Области применения различных систем заземления нейтрали Юрий Целебровский, Новосибирский государственный технический университет

Итогом работы двух предыдущих конференций по ограничению перенапряжений и режимам заземления нейтрали сетей 6–35 кВ [1, 2] явилось положение новой редакции главы 1.2 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [3], где сказано: «1.2.16. Работа электрических сетей напряжением 2–35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор».
Таким образом, наряду с изолированной и компенсированной нейтралью право на жизнь обрела резистивно заземленная нейтраль.
В отношении изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через дугогасящий реактор, определены значения емкостных токов сети, разграничивающие эти две системы. Соответствующих нормативных указаний на области применения резистивного заземления ПУЭ не содержат.
Прежде чем высказать свои соображения об областях применения различных систем заземления нейтрали в сетях среднего напряжения, хотелось бы кратко остановиться на общепринятых и достаточно хорошо известных положениях, на которых базируются дальнейшие рассуждения.

Режим изолированной нейтрали имеет одно неоспоримое преимущество – малый ток однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), что позволяет:

• увеличить ресурс выключателей (поскольку однофазные замыкания достигают 90% от общего числа замыканий);
• снизить требования к заземляющим устройствам, определяемые условиями электробезопасности при однофазных замыканиях на землю.

• феррорезонансные явления, вызываемые кратковременными ОЗЗ;
• дуговые перенапряжения, связанные с появлением перемежающейся дуги при ОЗЗ и приводящие к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное;
• сложность построения селективных защит от ОЗЗ при изолированной нейтрали и их недостаточную работоспособность в сетях с различными режимами и конфигурацией.

Заземление через дугогасящий реактор позволяет в определенных случаях снизить ток замыкания на землю до его погасания, то есть ликвидировать дуговые перенапряжения. Это в свою очередь уменьшает число переходов ОЗЗ в двух- и трехфазные короткие замыкания. Снижение тока ОЗЗ улучшает условия электробезопасности в месте замыкания, хотя полностью не устраняет возможность электропоражения в сетях с воздушными линиями.
Недостатки заземления через дугогасящий реактор (ДГР):

• необходимость симметрирования сети до степени 0,75% фазного напряжения (в сетях с воздушными линиями степень несимметрии всегда не ниже 1–2%, а при двухцепных ВЛ нормально может достигать 5–7%; Правилами технической эксплуатации в некоторых случаях допускается напряжение смещения нейтрали до 30% от фазного напряжения [6,7]);
• сложность и высокая стоимость систем автоматической подстройки ДГР (реакторы с механической подстройкой практически не эксплуатируются); невозможность широкой диапазонной настройки, необходимой для разветвленных городских сетей с часто изменяемой конфигурацией по отношению к питающей подстанции;
• практически полное отсутствие селективных защит от ОЗЗ для сети с заземлением нейтрали через ДГР.

Заземление нейтрали через резистор имеет несомненные достоинства, подтвержденные мировой практикой и опытом, накопленным в России:

• полное устранение феррорезонансных явлений;
• снижение уровня дуговых перенапряжений и устранение перехода ОЗЗ в двух- и трехфазные замыкания;
• возможность построения простых селективных защит от ОЗЗ.
• К недостаткам резистивного заземления нейтрали следует отнести:
• увеличение тока замыкания на землю (максимум на 40%);
• появление на подстанции греющегося оборудования (резистора мощностью 30–400 кВт).

• В сетях с заземленной нейтралью токи короткого замыкания составляют тысячи и десятки тысяч ампер; двойные замыкания на землю в сетях 6–35 кВ приводят к токам в сотни и тысячи ампер. В таких условиях названные сети успешно эксплуатируются, и на этом фоне увеличение тока ОЗЗ с 10 до 14 А или даже с 200 до 280 А ситуации не меняет.
• Нагревающийся при ОЗЗ резистор – более существенный недостаток. Однако определяемые ПУЭ допустимые температуры для другого оборудования, достигающие в аварийных режимах 200–300ºС, позволяют спроектировать резистор, нагревающийся только до нижнего из указанных пределов. Установка такого резистора на ОРУ практически снимает вопрос о пожароопасности.

Области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения попытаемся определить, основываясь на высказанных выше положениях. В зависимости от типа сети и требуемых параметров эти области отражены в таблице. В ее первом столбце – классификация сетей по конфигурации и особенностям их работы, касающихся способа заземления нейтрали.

Таблица:Рекомендуемые режимы нейтрали сетей среднего напряжения

Тип электрической сети	Емкостный ток ниже границы ПУЭ*		Емкостный ток выше границы ПУЭ*
	Длительная работа с замыканием на землю	Однофазное замыкание на землю селективно отключается релейной защитой	Длительная работа с замыканием на землю	Однофазное замыкание на землю селективно отключается релейной защитой
Сети генераторного напряжения	изолированная	-	ДГР	-
Сети собственных нужд электрических станций	изолированная, резистор	резистор	ДГР	резистор
Распределительные сети с воздушными линиями	изолированная, резистор	резистор	резистор (ДГР)	резистор
Городские, поселковые кабельные сети (без ВЛ)	изолированная, резистор	резистор	(ДГР)	резистор
Сети, питающие передвижные подстанции и механизмы, торфяные разработки, шахты и т.п.	-	резистор	-	резистор

Сети генераторного напряжения – это в основном шинные мосты со стабильными емкостными токами. При замыкании на землю невозможно провести селективное отключение какого-либо участка, необходимо отключать сам генератор по четкому признаку появления напряжения нулевой последовательности. Кратковременная работа генератора до отключения при малых токах возможна при изолированной нейтрали. При емкостном токе, превышающем 5 А, могут возникать серьезные повреждения изоляции, поэтому представляется целесообразным применение дугогасящего реактора. При этом выполнение шинного моста изначально должно быть таким, чтобы не возникало смещения нейтрали и обеспечивалась точная настройка ДГР.

Сети собственных нужд электрических станций в отличие от сетей генераторного напряжения имеют разветвленную конфигурацию, позволяющую селективно отключать повреждение с ОЗЗ. Поскольку эти сети выполнены кабельными линиями, степень их симметрии достаточная для применения дугогасящего реактора.
При малых емкостных токах возможно применение изолированной нейтрали, однако при этом сеть нуждается в расчетной проверке на возможность возникновения феррорезонансных явлений. При опасности таковых рекомендуется заземление нейтрали через резистор. Длительная работа сети при ОЗЗ представляется малоцелесообразной, поскольку в таких сетях имеется достаточное резервирование.
Селективное отключение поврежденного присоединения релейной защитой может быть надежно выполнено при резистивном заземлении нейтрали.
При больших емкостных токах, если признано рациональным продолжение работы сети при ОЗЗ, наилучшим вариантом является применение ДГР, способствующее (при точной настройке) самоликвидации однофазного замыкания [8]. Селективное отключение релейной защитой ОЗЗ с большим током хорошо реализуется при резистивном заземлении нейтрали.

Распределительные сети с воздушными линиями, как правило, несимметричны. При малых токах, так же как и в предыдущем случае, возможно применение изолированной нейтрали при отсутствии предпосылок для феррорезонансных явлений. Эксплуатационное изменение конфигурации и размеров сети может привести к появлению таких предпосылок. При этом также возможно и превышение границы емкостного тока. Поэтому наилучшим и универсальным решением для таких сетей является резистивное заземление нейтрали. Применение ДГР проблематично из-за существующей несимметрии и большого диапазона изменения емкостного тока. Опыт показывает, что установленные в таких сетях ДГР практически нигде не работают.
В воздушных распределительных сетях, питающих нефтяные и газовые месторождения, существует проблема кратковременных отключений ВЛ, связанная с недостаточно отработанной технологией самозапуска двигателей насосов. Поэтому такие сети вынужденно работают при сохранении замыкания на землю. Применение ДГР целесообразно в подобных случаях лишь с позиций улучшения условий электробезопасности при ОЗЗ, что требует точной компенсации емкостного тока. Дуговых процессов при замыканиях на ВЛ, как правило, не бывает.

Городские, поселковые кабельные сети (без ВЛ) достаточно симметричны для применения ДГР, но в отличие от сетей собственных нужд электрических станций имеют постоянно и значительно изменяющуюся конфигурацию, что требует большого диапазона подстройки. Положение осложняется тем, что питающие подстанции, где устанавливаются ДГР, и распределительные городские сети часто имеют разную подчиненность, в том числе и оперативно-диспетчерскую. Это требует обязательной автоматической широкодиапазонной подстройки ДГР. Поэтому универсальным способом для таких сетей является резистивное заземление нейтрали, о чем свидетельствует обширная мировая практика.
При наличии в поселковых и городских сетях воздушных линий резко обостряется проблема электробезопасности при ОЗЗ, и в соответствии с новыми требованиями ПУЭ (1.7.64**) однофазные замыкания необходимо отключать релейной защитой. Это является дополнительным доводом в пользу резистивного заземления нейтрали.

Сети, питающие передвижные подстанции и механизмы, торфяные разработки, шахты и т.п., однозначно, в соответствии с 1.7.64 ПУЭ, требуют отключения ОЗЗ релейной защитой. С учетом тех преимуществ, которые дает резистивное заземление (гашение колебательных процессов в сети и формирование селективного признака в виде активного тока в поврежденном присоединении), режим заземления нейтрали через резистор представляется здесь единственно целесообразным, особенно при разветвленной сети.
В завершение следует отметить, что ключевой момент в определении режима заземления нейтрали сети – это решение о селективном отключении или длительном сохранении режима однофазного замыкания на землю. При сохранении ОЗЗ можно выбирать среди всех указанных в ПУЭ режимов нейтрали, учитывая высказанные в настоящей работе соображения. Если ОЗЗ должно селективно отключаться релейной защитой, преимущественным решением является заземление нейтрали через резистор.

Выводы

• Выбор того или иного режима заземления нейтрали целесообразен исключительно при необходимости длительной работы сети с однофазным замыканием на землю. Подобная потребность в длительном сохранении такого аварийного состояния сети возникает лишь в случае отсутствия резервирования. При этом эффективное применение дугогасящего реактора возможно только в симметричных сетях с мало изменяющейся конфигурацией. В остальных вариантах предпочтительнее оказывается изолированная нейтраль и иногда – нейтраль, заземленная через резистор.
• При отключении присоединения с однофазным замыканием релейной защитой во всех случаях предпочтительным оказывается резистивное заземление нейтрали. Такое комплексное решение ликвидирует все недостатки, присущие сетям с изолированной и компенсированной нейтралью, и выводит сети среднего напряжения на более высокий уровень надежности и электробезопасности, свойственный сетям напряжением 110 кВ и выше.

Литература

1. Целебровский Ю.В. Нормативное обеспечение режима нейтрали в электрических сетях // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 3–6.
2. Шалин А.И., Целебровский Ю.В., Щеглов A.M. Особенности резистивного заземления в городских сетях 10 кВ // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: Труды Второй Всероссийской научно-технической конференции. – Новосибирск, 2002. – С. 63–68.
3. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.5, 7.6, 7.10. – 7-е изд. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. – 184 с.
4. Черненко Н.А. Аварийность и замыкания на землю в электрических сетях напряжением 35 и 110 кВ // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 83–88.
5. Гордон Г.Ю., Вайнштейн Л.И. Электротравматизм и его предупреждение. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 256 с.
6. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России»: РД 34.20.501–95. – 15-е изд., перераб. и доп. – М.: СПО ОРГРЭС, 1996. – 160 с.
7. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей/ Госэнергонадзор Минэнерго России. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. – 392 с.
8. Обабков В.К. Многокритериальность показателя эффективности функционирования сетей 6–35 кВ и проблема оптимизации режимов заземления нейтрали // Режимы заземления нейтрали сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000. – С. 33–41.