52
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
КУЖЕКОВ С.Л.,
профессор, ЮРГТУ (НПИ),
ХНЫЧЁВ В.А.,
генеральный директор,
ШУПИКОВ А.А.,
начальник службы РЗиА и изоляции,
ОАО «Пятигорские электрические сети»
РЕЖИМ НЕЙТРАЛИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 6–20 КВ
О
собенностью распределительных элек-
трических сетей напряжением 6—35 кВ,
включая городские электрические сети,
является наличие у применяемого в них обору-
дования достаточно большого запаса электриче-
ской прочности фазной изоляции (относительно
земли), допускающего работу с увеличенным
фазным напряжением до номинального линей-
ного. По этой причине нормативные материалы
предписывают считать режим изолированной
нейтрали (
I — сеть
) для таких сетей основным.
Данный режим получил исключительно широкое
распространение, так как допускает работу сети
с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в
течение времени, достаточного для отыскания
повреждённого участка, подачи резервного
питания на электроприёмники или их отключе-
ния вручную. В сетях большой ёмкостью фаз
осуществляется компенсация тока ОЗЗ с помо-
щью дугогасящего реактора (
L — сеть
), имею-
щего автоматическую резонансную настройку на
ёмкость сети.
Однако опыт эксплуатации показал, что
значительная часть ОЗЗ в сети с изолирован-
ной нейтралью не является металлическим
замыканием, а имеет дуговой характер, причём
в ряде случаев электрическая дуга является
перемежающейся (неоднократно зажигающейся
и погасающей при ОЗЗ). Напряжение на непо-
вреждённых фазах относительно земли в таком
процессе достигает 3—3,5 и более значений
номинального фазного, что крайне опасно для
изоляции кабельных и воздушных линий.
Указанное обстоятельство объясняет причину
не только пробоев при ОЗЗ изоляции кабельных
и воздушных линий, но также электродвигателей
напряжением выше 1 кВ, и перехода ОЗЗ в двой-
ные и многоместные замыкания.
С целью исключения подобных явлений во
многих странах используются режимы работы
сети с высокоомным (
R
В
— сеть
) и низкоомным
(
R
Н
— сеть
) резистивными заземлениями нейтра-
ли. Наряду с этим в некоторых странах исполь-
зуется режим низкоомного индуктивного (
L
Н
—
сеть),
комбинированного (
L — R — сеть
), а также
эффективного заземления нейтрали (
G — сеть
).
Следует отметить, что заземление нейтрали с
помощью дугогасящего реактора можно назвать
высокоомным индуктивным заземлением (
L
В
—
сеть
).
Повышенные перенапряжения могут быть
снижены путём применения быстродействующе-
го автоматического шунтирования (заземления)
повреждённой фазы специальным устройством
автоматики — АЗФ, — однако в России этот вид
автоматики практически не применяется.
В мировой практике режимы заземления нейтра-
ли примерно такие же, как и в России, т.е. сети
напряжением 6—10 кВ подразделяются на компен-
сированные и некомпенсированные. Исключения
составляют электрические сети США, Канады и
других стран, в которых нейтраль заземлена наглу-
хо или через низкоомный элемент (резистор или
дроссель), т.е. однофазное замыкание является
коротким замыканием, поэтому оно отключается
действием релейной защиты.
НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ
Существуют два подхода к осуществлению
низкоомного заземления нейтрали:
53
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
•
заземление, обеспечивающее действие
простых токовых защит от замыкания на
землю;
• заземление, обеспечивающее срабатывание
при ОЗЗ токовых защит от двойных замыка-
ний на землю.
В первом случае речь идёт о дополнительном
токе, проходящем через нейтраль и превышаю-
щем ёмкостный ток ОЗЗ примерно в три раза. Во
втором случае дополнительный ток значительно
больше и в зависимости от токов нагрузочного
режима достигает 300—1000 А.
Низкоомное заземление нейтрали можно
разделить на два вида: резистивное и индуктив-
ное. Указанные виды в свою очередь делятся на
длительное и кратковременное. При длительном
заземлении дополнительный элемент (низко-
омный резистор или индуктивность) постоянно
включён в цепи, соединяющей нейтраль с
землёй. Кратковременное заземление заключа-
ется в том, что указанный элемент подключается
при появлении ОЗЗ, например по факту появле-
ния в сети значительного напряжения нулевой
последовательности.
За рубежом в основном получило распро-
странение длительное низкоомное резистивное
заземление нейтрали. Длительное низкоомное
индуктивное заземление нейтрали применялось
в Германии (г. Франкфурт-на-Майне, ограничен-
ный ток однофазного КЗ 800 А; г. Ганновер, огра-
ниченный ток однофазного КЗ 825 А).
В настоящее время в России при низко-
омном заземлении нейтрали в основном
применяется длительное резистивное
заземление, обеспечивающее работу
простых токовых защит от ОЗЗ.
Основными целями низкоомного
заземления нейтрали сети являются:
уменьшение переходных перенапря-
жений на неповреждённых фазах при
пробоях изоляции, исключение возмож-
ности перехода пробоя изоляции в
дуговое прерывистое ОЗЗ, обеспече-
ние устойчивости функционирования
наиболее простых и надёжных токовых
защит нулевой последовательности;
уменьшение объёма повреждения элек-
трооборудования сети, прежде всего
электродвигателей и генераторов,
током ОЗЗ за счёт быстрого отключе-
ния повреждения.
Низкоомное индуктивное заземление нейтра-
ли практически не имеет затруднений с обеспе-
чением термической стойкости индуктивности,
так как потери активной мощности и энергии
в указанном элементе пренебрежимо малы по
сравнению с резистором того же назначения.
КРАТКОВРЕМЕННОЕ НИЗКООМНОЕ
ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ
Известные технические решения по рези-
стивному заземлению нейтрали часто не
обеспечивают повышение эффективности
функционирования кабельной сети. В частно-
сти, при высокоомном резистивном заземлении
нейтрали (R
в
— сеть) повторные пробои изоля-
ции возникают более часто, чем в
L
в
— сети.
Использование режима низкоомного резистив-
ного заземления нейтрали (R
н
— сеть) связано
с некоторыми капиталовложениями, т.к. необ-
ходима установка специальных чувствительных
защит от замыканий на землю. Кроме того,
во-первых, следует учитывать, что при частых
повторных замыканиях на землю термическая
стойкость резисторов может оказаться недо-
статочной. Во-вторых, после отключения замы-
кания на землю затруднено быстрое отыскание
места повреждения, так как промышленные
указатели тока короткого замыкания не реаги-
руют на токи ОЗЗ при низкоомном резистивном
заземлении нейтрали.
54
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
Нами был предложен и внедрён в 2008 г.
на участке электрической сети напряжением
10 кВ г. Пятигорска режим кратковременного
низкоомного индуктивного заземления нейтра-
ли распределительной электрической сети
(
L
н
— сеть). В соответствии с этим предложением
на участке сети (наиболее целесообразно — в
центре питания) устанавливается специальный
силовой трансформатор со схемой соединения
«звезда — треугольник». Нейтраль обмотки,
соединённой в звезду, заземляется. Возможно
включение в цепи заземления нейтрали дроссе-
лей. Указанный трансформатор подключается
выключателем к источнику питания при замы-
кании на землю, т.е. при появлении на шинах
питания напряжения нулевой последовательно-
сти
U
0
. Подключение трансформатора переводит
сеть из режима
I
— сети или
L
в
— сети в режим
L
н
— сети, т.е. низкоомного индуктивного зазем-
ления нейтрали. Значение тока однофазного
замыкания на землю в
L
н
— сети должно быть
достаточным для срабатывания специальных
указателей тока короткого замыкании. Следует
подчеркнуть, что использование указателей тока
короткого замыкания (УТКЗ) в данном режиме
нейтрали электрической сети является эффек-
тивным средством для быстрого отыскания
участка электрической сети с ОЗЗ и последую-
щего восстановления электроснабжения.
Токи ОЗЗ в
L
н
— сети должны отключаться
автоматически действием существующих доста-
точно грубых устройств релейной защиты, реаги-
рующих либо на токи нулевой последовательно-
сти, либо на фазные токи. Время существования
режима
L
н
— сети должно быть минимальным,
что обеспечивается автоматическим отключени-
ем специального трансформатора от источника
питания по истечении максимально допустимого
времени.
Специальные трансформаторы могут быть
подключены к шинам подстанций — центров
питания, а также к шинам распределительных
пунктов (РП) городских электрических сетей. Это
обстоятельство предъявляет дополнительные
требования к релейной защите электрической
сети.
На рис. 1 приведён фрагмент участка кабель-
ной сети, включающей в себя подстанцию энер-
госнабжающей 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 распредели-
тельного пункта РП1 (на рис. 1 с целью упро-
щения показана только одна секция шин РП1).
К С1 подключена также питающая линии 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 отключён-
ный выключатель Q9 подключён специальный
заземляющий трансформатор Т.
Защита и автоматика специального трансфор-
матора:
должна обеспечивать автоматическое включе-
ние трансформатора по напряжению 3
U
0
;
• должна обеспечивать автоматическое отклю-
чение трансформатора по истечении
заданной выдержки времени;
• должны также иметься устройства
защиты, предусмотренные ПУЭ;
• при необходимости должна осущест-
влять функцию автоматического
повторного включения (АПВ).
Защита и автоматика, действующая
на вводной выключатель Q5 РП1:
• с выдержкой времени должна действо-
вать на отключение выключателя Q5
при ОЗЗ на линии W1;
• должна сформировать команду на
отключение выключателя Q5 по исте-
чении заданного времени при суще-
ствовании режима
L
н
— сети (на случай
отказа в отключении выключателя Q9).
Q2
Q5
Q7
Q8
Q1
Q4
W1
W3
W4
T
Q9
W2
Q3
Q6
C2
C1
РП1
РП2
ЦП
W5
W6
ТП1
ТП2
ТП1
Q7
Рис. 1. Фрагмент участка кабельной сети
напряжением 6—10 кВ
55
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
Рис. 2. Расчетная схема участка сети 6—10 кВ
Защита питающей линии W1, установленная
в ЦП и действующая на отключение выключате-
ля Q2, должна обладать свойством изменения
чувствительности при наличии на шинах ЦП
напряжения 3
U
0
. Указанное требование предъ-
явлено для обеспечения отключения выключа-
теля 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 режиме
L
н
—
сети. Указанное условие не сложно в реали-
зации.
Защиты распределительных линий (W3, W4,
W5, W6) должны быть выполнены в виде токо-
вых отсечек нулевой последовательности, а
остальных питающих линий, кроме W1 (напри-
мер, 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 выключа-
теля РП1 (на рис. 1 этот выключатель не показан)
Рис. 3. Комплексная схема замещения участка
L
н
— сети 6 — 10 кВ при ОЗЗ
должна обладать теми же свойства-
ми, как и у вводного выключателя на
секцию шин РП1.
Расчётная схема участка
L
н
— сети
с ОЗЗ (рис. 2) включает в себя ЭДС
источника питания на ЦП, эквива-
лентные сопротивления системы и
питающей линии, силовой транс-
форматор со схемой соединения
«звезда с заземлённой нейтралью
— треугольник», а также сопротив-
ления отходящей линии, причём в
цепь протекания тока ОЗЗ должны
входить сопротивление заземления
РП и сопротивление растеканию тока
в точке замыкания на землю.
На основе расчётной схемы состав-
лена комплексная схема замещения указанного
участка при ОЗЗ (рис. 3).
Значения тока
I
(1)
к.пред
при U
ном.т
= 10 кВ приве-
дены в табл.1.
Следует отметить, что в выражении не учиты-
ваются индуктивные и активные сопротивления
питающей системы (включая силовой трансфор-
матор 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 разра-
ботана математическая модель режима на базе
программного комплекса
Matlab
.
Предложенный режим кратковременного
низкоомного индуктивного заземления нейтрали
электрической сети напряжением 6—10 кВ логи-
чески замыкает совокупность режимов нейтрали
таких сетей, что представлено в табл. 2.
Уровень тока искусственного КЗ и продол-
жительность режима
L
н
— сети ограничивается
Табл. 1. Значения
I
(1)
к.пред
при U
ном.т
= 10 кВ
S
ном.т
, кВА
63
100
250
400
560
630
1000
I
(1)
к.пред
, А
219
347
868
1388
1943
2186
3470
56
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
условиями электробезопасности. В частности,
при продолжительности режима не более 0,08 с
напряжение прикосновения на контурах зазем-
ления электроустановок до 1 кВ не должно
превышать 550 В.
В сетях электроснабжения городов данное
предложение может дать значительный эконо-
мический эффект, обусловленный практическим
Табл. 2. Совокупность режимов нейтрали распределительных электрических сетей
напряжением 6—10 кВ
Наименова-
ние режима
нейтрали
I
— сеть
R — сеть
L — сеть
R
В
— сеть
R
Н
— сеть
L
В
— сеть
L
Н
— сеть
Характе-
ристика
режима
нейтрали
Нейтраль
изолирована
I
з.з
=
3U
ф.норм
•
С
ф
U
ф.неп
3,5U
ф.норм
I
R
I
з.з
U
ф.неп
(1,8–2) x
x U
ф.норм
Следует
учитывать
невысокую
термическую
стойкость
резисторов
I
R
(3–4)
I
з.з
U
ф.неп
(1,8–2) x
x U
ф.норм
ОЗЗ отключается
быстродействующей
токовой защитой
нулевой последователь-
ности.
Следует учитывать
невысокую термическую
стойкость резисторов
I
L
I
з.з
U
ф.неп
(2,2–2,4) x
x U
ф.норм
Требуется
специальная
автоматика
настройки ДГР
I
L
I
cр.уткз
I
L
I
з.з
U
ф.неп
U
ф.норм
Необходимо
учитывать
возможность
выноса потен-
циала в сеть
напряжением до
1 кВ
Примечание:
U
ф.неп
— напряжение неповреждённой фазы относительно земли;
I
з.з
— ёмкостный ток замыкания на землю;
С
ф
— суммарная ёмкость участка сети относительно земли;
I
ср.уткз
— ток срабатывания указателя тока короткого замыкания;
I
R
,
I
L
, — токи через резистор или индуктивность соответственно при ОЗЗ.
исключением возможности перехода ОЗЗ
в двойные и даже тройные замыкания на
землю, затрагивающие три и более кабельных
линий.
Кратковременный режим
L
н
— сети накопил
положительный опыт эксплуатации в течение
более чем четырёх лет. Во время эксплуатации
не наблюдались многоместные замыкания на
землю. Благодаря проведённой работниками
электрических сетей работе по повышению
чувствительности УТКЗ и созданию системы
передачи сигналов об их срабатывании суще-
ственно облегчилась работа по выявлению
участков линий с ОЗЗ.
Оснащение электрических сетей высо-
кочувствительными УТКЗ, срабатывающими
в кратковременном режиме
L
н
— сети, в сочета-
нии со средствами автоматического управления
выключателями нагрузки даёт возможность без
отключения магистральных линий силовыми
выключателями селективно отключать при
ОЗЗ их повреждённые участки выключателями
нагрузки без перерыва электропитания потреби-
телей.
Оригинал статьи: Режим нейтрали в распределительных электрических сетях напряжением 6—20 кВ
Особенностью распределительных электрических сетей напряжением 6—35 кВ, 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 предписывают считать режим изолированной нейтрали (I — сеть) для таких сетей основным. Данный режим получил исключительно широкое распространение, так как допускает работу сети с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) в течение времени, достаточного для отыскания повреждённого участка, подачи резервного питания на электроприёмники или их отключения вручную. В сетях большой ёмкостью фаз осуществляется компенсация тока ОЗЗ с помощью дугогасящего реактора (L — сеть ), имеющего автоматическую резонансную настройку на ёмкость сети.