Режимы нейтрали электрических сетей

В электрических сетях напряжением 6 – 35 кВ ключевой проблемой является способ заземления способ заземления нейтрали (режим заземления нейтрали), поскольку он оказывает решающее влияние на надежность электроснабжения потребителей, на сохранность электрических машин и кабелей, на безопасность людей, и в очень большой степени на выбор принципов и типов устройств (РЗА), а также на способы использования этих устройств для отключения для отключения замыкания на землю или только для сигнализации. Необходимо отметить, что в таких сетях соединение фазного провода с землёй не является коротким замыканием, и его называют замыканием на землю.

Существуют 3 способа заземления нейтрали в сетях 6 – 35 кВ:

1) изолированная нейтраль

2) Резонансно-заземленная нейтраль (компенсированной нейтрали)

3) Нейтраль, заземленная через резистор

В России главным образом используется режим либо изолированной нейтрали, либо резонансно-заземленной нейтрали.

Режим №1: изолированная нейтраль

При возникновении металлического замыкания на землю какой либо из фаз (например фазы А) симметрия напряжений и токов в системе нарушается: напряжение поврежденной фазы снижается до нуля, а напряжение неповрежденных фаз повышается в раз т.е. становится равным линейному. Провода ВЛ обладают емкостью по отношению к земле (допустим С₁₁ = С₂₂ = С₃₃) и через нее течет емкостной ток замыкания на землю. Сила этого тока не велика (от единиц до десятков А), но может наносить вред указанный выше. (Поэтому существует необходимость производить оценку опасности этого тока, сигнализировать о нем или производить отключение поврежденного участка.) Одновременно на нейтрали появляется разность потенциалов U_н по отношению к земле, по величине равная напряжению поврежденной фазы, но с обратным значением. При этом предполагается, будто у места замыкания на землю ко всем фазам, а также к нейтрали приложено напряжение, равное по величине и обратное по значению напряжению поврежденной фазы.

В результате геометрического сложения напряжений получаем:

C нарушением симметрии напряжений происходит нарушение симметрии токов, текущих в землю:

Ток замыкания на землю:

где – угловая частота переменного тока;

– емкость линии по отношению к земле, - для ВЛ,

- для КЛ

Зависит от конструкции ВЛ и КЛ и колеблется в некоторых пределах в зависимости от расположения проводов относительно земли.

Подставив выражения в формулу тока замыкания получаем:

– для ВЛ - для КЛ

Сила тока замыкания на землю не должна превосходить следующих значений:

В электрических сетях напряжением 6…35 кВ, имеющих железобетонные или металлические опоры, ток замыкания на землю во всех случаях не должен превышать 10 А. При длительном прохождении тока ОЗЗ через опору возможно высыхание грунта вблизи заземления опоры и увеличение общего сопротивления заземления опоры. При этом опора оказывается под высоким потенциалом, что может быть причиной электротравм людей и животных, находящихся вблизи этой опоры.

Если ток ОЗЗ меньше указанных значений, то линия может работать до момента отыскания повреждения (не более 2-х часов).

При токах, больших приведенных значений, в месте замыкания на землю может возникнуть 3-4-х кратные относительно U_н перенапряжения, что опасно особенно для ВЛ 35кВ. От термического действия дуги в месте КЗ повреждается изоляция, разрушается железобетон, возгорается древесина. Вследствие этого увеличивается вероятность перехода дуги замыкания на землю в КЗ между фазами, особенно в кабельных сетях.

Режим изолированной нейтрали характерен для сетей с небольшой суммарной протяженностью кабельных линий (сетей собственных нужд блочных электростанций, нефтеперекачивающих и газокомпрессорных станций, насосных станций водоснабжения и канализации, сетей небольших населенных пунктов, не связанных электрически с сетями больших городов, а также для многих воздушных сетей в сельской местности).

Если значение суммарного емкостного тока сети превышает допустимое значение по, то требуется выполнить компенсацию емкостного тока с помощью индуктивности дугогасящих реакторов (ДГР), т.е. перейти на другой режим нейтрали.

Режим №2: Резонансно-заземленная нейтраль (компенсированной нейтрали)

В этом случае требуется включить на шины 6 (или 10) кВ трансформатор ЗТ и заземлить сеть через дугогасящий реактор ДГР (катушку индуктивности). В России требуется обеспечить резонансную настройку дугогасящего реактора, при которой происходит полная компенсация емкостного тока I_з – в месте однофазного замыкания на землю индуктивным током I_L при частоте 50 Гц.

Перевод сетей 6 и 10 кВ в режим №2 производят в нашей стране с начала 60-х годов прошлого века. Для этой цепи должны, как правило, применяться плавно регулируемые ДРГ с автоматической настройкой тока компенсации при изменениях емкости сети. Однако такие ДРГ до последнего времени серийно не выпускались. ДРГ со ступенчатым регулированием не могут обеспечить полную компенсацию емкостных токов, поскольку эти режимы могут изменяться даже в течение суток. При выборе принципов выполнения защиты от ОЗЗ приходится считаться с реальной возможностью полной или почти полной компенсации емкостного тока сети при каком-то режиме сети и возникновении ОЗЗ. Поэтому токовые защиты от ОЗЗ, реагирующие на ток промышленной частоты 50 Гц, принципиально не могут использоваться для сетей, работающих в режиме №2.

Наибольшее распространение в таких сетях получили устройства защиты, реагирующие на гармонические составляющие тока ОЗЗ. Большинство из этих устройств используют высшие гармонические составляющие тока нулевой последовательности при ОЗЗ, например устройство УСЗ-3М, комплект дистанционной сигнализации замыкания на землю КДЗС, специальный модуль в цифровом терминале SPAC-800. В настоящее время серийно выпускаются автоматически регулируемые ДРГ типа РУОМ.

Режим 2 используется в кабельных сетях больших и средних городов, крупных промышленных предприятий. А также в загородных ВЛ большой протяженности.

Режим №3: С заземлением нейтрали через резистор

Этот режим в СССР начали применять на блочных электростанциях с 1986 г., чтобы обеспечить быстрое отключение однофазных замыканий на землю в электродвигателях 6 кВ до того, как ОЗЗ перейдет в многофазное КЗ, опасное для статора двигателя. В других двух описанных выше режимах при действии РЗ на сигнал затрачиваются десятки на определение двигателя (или фидера) с ОЗЗ. По статическим данным по этой причине за 10 лет было повреждено более 10% ОЗЗ перешли в многофазные (в распределительных сетях – около 70 %)

При заземлении нейтрали через резистор R на всех присоединениях осуществляется самая простая токовая защита от замыканий на землю с селективным действием на отключение только поврежденного элемента без выдержки времени (t≤0.1 с) и с резервным отключением сначала ДТ, а затем источников питания. При отключении ДТ сеть автоматически переводится в режим №1 и простая (ненаправленная) токовая защита уже не сможет обеспечить селективное отключение двигателя М при ОЗЗ в этом двигателе.

При определенных параметрах дополнительного (заземляющего) трансформатора ДТ и добавочного резистора R ток I_к⁽¹⁾ = 35 – 40 А. Такое значение тока обеспечивает высокую чувствительность токовой защиты при замыкании на выводах электродвигателя и защиту 85% обмотки статора. Уставки токовых защит выбираются из условия обеспечения их несрабатывания при внешних замыканиях на землю (заземление через резистор уменьшает бросок емкостного тока в момент пробоя изоляции вне зоны защиты по сравнению с таким же повреждением в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью).

Защита от ОЗЗ на электродвигателях М и трансформаторах Т должна действовать на отключение собственного выключателя без выдержки времени, при этом рекомендуется использовать быстродействующее промежуточное реле (РП-220, РП-17 и т.п.). Резервная защита от ОЗЗ, установленная на дополнительном трансформаторе ДТ, действует с выдержкой времени около 0,5 с на отключение рабочего (резервного) ввода, т.е. на погашение всей секции 10 (6) кВ. Возможно и другое решение: отключение самого ДТ, т.е. перевод секции на режим работы с изолированной нейтралью и дальнейший поиск элемента с ОЗЗ путем поочередного отключения и включения всех элементов с одновременным контролем напряжения нулевой последовательности.

Параметры ДТ и R, для создания тока I_к⁽¹⁾ = 35 – 40 А, представляют лишь частный случай в решении проблемы защиты сетей этих классов напряжений как от перенапряжений, так и от замыканий на землю. Значения токов однофазного замыкания на землю могут находиться в пределах от нескольких сот ампер до нескольких ампер. В первой группе функции защиты от ОЗЗ могут исполнять защиты от междуфазных КЗ при условии их трехфазного исполнения и отключения поврежденного элемента без выдержки времени. Во второй группе вариантов, с «высокоомным» заземлением нейтрали через резистор, значения активного тока замыкания на землю подбираются в пределах от 1 до 7 А соответственно значению емкостного тока данной сети. Таким образом, суммарный ток в месте повреждения оказывается в раз больше емкостного тока сети (при отсутствии резистора). При таких небольших значениях тока поврежденный элемент можно не отключать мгновенно, что дает возможность оперативному персоналу перевести питание на другой источник, а затем произвести отключение поврежденного элемента. Надо отметить, что для современных токовых защит с аналоговыми полупроводниковыми и цифровыми реле такие значения тока промышленной частоты вполне достаточны для срабатывания при ОЗЗ.

Часть 2