РАСЧЕТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ДУГОВЫХ ПРЕРЫВИСТЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ
Зависимость от режима заземления нейтрали

Вопрос о наиболее эффективном режиме заземления нейтрали электрических сетей среднего напряжения в основном связан с проблемами ограничения перенапряжений в переходных режимах. От режима заземления нейтрали сети зависят также требования к защите от однофазных замыканий на землю, принципы выполнения и способ ее действия.
Результаты исследований эффективности ограничения перенапряжений при дуговых прерывистых замыканиях на землю при различных режимах заземления нейтрали на математических моделях реальных электрических сетей 6-35 кВ приводит Владимир Александрович Шуин.

Владимир Шуин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматическое управление электроэнергетическими системами», Ивановский государственный энергетический университет

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) являются преобладающим видом повреждений в электрических сетях среднего напряжения и часто становятся первопричиной аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом. Главными причинами аварий, возникающих вследствие ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, в большинстве случаев являются переходы ОЗЗ в двойные и многоместные замыкания из-за перенапряжений на неповрежденных фазах при дуговом прерывистом характере повреждения [1–6]. Режим заземления нейтрали в значительной мере определяет характер электромагнитных переходных процессов при пробое изоляции фазы сети на землю и гашении заземляющей дуги, вероятность возникновения и степень опасности перенапряжений при дуговых прерывистых повреждениях.
При существующем уровне технического совершенствования средств автоматизации, степени резервирования сетей среднего напряжения, чувствительности технологических процессов большей части потребителей к кратковременным нарушениям электроснабжения, более высокую надежность электроснабжения могут обеспечить режимы заземления нейтрали, допускающие работу сети с ОЗЗ в течение ограниченного времени и не требующие мгновенного отключения поврежденного присоединения.
Режимы, не допускающие длительную работу сети с ОЗЗ (например, низкоомное заземление нейтрали через резистор), могут обеспечить достаточную надежность электроснабжения только при высоком уровне автоматизации и резервирования как собственно электроснабжения, так и технологических процессов потребителей и имеют в настоящее время ограниченную область применения. К основным режимам заземления нейтрали сетей среднего напряжения относятся:

• изолированная нейтраль (при ограниченных значениях суммарного емкостного тока сети [7]);
• резонансное заземление нейтрали через дугогасящий реактор (ДГР);
• высокоомное заземление нейтрали через резистор (при ограниченных значениях полного активно-емкостного тока ОЗЗ).

ТЕОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Существует несколько моделей (теорий) возникновения и развития перенапряжений при дуговых прерывистых ОЗЗ [1, 2, 10]. Исследования, выполненные в действующих сетях 6–35 кВ [2], показали, что развитие процессов, приводящих к перенапряжениям при дуговых ОЗЗ, с разной вероятностью возможно по любой из указанных моделей.
Большие теоретические значения максимальных перенапряжений на нейтрали и на неповрежденных фазах дает модель Петерсена. В соответствии с этой моделью в сетях, работающих с изолированной нейтралью, максимально возможные перенапряжения на неповрежденных фазах оцениваются величиной порядка 4,0–4,5 U_ф.m, в сетях с компенсацией емкостных токов ОЗЗ при резонансной или близкой к ней настройке ДГР и в сетях с высокоомным заземлением нейтрали через резистор – 2,4–2,5 Uф.m. Поэтому при оценках максимально возможных значений перенапряжений на неповрежденных фазах и соответственно эффективности режима заземления нейтрали электрических сетей 6–35 кВ в части ограничения перенапряжений целесообразно использовать модель Петерсена.
Приведенные выше теоретические оценки максимальных значений перенапряжений, возникающих при дуговых ОЗЗ, как правило, получены на упрощенных моделях сети, в которых переходный процесс при пробое изоляции фазы сети на землю рассматривается как одночастотный (в колебательном контуре 1-го порядка).
В таких моделях сети не учитывается наличие высокочастотной составляющей в переходном токе ОЗЗ, связанной с разрядом емкостей поврежденной фазы (т.н. разрядной составляющей с частотами от единиц до сотен килогерц) и ее влияние на скорость возрастания напряжения на нейтрали и неповрежденных фазах, а также возможность гашения заземляющей дуги при переходе через ноль указанного высокочастотного разрядного тока. Реальные схемы сетей 6–35 кВ значительно сложнее показанных выше упрощенных схем, что также может оказывать существенное влияние на характер электромагнитных переходных процессов при возникновении пробоя изоляции и гашении заземляющей дуги и соответственно на величину максимальных перенапряжений при ОЗЗ. Принято также считать, что перенапряжения во всех точках одной фазы электрически связанной сети примерно одинаковы, поэтому измерения перенапряжений, как правило, осуществляются только на шинах (где установлены измерительные трансформаторы напряжения (ТН)). Перенапряжения в других точках сети, например, в месте пробоя (например, в промежуточных точках линий) или в конце линий, не исследовались.
В то же время опыт эксплуатации реальных сетей 6–35 кВ показывает, что в некоторых случаях максимальные значения перенапряжений при дуговых ОЗЗ, возможно, превышают принятые в настоящее время. Поэтому исследования перенапряжений при дуговых ОЗЗ с учетом влияния отмеченных выше факторов (разрядной составляющей переходного тока ОЗЗ, степени разветвленности и конфигурации сети, места замера перенапряжений), на наш взгляд, представляют интерес.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ДУГОВЫХ ПРЕРЫВИСТЫХ ОЗЗ

Учитывая ограниченные возможности проведения экспериментов в действующих сетях 6–35 кВ, наиболее подходящим методом исследования переходных процессов при дуговых ОЗЗ и сопровождающих их перенапряжений является математическое моделирование на ЭВМ. В данной работе для исследования переходных процессов при дуговых ОЗЗ применялся пакет прикладных программ моделирования динамических систем SIMULINK и пакет прикладных программ Power System Blockset моделирования электроэнергетических систем, являющихся компонентами интегрированной системы моделирования MATLAB.
Достоверность результатов, полученных с использованием математических моделей, созданных в среде MATLAB, и применяемых методик моделирования дуговых прерывистых ОЗЗ была проверена на упрощенной двухчастотной (учитывающей как зарядную, так и разрядную составляющие переходных токов и напряжений) схеме замещения радиальной сети 6–35 кВ (рис. 1), позволяющей учесть влияние разрядной составляющей на переходный процесс при ОЗЗ [11].
Оценки максимальных перенапряжений, измеренных на шинах, для упрощенной модели радиальной сети 6–35 кВ по рис. 1 достаточно точно совпадали с результатами, полученными другими исследователями для аналогичных условий [например, 1–3]: максимальные перенапряжения на неповрежденных фазах при дуговых прерывистых ОЗЗ по теории Петерсена достигали значений 3,8–4,0 U_ф.m; при ОЗЗ по теории Петерса и Слепяна – 3,5–3,6 U_ф.m (например, рис. 2).

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, РАСЧЕТНЫЕ УСЛОВИЯ И РЕЖИМЫ

Исследования влияния указанных выше факторов на величину перенапряжений при дуговых прерывистых ОЗЗ проводились в рамках работы по совершенствованию режимов заземления нейтрали и защиты от ОЗЗ электрических сетей напряжением 6–35 кВ системы электроснабжения Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК), включающей ТЭЦ с ГРУ 10 кВ и ГПП, питающие сети 6, 10 и 35 кВ, и выполнены на моделях указанных, как простых по конфигурации, так и разветвленных и достаточно сложных сетей.
Для исследований с использованием системы MATLAB на основе расчетных данных (проверенных с применением методов определения суммарного емкостного тока сети I_CΣ по результатам измерения напряжения несимметрии) были разработаны математические модели электрической сети 10 кВ ТЭЦ (суммарный емкостный ток I_CΣ > 350 А, сеть работает с компенсацией емкостного тока ОЗЗ), а также ряда сетей ГПП напряжением 6–35 кВ разных конфигураций с различными значениями IC. и режимами заземления нейтрали (изолированная нейтраль, резонансное заземление нейтрали через ДГР, высокоомное заземление нейтрали через резистор).
Моделирование линий осуществлялось различными способами: с использованием модели трехфазной линии с распределенными параметрами пакета SIMULINK, цепной схемой замещения, состоящей из нескольких Т-образных трехфазных звеньев с сосредоточенными параметрами, одним Т-образным звеном. Дальнейший анализ показал, что неучет распределенного характера параметров линий не приводит к существенным ошибкам в оценке максимальных перенапряжений при дуговых прерывистых ОЗЗ и достаточную точность расчетов обеспечивает представление линии одним Т-образным трехфазным звеном (рис. 1).

• трехфазный источник (генератор, эквивалентную систему), подключенный к соответствующей системе шин непосредственно или через кабельные линии связи;
• несколько отходящих присоединений, включая линии наибольшей и наименьшей протяженности, трансформатор для заземления нейтрали через ДГР или высокоомный резистор, присоединение с наибольшей эквивалентной емкостной нагрузкой в конце, имитирующей сеть ПС, РП, ТП и т.п.;
• эквивалентную часть сети, моделируемую включенными за активно-индуктивными сопротивлениями суммарными междуфазными емкостями, суммарными емкостями фаз на землю и соответствующими проводимостями изоляции;
• коммутационную аппаратуру – выключатели и управляемые ключи, моделирующие ОЗЗ;
• виртуальные измерители тока и напряжения – идеальные трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН) на каждой секции с коэффициентами трансформации, равными 1, многоканальные осциллографы.

• компенсация при соответствующих значениях суммарного емкостного тока сети IC. (резонансная настройка ДГР, расстройки компенсации в пределах ±5; ±10 и ±20%);
• резонансно-высокоомное заземление нейтрали [4] (резонансная настройка ДГР, расстройки компенсации в пределах ±5; ±10 и ±20%);
• изолированная нейтраль;
• высокоомное заземление нейтрали через резистор;

• дуговое прерывистое, по классической модели Петерсена, с гашениями дуги заземляющего тока в моменты перехода через ноль, обусловленные среднечастотной составляющей переходного тока замыкания на землю, связанной с зарядкой емкостей неповрежденных фаз (зарядной составляющей);
• дуговое прерывистое, по модели Петерсена, с гашениями дуги заземляющего тока в моменты перехода через ноль, обусловленные высокочастотной разрядной составляющей переходного тока замыкания на землю.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОЦЕНКА

Были установлены следующие основные особенности дуговых прерывистых ОЗЗ.
1. В зависимости от места возникновения ОЗЗ, параметров элементов и конфигурации сети, максимальные перенапряжения на поврежденной и неповрежденных фазах могут возникать при гашениях заземляющей дуги в моменты перехода тока через ноль, обусловленные как среднечастотной зарядной составляющей (классическая теория Петерсена), так и высокочастотной разрядной составляющей (что вероятно в начальной стадии развития повреждения изоляции).
2. При дуговых прерывистых ОЗЗ с гашениями заземляющей дуги в моменты перехода тока через нулевое значение, обусловленные высокочастотной разрядной составляющей, максимальные перенапряжения возникают, как правило, в месте пробоя изоляции. При этом перенапряжения на поврежденной фазе могут быть больше, чем перенапряжения на неповрежденных фазах.
3. В сетях, работающих с изолированной нейтралью, при ОЗЗ на шинах максимальные кратности перенапряжений, измеренных на этих же шинах, в основном соответствуют принимаемым в настоящее время большинством специалистов оценкам и не превышают значения 4,0 U_ф.m.
4. При ОЗЗ в удаленных от шин точках сети, работающей с изолированной нейтралью, кратности перенапряжений, измеренных на шинах, на концах линий и в месте ОЗЗ, могут быть значительно больше, достигая значений 6 U_ф.m и более (например, табл. 1).
5. Резонансное заземление нейтрали через ДГР практически исключает возможность возникновения перенапряжений на поврежденной фазе на шинах (максимальные кратности перенапряжений 1,0–1,15) и ограничивает перенапряжения на неповрежденных фазах на шинах до значений 2,4–2,6 U_ф.m, что хорошо согласуется с существующими оценками. Кратности перенапряжений, измеренных в месте ОЗЗ и в удаленных от шин точках сети, прежде всего на концах протяженных линий, в некоторых случаях могут быть больше и достигать значений порядка 3,0–3,5 U_ф.m (например, табл. 2).
6. Высокоомное заземление нейтрали через резистор позволяет уменьшить максимальные кратности перенапряжений, измеренные на шинах, на поврежденной фазе до 1,5 U_ф.m, на неповрежденных фазах – до 2,4–2,5 U_ф.m, что соответствует существующим оценкам;
а также, в отличие от резонансного заземления нейтрали через ДГР, ограничить максимальные кратности перенапряжений, измеренные в месте ОЗЗ и в удаленных от шин точках сети, до значений 2,7–2,8 U_ф.m (например, табл. 3).
7. Расстройки компенсации в пределах ±10% не оказывают существенного влияния на максимальные перенапряжения, прежде всего в месте повреждения и в конце протяженных кабельных линий.
8. Сочетание резонансного заземления нейтрали с высокоомным заземлением через резистор [4] не оказывает существенного влияния на максимальные кратности перенапряжений на поврежденной и неповрежденных фазах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе исследований на математических моделях установлено, что дуговые перемежающиеся ОЗЗ в реальных электрических сетях 6–35 кВ имеют ряд особенностей, а именно:

• максимальные перенапряжения могут возникать не на шинах, а в месте повреждения или в конце линий;
• на максимальные перенапряжения значительное влияние может оказывать возможность гашения дуги заземляющего тока в моменты перехода через ноль высокочастотной разрядной составляющей переходного тока;
• в зависимости от конфигурации сети, параметров ее элементов и места возникновения ОЗЗ максимальные перенапряжения на поврежденной и неповрежденных фазах могут возникать при гашениях заземляющей дуги в моменты перехода тока через ноль, обусловленные как среднечастотной зарядной составляющей, так и высокочастотной разрядной составляющей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Сиротинский Л.И. Техника высоких напряжений. Волновые процессы и внутренние перенапряжения в электрических системах. М.: Госэнергоиздат, 1959.
3. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостного тока. М.: Энергия, 1971.
4. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6 10 кВ // Электричество. 1998. № 12. С. 8–22.
5. Халилов Ф.Х. , Евдокунин Г.А., Поляков В.С. и др. Защита сетей 6–35 кВ от перенапряжений / Под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. СПб.: Энергоатомиздат, 2002.
6. Базылев Б.И., Брянцев А.М., Долгополов А.Г. и др. Дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю. СПб.: Изд. ПЭИПК, 1999.
7. Дударев Л.Е., Запорожченко С.И., Лукьянцев Н.М. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях // Электрические станции. 1971. № 8. С. 64–66.
8. Шалыт Г.М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных сетях // Труды ВНИИЭ. Вып. 8. М.: Гос-энергоиздат, 1959. С. 77–97.
9. Шуцкий В.И., Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1988.
10. Беляков Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 и 10 кВ с изолированной нейтралью // Электричество. 1957. № 5. С. 31–36.
11. Шуин В.А. Начальные фазовые соотношения электрических величин переходного процесса при замыканиях на землю в кабельных сетях 3–10 кВ // Электричество. 1991. № 10. С. 58–61.