БЕЛОРУССКИЕ СЕТИ 6–35 КВ ПЕРЕХОДЯТ НА РЕЖИМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР

О необходимости отказаться от применения в электрических сетях режима изолированной нейтрали и перейти к её резистивному заземлению говорят многие специалисты. В частности, эту точку зрения поддержало и большинство участников дискуссии, в ходе которой на страницах нашего журнала обсуждались различные способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения («Новости ЭлектроТехники» № 5(23) и № 6(24) 2003 или на сайте www.news.elteh.ru).
Белорусские энергетики ещё в 1999 г. начали решительно внедрять резистивное заземление нейтрали в электросетях Беларуси, а в 2005 г. в концерне «Бел-энерго» были введены в действие «Временные методические указания по переводу сетей 6–35 кВ Белорусской энергосистемы с режима изолированной нейтрали на режим заземления нейтрали через резистор». Этот документ подготовлен институтом «Белэнергосетьпроект», и в настоящее время готовится его окончательная редакция. Специалисты, принимавшие непосредственное участие в разработке методических указаний, тезисно знакомят с основными положениями выполненной работы.

Виктор Глушко, к.т.н., с.н.с., заведующий научно-исследовательским сектором
Олег Ямный, начальник технического и информационного отдела, главный специалист-электрик
Эдуард Ковалев, заведующий научно- исследовательским сектором
Николай Бохан, инженер
НИиПИ РУП «Белэнергосетьпроект», г. Минск

• при металлическом ОЗЗ напряжение на неповрежденных фазах повышается до линейного, что представляет повышенную опасность для изоляции кабельных сетей с длительным сроком эксплуатации;
• возможно возникновение значительных дуговых перенапряжений, которые могут вызвать переход ОЗЗ в двухфазные и трехфазные замыкания, многоместные повреждения изоляции;
• режим ОЗЗ может приводить к развитию феррорезонансных явлений и повреждению трансформаторов напряжения – в случае резонансной настройки ДГР, ОЗЗ сопровождается малыми токами замыкания на землю, что исключает возможность создания простой, надежной и селективной защиты, способной выявить поврежденные присоединения;
• повышается опасность поражения людей и животных из-за длительного существования ненормального режима работы электрической сети.

При ОЗЗ в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. Это принципиальное отличие позволяет решить две важные задачи:

• селективно определить поврежденное присоединение (за счет применения простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения;
• существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при ОЗЗ и исключить феррорезонансные процессы (при этом появляется возможность защиты оборудования ПС с помощью ОПН с более низким остающимся напряжением при коммутационном импульсе).

Выбор типа резистора для заземления нейтрали производится по трем основным критериям:

1. Резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений;
2. Сопротивление резистора в нейтрали должно гарантировать протекание активного тока в поврежденном присоединении, достаточного для действия релейных защит на сигнал или на отключение поврежденного присоединения;
3. При заземлении нейтрали через резистор должны соблюдаться условия электробезопасности для людей при ОЗЗ на ПС и РП с учетом существующего нормирования величины допустимого напряжения прикосновения.

1-й критерий выбора резистора.
Снижение уровня перенапряжений

Аналитически и экспериментально установлено, что наибольшая эффективность защиты сетей от дуговых перенапряжений достигается при условии, что активная составляющая тока замыкания I_за, создаваемая резистором, больше суммарного емкостного тока сети I_с.

2-й критерий выбора резистора.
Гарантия работы РЗА

• низкоомное резистивное заземление нейтрали производится в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено за минимально возможное время;
• высокоомное резистивное заземление нейтрали и комбинированное заземление нейтрали выполняются, когда сеть должна иметь возможность длительной работы при ОЗЗ. Величина сопротивления резистора определяется в основном необходимостью снижения уровня перенапряжений и обеспечения величины тока ОЗЗ, достаточного для определения поврежденного присоединения при помощи простых токовых защит, работающих на сигнал;
• при отказе защит по отключению поврежденного присоединения должно быть выполнено резервное действие защит от ОЗЗ по отключению секции, к которой присоединено поврежденное присоединение, чтобы исключить перевод сети в режим изолированной нейтрали и защитить резистор от повреждения;
• применение АПВ на кабельных линиях после отключения ОЗЗ нежелательно из-за возможного перехода ОЗЗ в междуфазное КЗ. Применение АПВ на воздушных линиях допустимо, а в особых случаях обязательно;
• в сетях с высокоомным заземлением нейтрали предпочтительно применение цифровых защит, объединенных в локальную сеть, для быстрого определения поврежденного присоединения;
• для исключения неселективной работы защит от ОЗЗ схемы АВР должны отключать один из резисторов, если при низкоомном резистивном заземлении нейтрали возможно питание энергообъекта от резервных источников, имеющих такое же заземление нейтрали.

На ПС 110 кВ и выше, включающих сети 6–35 кВ с заземленной через резистор нейтралью, условия электробезопасности выполняются всегда, т. к. ток, стекающий в землю с нейтрали при ОЗЗ, в сети 6–35 кВ всегда значительно меньше тока ОКЗ в сети 110 кВ и выше.
На ПС 6–35 кВ, включающих сети с заземленной через резистор нейтралью, электробезопасность может быть обеспечена на основе действующих рекомендаций ПУЭ-85 по норме на допустимое сопротивление заземляющего устройства (ЗУ) ПС. Если выполнить ЗУ по данной норме невозможно, защитные мероприятия при низкоомном заземлении нейтрали можно осуществить на основе системы нормирования условий электробезопасности по допустимому напряжению прикосновения. В этом случае электробезопасность обеспечивается за счет быстрого отключения поврежденной линии, что позволяет в соответствии с ГОСТ 12.1.038 (табл. 1) принимать для человека повышенные значения напряжения прикосновения по сравнению с длительным его воздействием.

Предельно допустимые значения напряжения прикосновения в электроустановках с изолированной нейтралью напряжением выше 1 кВ переменного тока частотой 50 Гц (ГОСТ 12.1.038).

Допустимое напряжение прикосновения Uпр.доп., В	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
Время воздействия, с	0,01-0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	св. 1,0

R_ЗУ = U_ЗУ / I_р 10 Ом,

где I_р – расчетный ток замыкания на землю, А;
U_ЗУ – потенциал ЗУ, который равен: U_ЗУ = 125 В при общем ЗУ электроустановок 6–35 кВ и 0,38 кВ; U_ЗУ = 250 В при ЗУ только электроустановок 6–35 кВ.
Обе указанные системы нормирования параметров электробезопасности сетей среднего и низкого напряжения по физической сущности должны быть тождественны. Обосновать эту тождественность можно, введя понятие допустимого коэффициента напряжения прикосновения a_пр.доп, который характеризует наихудшую степень выравнивания электрических потенциалов в месте расположения человека при прикосновении его к заземленным частям электроустановок.
Напряжение прикосновения (U_пр, В) на территории электроустановки равно:

U_пр = U_ЗУa_пр, a_пр 1,

где a_пр – коэффициент напряжения прикосновения, характеризующий степень выравнивания электрических потенциалов с учетом переходного сопротивления между ногами человека и землей.
Для допустимого напряжения прикосновения и допустимого коэффициента напряжения прикосновения получим следующие выражения:

U_пр.доп U_ЗУ•a_пр.доп,

a_пр.доп U_пр.доп / U_ЗУ 1.

Из этих выражений следует, что при заданном значении потенциала U_ЗУ (125 В, 250 В) и заданном значении U_пр.доп коэффициент a_пр.доп однозначно связывает указанные выше две системы обеспечения условий электробезопасности в сетях среднего и низкого напряжения и может рассматриваться как базовый параметр для оценки той или иной системы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ в отношении электробезопасности.
На рис. 1 определены две зоны, характеризующие условия электробезопасности в электроустановках 0,38–35 кВ: зона заземления нейтрали через низкоомный резистор и зона изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через высокоомный резистор. Видно, что величина коэффициента a_пр.доп в первой зоне значительно больше, чем во второй зоне. Коэффициент напряжения прикосновения характеризует степень выравнивания потенциалов, и его величина непосредственно связана с конструкцией ЗУ: чем меньше его величина, тем более сложная должна быть конструкция ЗУ и, соответственно, наоборот.
Отсюда следует, что при стандартных конструкциях ЗУ заземление нейтрали сетей 6–35 кВ и 0,38 кВ через низкоомный резистор имеет неоспоримое преимущество перед изолированной нейтралью и нейтралью, заземленной через высокоомный резистор.
Учитывая это, в Белорусской энергосистеме переход на резистивную систему заземления сетей 6–35 кВ начат именно с низкоомного заземления нейтрали.

Рис.1. Зависимость a_пр.доп от времени воздействия напряжения на человека t_в для реального диапазона времени устранения повреждения

1 – для случая общего ЗУ электроустановок 6–35 и 0,38 кВ.
2 – для случая ЗУ только электроустановок 6–35 кВ.

Низкоомное заземление нейтрали с возможностью отключения поврежденных участков сети целесообразно применять в тех сетях, где обеспечена необходимая степень резервирования и автоматизации распределительных электрических сетей, систем электроснабжения и технологических процессов.
В чисто кабельных сетях с высокой степенью резервирования экономически и технически выгодно перейти от компенсированной системы заземления нейтрали к нейтрали, заземленной через низкоомный резистор, с отключением поврежденного присоединения без выдержки времени.
На ПС, питающих преимущественно воздушную сеть и не имеющих высокой степени резервирования, необходимо устанавливать высокоомные резисторы, уменьшающие уровни перенапряжений и время их воздействия. Резисторы можно устанавливать параллельно ДГР. Особо благоприятна установка высокоомного резистора при высоком уровне напряжения смещения нейтрали, когда оно выше допустимого значения 15% U_ф.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ СЕТЕЙ 6–35 КВ: ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

При технико-экономическом обосновании целесообразности резистивного заземления нейтрали сетей 6–35 кВ необходимо оценить четыре основных фактора.

• увеличивается ток ОЗЗ;
• снижается минимум в 1,5–2,0 раза уровень дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях;
• уменьшается с нескольких часов до нескольких секунд продолжительность воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений (при перемежающихся однофазных замыканиях) и линейного напряжения (при устойчивых замыканиях).

При заземлении нейтрали сетей 6–35 кВ через низкоомный резистор в случаях ОЗЗ поврежденное присоединение отключается, что ограничивает продолжительность воздействия перенапряжений на изоляцию. В связи с этим снижается вероятность пробоя изоляции на неповрежденных присоединениях и соответственно общее число ОЗЗ.
На основании ряда публикаций можно сделать вывод, что расход внутреннего ресурса изоляции при воздействии импульсов перенапряжений в сети 6–35 кВ при резистивном заземлении нейтрали не менее чем в 2 раза ниже, чем в сети с изолированной нейтралью. При этом исключена возможность феррорезонансных явлений, что повышает надежность работы измерительных трансформаторов напряжения и снижает не только простой сети из-за их повреждений, но и вероятность несрабатывания релейных защит при повреждениях элементов сети.

Состав капитальных затрат на включение резистора в нейтрали сетей 6–35 кВ:

• проектирование перехода сети на режим заземленной через резистор нейтрали;
• приобретение резистора, специального трансформатора для его включения, трансформаторов тока для нейтрали и всех отходящих линий, реле защиты, блоков питания схем защиты и автоматики;
• монтаж ячейки с трансформатором для подключения резистора;
• монтаж третьего трансформатора тока (если отсутствует трансформатор тока нулевой последовательности) на каждой из отходящих линий напряжением 6–10 кВ;
• монтаж и наладка РЗА.

Быстрое отключение линий при однофазных замыканиях на землю снижает степень опасности поражения электрическим током людей и животных, оказавшихся вблизи места ОЗЗ.

Сейчас широко применяется система изолированной нейтрали сетей 6–35 кВ (без компенсации и с компенсацией емкостных токов), которая по своей физической сущности обладает рядом принципиальных недостатков, связанных с режимом ОЗЗ. Основные из них – это различного рода перенапряжения и повышенная опасность поражения людей и животных электрическим током.
В связи с этим необходимо в ближайшее время провести модернизацию системы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ на основе последних достижений науки и техники в данной области. Принципиальная возможность такой модернизации – это переход на резистивную систему заземления нейтрали. Резистивная система заземления нейтрали сетей 6–35 кВ обеспечивает снижение уровня дуговых перенапряжений, селективное обнаружение поврежденного присоединения, его быстрое отключение и улучшение условий электробезопасности.
В Белорусской энергосистеме резистивное заземление нейтрали широко внедряется в городских кабельных сетях 6–10 кВ начиная с 1999 г. К настоящему времени запроектировано более 30 ПС с таким типом заземления нейтрали.
Резисторы уже смонтированы и находятся в эксплуатации более чем на 10 подстанциях, в числе которых ПС 110/10 кВ Сухарево, ПС 110/10 кВ Кока-Кола, ПС 330/110/10 кВ Колядичи, ПС 110/10 кВ Пинск Восточная, ПС 110/35/10 кВ Солигорск. Эксплуатирующие организации отмечают их нормальное функционирование.
Есть также опыт внедрения низкоомного резистивного заземления нейтрали сети собственных нужд напряжением 6 кВ нескольких котельных и ТЭЦ. За время эксплуатации повреждения оборудования не зафиксированы.

При подготовке методических указаний и статьи была использована следующая литература:
1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Сирота И. М., Кисленко С. П., Михайлов А. М. Режимы нейтрали электрических сетей. – Киев: Навук. думка, 1985.
3. Лихачев Ф. Л. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия. 1971.
4. Двадцать пять лет изучения энергосистем Франции / Обзор работ национального энергетического управления. – Л.: Энергия,1997.
5. Евдокунин Г. А., Титенков С. С. Анализ внутренних перенапряжений в сетях 6–10 кВ и обоснование необходимости перевода сетей в режим с резистивным заземлением нейтрали / Режимы заземления нейтралей сетей 6–10 кВ. Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000.
6. Шабад М. А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ России // Энергетик. –1999. – № 3.
7. Правила устройства электроустановок. – 6-е изд., перераб. и доп. – 2001.
8. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений и токов.