Режим нейтрали в распределительных электрических сетях напряжением 6—20 кВ

Page 1
background image

Page 2
background image

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:


Page 3
background image

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.


Page 4
background image

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


Page 5
background image

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


Page 6
background image

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

 

I

з.з

U

ф.неп



(1,8–2) x

x U

ф.норм

Следует 

учитывать 

невысокую 

термическую 

стойкость 

резисторов

I

 

(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

 

I

з.з

U

ф.неп



(2,2–2,4) x

x U

ф.норм

Требуется 

специальная 

автоматика 

настройки ДГР

I

 

I

cр.уткз

I



 

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.


Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»