) 

потоков

ем

-

костной

реактивной

3

Q

0

и

активной

  3

P

0

мощностей

на

составляющих

токов

НП

, 

идущих

на

покрытие

по

-

терь

, 

создаваемых

токами

НП

преимущественно

в

ем

-

костно

-

активных

сопротив

-

лениях

изоляции

на

землю

. 

Токи

 3

i

0

(

t

) 

неаварийных

при

-

соединений

Ф

2

, 

Ф

3

и

Ф

4

опе

-

режают

напряжение

u

0

(

t

)

на

угол

, 

немного

меньший

 90°, 

что

соответствует

протеканию

в

этих

цепях

в

сто

-

рону

земли

емкостно

-

активной

мощности

НП

. 

Выполненные

оценки

симметричных

составля

-

ющих

напряжений

и

токов

для

установившегося

режима

ОЗЗ

в

узле

РП

позволили

получить

пока

-

занные

на

рисунке

 4 

токи

и

мощности

НП

в

местах

, 

где

установлены

кабельные

ТТНП

. 

Реактивная

мощность

емкостного

характера

имеет

знак

ми

-

нус

. 

Направления

токов

в

присоединении

с

ОЗЗ

и

в

аварийном

фидере

Ф

1

, 

связывающем

узлы

РП

и

ГПП

, 

приняты

в

сторону

питающей

сети

. 

В

присоединении

с

однофазной

закороткой

за

-

действован

своего

рода

 «

генератор

» 

НП

 (

на

рисун

-

ке

показан

как

Г

0

) 

с

вырабатываемой

мощностью

S

·

0 

ОЗЗ

 = 

S

·

0 

Г

 = 25,5 

кВт

 – 

j

762 

квар

,

идущей

на

покрытие

потерь

в

емкостно

-

активных

со

-

противлениях

изоляции

на

землю

четырех

КЛ

в

дан

-

ной

сети

. 

В

месте

возникновения

ОЗЗ

при

принятых

на

рисунке

 4 

направлениях

токов

соблюдается

ба

-

ланс

мощностей

S

·

1 

ОЗЗ

 = 

S

·

0 

ОЗЗ

 + 

S

·

2 

ОЗЗ

.

(1)

Это

свидетельствует

о

преобразовании

под

-

водимой

от

энергосистемы

мощности

S

·

1 

ОЗЗ

на

составляющих

напряжения

и

тока

прямой

после

-

довательности

в

потоки

мощности

нулевой

и

об

-

ратной

последовательностей

. 

Мощность

S

·

2 

ОЗЗ

соответствует

потерям

в

продольных

сопротивле

-

ниях

сети

от

возникающих

при

ОЗЗ

токов

обратной

последовательности

. 

На

рисунке

 4 

она

не

указана

, 

поскольку

имеет

величину

более

чем

на

 2 

порядка

меньшую

мощности

S

·

0 

ОЗЗ

. 

Признак

встречности

на

-

правлений

  (

знаков

) 

потоков

мощностей

  3

P

0

и

  3

Q

0

в

аварийном

и

неаварийных

присоединениях

ис

-

пользуется

в

направленных

защитах

от

ОЗЗ

. 

Об

определении

поврежденного

присоединения

с

по

-

мощью

используемых

в

данной

сети

ненаправлен

-

ных

токовых

защит

с

рабочими

сигналами

 «

модули

токов

 3

I

0

» 

говорится

ниже

.

ОПЫТ

ОЗЗ

ПРИ

ЗАЗЕМЛЕНИИ

НЕЙТРАЛИ

ЧЕРЕЗ

РЕЗИСТОР

На

рисунке

 5 

приведены

осциллограммы

процессов

металлического

ОЗЗ

при

включении

на

ГПП

фидера

Ф

R

N

1

, 

создающего

условия

заземления

нейтрали

че

-

рез

низкоомный

резистор

R

N

1

≅

 28,9 

Ом

. 

На

них

до

-

полнительно

к

переменным

, 

показанным

на

рисун

-

ке

 3, 

отображен

ток

 3

i

0 

Ф

R

N

1

(

t

) 

в

фидере

с

резистором

. 

№

 6 (45) 2017

82

Одинаковый

масштаб

осциллограмм

на

всех

рисун

-

ках

облегчает

их

сопоставление

. 

Измеренное

действующее

значение

установив

-

шегося

тока

ОЗЗ

при

включении

резистора

в

ней

-

трали

сети

составило

 193,5 

А

, 

что

в

 1,5 

раза

больше

собственного

емкостного

тока

сети

при

изолирован

-

ной

нейтрали

I

ОЗЗ

 = 128 

А

. 

При

этом

активная

состав

-

ляющая

тока

равна

 171 

А

и

реактивная

 90 

А

. 

Важно

отметить

, 

что

полученное

на

практике

значение

тока

193,5 

А

на

 20% 

меньше

по

сравнению

с

часто

выпол

-

няемыми

оценочными

расчетами

по

формуле

:

____________

________________

I

ОЗЗ

 = 

√

I

2

емк

 + 

I

2

акт

 = 

√

128

2

 + 206

2

 = 242,5 

А

,

где

емкостная

составляющая

равна

току

ОЗЗ

в

сети

с

изолированной

нейтралью

, 

а

активная

со

-

ставляющая

U

Л

10300 

I

акт

 = — · 

R

N

1

 = —  · 28,9 = 206 

А

√

3 

√

3

соответствует

ожидаемому

току

резистора

. 

Сниже

-

ние

тока

ОЗЗ

в

данном

случае

обусловлено

вклю

-

чением

резистора

в

нейтраль

маломощного

транс

-

форматора

вывода

нейтрали

типа

ФМЗО

-200 (

S

Тном

 = 

200 

кВА

, 

U

ном

 = 11 

кВ

, 

u

k

 = 4 %, 



P

КЗ

 = 2 

кВт

), 

имеюще

-

го

значительные

сопротивления

U

2

ном

 11

2

 · 10

9

r

Т

 = 



P

КЗ

 · — = 2 · — = 6,05 

Ом

;

S

2

ном

 200

2

 · 10

6

U

2

ном

 11

2

 · 10

6

x

Т

 = 

u

k

 · — = 2 · — = 6,05 

Ом

.

S

ном

200 · 10

3

В

результате

заземляющий

фидер

Ф

R

N

1

представ

-

ляет

собой

активно

-

индуктивное

заземление

ней

-

трали

с

индуктивным

сопротивлением

x

Ф

R

N

1

 = 

x

Т

 / 3 = 8,1 

Ом

и

активным

сопротивлением

r

Ф

R

N

1

 = 

r

Т

 / 3 + 

R

N

1

 = 31 

Ом

. 

Это

индуктивное

сопротивление

трансформа

-

тора

вывода

нейтрали

создает

эффект

компенса

-

ции

части

емкостной

составляющей

тока

ОЗЗ

: 

она

уменьшается

на

 30% 

по

сравнению

с

исходным

зна

-

чением

 128 

А

. 

Влияние

ин

-

дуктивного

сопротивления

трансформатора

привело

к

уменьшению

на

 17% 

так

-

же

и

расчетного

значения

активной

составляющей

тока

ОЗЗ

.

Согласно

рисунку

 5 

в

мо

-

мент

замыкания

фазы

  «

А

» 

напряжение

было

близко

к

амплитудному

значению

. 

Следствием

этого

являются

повышенная

интенсивность

свободных

колебаний

и

по

-

вышенные

броски

токов

нулевой

последовательно

-

сти

в

присоединениях

по

сравнению

с

подобными

проявлениями

на

рисун

-

ке

 3. 

Важно

подчеркнуть

, 

что

резистор

, 

включенный

в

нейтраль

сети

последовательно

с

индуктивным

со

-

противлением

маломощного

заземляющего

транс

-

форматора

, 

практически

не

повлиял

на

частоты

, 

амплитуды

и

время

затухания

свободных

составля

-

ющих

токов

и

напряжений

, 

на

кратность

перенапря

-

жений

в

переходном

процессе

ОЗЗ

. 

Это

согласуется

с

выводами

авторов

 [4].

Установка

в

нейтрали

низкоомного

резисто

-

ра

принципиально

изменила

фазовый

сдвиг



0

между

напряжением

u

0

(

t

) 

и

током

i

ОЗЗ

(

t

) 

в

ветви

ОЗЗ

, 

а

также

фазовый

сдвиг

между

u

0

(

t

) 

и

током

3

i

0 

Ф

1

(

t

) 

в

 «

аварийном

» 

фидере

Ф

1

. 

Ток

ОЗЗ

отстает

от

напряжения

примерно

на

угол

 152º, 

а

это

соот

-

ветствует

наличию

в

месте

ОЗЗ

 «

генератора

» 

НП

с

мощностью

S

·

0 

Г

 = 1090 

кВт

 – 

j

446 

квар

, 

покрывающего

активно

-

реактивные

потери

в

сети

.

Распределение

по

резистивно

-

заземленной

сети

токов

и

мощностей

НП

представлено

на

рисунке

 6. 

Необходимое

для

работы

токовых

защит

увеличе

-

ние

токов

 3

I

0

достигнуто

только

в

аварийном

фиде

-

ре

Ф

1

. 

Токи

и

мощности

НП

неаварийных

фидеров

остались

на

тех

же

уровнях

, 

что

на

рисунке

 4 

для

сети

с

изолированной

нейтралью

, 

однако

покрытие

(

компенсация

) 

емкостных

составляющих

 3

Q

0

потерь

в

изоляции

здесь

идет

не

только

со

стороны

  «

гене

-

ратора

» 

НП

, 

но

также

в

доле

 ~30% 

и

от

имеющегося

в

фидере

Ф

R

N

1

индуктивного

сопротивления

нейтра

-

леобразующего

трансформатора

. 

При

наличии

резистора

в

сети

образуется

контур

«

ячейка

с

ОЗЗ

 — 

аварийный

фидер

Ф

1

 — 

заземля

-

ющий

фидер

Ф

R

N

1

», 

по

которому

от

места

ОЗЗ

к

ре

-

зистору

R

N

1

кратковременно

 (

доли

секунды

) 

переда

-

ется

активная

мощность

  3

P

0

, 

соизмеримая

с

 1 

МВт

. 

Это

создает

предпосылки

для

селективной

работы

так

называемых

  «

ваттметровых

» 

направленных

за

-

щит

, 

имеющих

код

 ANSI 32 

и

ориентированных

на

измерение

и

сопоставление

протекающих

по

при

-

соединениям

потоков

активных

мощностей

НП

. 

Но

Узел ГПП

3

I

0 Ф

= 181,5 А

Г ПП

1

3

P

0 Ф

= 1076 к Вт

Г ПП

1

3

Q

0 Ф

= –81 квар

Г ПП

1

3

I

0 Ф

= 187 А

РП

1

3

P

0 Ф

= 1086 к Вт

РП

1

3

Q

0 Ф

= –261 к вар

РП

1

Фидер Ф

1

(авари

й

ный)

3

I

0 Ф

= 31 А

2

3

P

0 Ф

= 4,3 к Вт

2

3

Q

0 Ф

= –185 к вар

2

Фидер Ф

2

Ячейка 

с ОЗЗ

3

I

0Ф

= 30,5 А = 3

I

0 Ф

3

3

P

0Ф

= 4,3 к Вт  = 3

P

0 Ф

3

3

Q

0Ф

= –182 к вар = 3

Q

0 Ф

3

Фиде

р Ф

3

Фидер Ф

4

4

4

4

Узел РП

I

0 ОЗЗ

= 197 А

P

0 ОЗЗ

= 1090 к Вт

Q

0 ОЗЗ

= –446 к вар

Фидер Ф

R

N

1

3

I

0 Ф

= 185 А

R

3

P

0 Ф

= 1067 к Вт

3

Q

0 Ф

= 284 к вар

N

1

R

N

1

R

N

1

Г

0

Рис

. 6. 

Токи

и

мощности

нулевой

последовательности

в

режиме

металлического

ОЗЗ

при

резистивно

заземленной

нейтрали

сети

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

83

в

рассматриваемой

сети

полагалось

более

простым

и

надежным

решением

построение

ненаправленных

действующих

на

отключение

токовых

защит

от

ОЗЗ

с

рабочими

сигналами

  «

модули

тока

  3

I

0

» 

частоты

50 

Гц

.

Выполненные

измерения

и

расчеты

позволяют

высказать

определенные

замечания

в

отношении

такого

технического

решения

.

В

сетях

с

изолированной

нейтралью

активными

составляющими

токов

НП

можно

пренебречь

и

пола

-

гать

наличие

только

реактивных

токов

 3

I

0

в

аварий

-

ном

и

неаварийных

присоединениях

. 

Это

позволяет

применить

простые

алгоритмы

для

выбора

условий

срабатывания

защит

I

СР

.

З

.

. 

При

возникновении

метал

-

лического

ОЗЗ

в

одном

из

присоединений

к

шинам

питания

, 

уставку

I

СР

.

З

.

принято

 [6] 

выбрать

из

диапа

-

зона

 (2).

3

I

0 

защ

.

min

 / 

K

Ч

≥

I

СР

.

З

.

≥

K

отстр

 · 3

Î

0 

max

,

3

I

0 

защ

.

min

 = 

I

ОЗЗ

 – 3

Î

0 

max

, 

(2)

где

 3

Î

0 

max

 — 

емкостный

ток

НП

присоединения

с

наи

-

большим

вкладом

в

I

ОЗЗ

; 3

I

0 

защ

.

min

 — 

минимальное

значение

тока

  3

I

0

, 

измеряемого

трансформатором

ТТНП

аварийного

присоединения

; 

K

Ч

 — 

коэффици

-

ент

чувствительности

защиты

; 

K

отстр

 — 

коэффициент

, 

учитывающий

повышение

токов

  3

I

0

неаварийных

присоединений

в

переходных

режимах

ОЗЗ

.

По

требованию

первого

неравенства

в

 (2) 

уставка

I

СР

.

З

.

должна

быть

в

K

Ч

раз

меньше

тока

 3

I

0 

защ

.

min

, 

кото

-

рый

фиксируется

защитой

в

случае

ОЗЗ

в

присоеди

-

нении

с

наибольшим

собственным

током

  3

Î

0 

max

. 

По

второму

неравенству

 (2) 

уставка

с

определенным

за

-

пасом

должна

превышать

токи

 3

Î

0

в

каждом

из

непо

-

врежденных

присоединений

. 

В

итоге

из

 (2) 

следует

, 

что

организовать

селективную

работу

токовой

защи

-

ты

можно

только

при

долевых

вкладах

 3

Î

0

отдельных

присоединений

в

токи

I

ОЗЗ

, 

не

превышающих

I

ОЗЗ

3

Î

0 

max

≤

 —, (3)

 1 

+ 

K

Ч

 · 

K

отстр

что

при

обычно

принимаемых

коэффициентах

K

Ч

 = 1,5

и

K

отстр

 = 1,8 

дает

не

всегда

выполнимые

усло

вия

3

Î

0 

max

≤

 0,27 · 

I

ОЗЗ

.

В

рассматриваемой

сети

в

случае

изоли

-

рованной

нейтрали

и

токе

I

ОЗЗ

 = 128 

А

усло

-

вия

 (2) 

и

 (3) 

явно

не

удовлетворяются

в

узле

ГПП

, 

где

ток

фидера

Ф

1

  3

Î

0 

max

≅

 64 

А

и

составля

-

ет

 50% 

от

I

ОЗЗ

, 

а

эти

же

условия

в

узле

РП

при

3

Î

0 

max

≅ 

0,25 · 

I

ОЗЗ

 = 32 

А

находятся

на

грани

до

-

пустимых

. 

Положение

должно

усугубляться

в

ре

-

монтных

режимах

, 

когда

сокращается

число

присоединений

, 

а

также

в

случаях

однофазных

замыканий

через

переходное

сопротивление

. 

По

-

этому

в

данной

сети

было

предусмотрено

увеличе

-

ние

тока

ОЗЗ

за

счет

заземления

нейтрали

через

низкоомные

резисторы

, 

включенные

в

нейтрали

трансформаторов

на

фидерах

Ф

R

N

1

и

Ф

R

N

2

. 

Для

слу

-

чая

резистивно

заземленной

нейтрали

получить

выражения

аналогичные

 (2) 

и

 (3) 

затруднительно

в

связи

с

появлением

больших

угловых

сдвигов

векторов

тока

I

·

ОЗЗ

и

Î

·

0 

max

, 

а

также

из

-

за

показанного

выше

влияния

на

результаты

индуктивного

сопро

-

тивления

заземляющих

трансформаторов

. 

Поэто

-

му

обратимся

к

результатам

измерений

и

расчетов

с

использованием

математической

модели

.

Применение

в

нейтрали

одного

резистора

 (

фи

-

дер

Ф

R

N

1

) 

согласно

данным

опыта

привело

к

уве

-

личению

тока

I

ОЗЗ

в

 1,5 

раза

до

значения

 193,5 

А

. 

Этого

вполне

достаточно

для

надежной

работы

защит

, 

определяющих

аварийное

присоединение

в

узле

РП

. 

Но

для

выполнения

требований

по

чув

-

ствительности

действующих

на

отключение

защит

в

узле

ГПП

, 

где

имеются

присоединения

с

собствен

-

ным

током

  3

Î

0

, 

близким

к

 50% 

от

емкостного

тока

ОЗЗ

, 

было

признано

правильным

использовать

в

рабочем

режиме

по

одному

резистору

на

каж

-

дой

секции

шин

ГПП

, 

несмотря

на

то

, 

что

смежные

секции

связаны

между

собой

сдвоенным

токоогра

-

ничивающим

реактором

с

незначительным

сопро

-

тивлением

для

токов

НП

, 

доведя

ток

ОЗЗ

до

значе

-

ния

I

ОЗЗ

 = 360 

А

, 

превышающего

значение

тока

ОЗЗ

при

изолированной

нейтрали

в

 360/128 

≅

 2,8 

раза

. 

Это

решение

согласуется

с

мнением

многих

спе

-

циалистов

о

необходимости

иметь

активную

со

-

ставляющую

тока

ОЗЗ

, 

в

 2÷4 

раза

превышающую

собственный

емкостной

ток

ОЗЗ

для

обеспечения

устойчивого

горения

дуги

в

месте

замыкания

 [2, 7].

Итак

, 

резистивное

заземление

нейтрали

приво

-

дит

к

появлению

в

сети

кратковременных

токов

НП

величиной

до

сотен

ампер

. 

Однако

это

не

является

недостатком

такого

технического

решения

, 

так

как

эти

токи

автоматически

отключаются

за

время

до

1 

секунды

, 

что

не

снижает

уровень

безопасности

эксплуатации

за

счет

больших

термических

тепло

-

выделений

в

месте

замыкания

. 

При

этом

следует

помнить

, 

что

междуфазные

КЗ

создают

в

сети

токи

величиной

в

единицы

-

десятки

килоампер

, 

и

обо

-

рудование

 (

ВЛ

, 

КЛ

, 

ячейки

) 

такие

воздействия

при

сопоставимом

времени

отключения

выдерживает

. 

Быстрое

отключение

ОЗЗ

в

сети

с

резистивным

заземлением

нейтрали

практически

исключает

ве

-

роятность

перехода

ОЗЗ

в

междуфазные

КЗ

, 

а

при

использовании

однофазных

кабелей

с

изоляцией

из

СПЭ

всегда

  (

некоторая

вероятность

перехода

ОЗЗ

в

многофазное

КЗ

остается

только

при

ОЗЗ

на

секциях

шин

ПС

, 

РП

и

ТП

). 

Отметим

однако

, 

что

нежелательно

за

счет

низкоомных

резисто

-

ров

создавать

повышенные

токи

ОЗЗ

в

воздушных

и

воздушно

-

кабельных

сетях

, 

так

как

в

этих

сетях

применение

дугогасящих

реакторов

более

оправ

-

данно

по

причине

возможного

устранения

ими

ОЗЗ

, 

вызванных

перекрытием

воздушной

изоля

-

ции

на

ВЛ

 [3, 8].

Каждый

режим

нейтрали

 (

заземление

через

ДГР

или

резистор

) 

требует

своего

подхода

к

организации

РЗ

от

ОЗЗ

. 

Востребованными

могут

быть

как

про

-

стые

токовые

защиты

от

замыканий

на

землю

, 

так

и

направленные

защиты

 (

по

направлению

активной

составляющей

тока

замыкания

на

землю

, 

по

на

-

правлению

активной

мощности

нулевой

последова

-

тельности

). 

Возможно

также

применение

защит

на

основе

анализа

параметров

переходного

режима

в

момент

возникновения

замыкания

на

землю

.

№

 6 (45) 2017

84

В

любом

случае

при

выборе

режима

заземле

-

ния

нейтрали

в

сети

следует

отказаться

от

при

-

менения

чисто

изолированной

нейтрали

и

выбор

делать

между

применением

резистивного

зазем

-

ления

нейтрали

и

заземления

нейтрали

через

дугогасящий

реактор

. 

В

последнем

случае

пред

-

почтительно

использовать

дугогасящие

реакто

-

ры

с

шунтирующим

низковольным

резистором

на

вспомогательной

обмотке

 500 

В

реактора

 [3].

На

настоящий

момент

опыт

эксплуатации

низко

-

омного

резистивного

заземления

нейтрали

на

ПС

 197 

«

Петродворец

» 

и

резисторов

 NER 200 

А

/10 

кВ

/5 

со

-

ставляет

 9 

лет

. 

За

этот

срок

было

зафиксировано

12 

однофазных

повреждений

изоляции

, 

в

том

чис

-

ле

 8 

механических

повреждений

при

производстве

земляных

работ

и

резистивное

заземление

нейтра

-

ли

показало

себя

с

наилучшей

стороны

. 

Сеть

 10 

кВ

ПС

-197 «

Петродворец

» 

эксплуатируется

с

высокой

надежностью

, 

ОЗЗ

отключаются

средствами

РЗ

и

ни

разу

не

привели

к

развитию

аварий

с

переходом

в

двойные

и

многоместные

повреждения

изоляции

. 

Повреждения

трансформаторов

напряжения

, 

свя

-

занные

с

ОЗЗ

, 

отсутствуют

. 

Какого

-

либо

негативно

-

го

влияния

на

надежность

эксплуатации

сетей

 10 

кВ

и

объем

разрушения

оборудования

в

месте

повреж

-

дения

в

связи

с

применением

низкоомного

резистив

-

ного

заземления

нейтрали

не

выявлено

.

ВЫВОДЫ

1. 

Результаты

всесторонне

проведенного

анализа

осциллограмм

напряжений

и

токов

в

опытах

ме

-

таллического

ОЗЗ

в

сети

 10 

кВ

при

изолированной

и

резистивно

заземленной

нейтрали

являются

по

-

лезными

специалистам

в

связи

с

намечающейся

тенденцией

эксплуатации

сетей

 6–35 

кВ

с

зазем

-

ленными

через

резистор

нейтралями

.

2. 

При

использовании

для

подключения

резисторов

маломощных

нейтралеобразующих

трансформа

-

торов

следует

учитывать

влияние

их

индуктив

-

ного

сопротивления

на

реактивную

и

активную

составляющие

тока

ОЗЗ

, 

приводящее

к

уменьше

-

нию

модуля

этого

тока

 (

для

обсуждаемого

опыта

в

пределах

до

 30%).

3. 

Техническое

решение

о

применении

низкоомно

-

го

резистивного

заземления

нейтрали

создает

благоприятные

режимы

эксплуатации

в

кабель

-

ных

сетях

с

точки

зрения

ограничения

пере

-

напряжений

при

однофазных

замыканиях

на

землю

и

организации

селективной

релейной

защиты

. 



ЛИТЕРАТУРА

1. 

Миронов

И

.

А

. 

Режимы

заземления

нейтрали

в

электрических

сетях

6–35 

кВ

 // 

Электрические

станции

, 

2008, 

№

 4. 

С

. 60–69.

2. 

Евдокунин

Г

.

А

., 

Титенков

С

.

С

. 

Ре

-

зистивное

заземление

нейтрали

сетей

 6–10 

кВ

. 

СПб

: 

Изд

-

во

  «

Тер

-

ция

», 2009. 264 

с

.

3. 

Назарычев

А

.

Н

., 

Титенков

С

.

С

., 

Пугачев

А

.

А

. 

Комплексные

инно

-

вационные

решения

по

заземле

-

нию

нейтралей

в

сетях

 6–35 

кВ

// 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

. 

Передача

и

распределение

, 2016, 

№

 3(36). 

С

. 82–88.

4. 

Назарычев

А

.

Н

., 

Пугачев

А

.

А

., 

Ти

-

тенков

С

.

С

. 

Комбинированное

за

-

земление

нейтрали

в

сетях

 6–35 

кВ

. 

Мифы

и

реальность

 // 

Ч

. 1. 

Новости

ЭлектроТехники

, 2016, 

№

 3(99), 

С

. 2–5; 

Ч

. 2. 

Новости

ЭлектроТехни

-

ки

, 

№

 6(102). URL: http://www.news.

elteh.ru/arh/2016/102/04.php.

5. 

Ширковец

А

.

И

. 

и

др

. 

Комбиниро

-

ванное

заземление

нейтрали

: 

фак

-

тор

повышения

эксплуатационной

надежности

сетей

 6–35 

В

 // 

Новости

ЭлектроТехники

, 2016, 

№

 5(101). 

URL: http://www.news.elteh.ru/arh/
2016/101/03.php; 

Новос

ти

Электро

-

Техники

, 2016, 

№

 6(102). URL:

http://news.elteh.ru/arh/2016/102/03.
php.

6. 

Шалин

А

.

И

. 

Замыкания