Продолжаем публикацию серии статей, рассказывающих об опыте обеспечения надежности электрических сетей на примере Ханты-Мансийска. В предыдущем материале («Новости ЭлектроТехники» № 5(65) 2010) авторы в качестве важнейшего мероприятия, повышающего надежность и безопасность городских электрических сетей, назвали переход на заземление нейтрали сети через резистор с большим сопротивлением. Сегодня о внедрении и эксплуатации высокоомного заземления нейтрали в сети 10 кВ рассказывают директор городских электрических сетей Ханты-Мансийска Сергей Николаевич Дмитриев и сотрудники НГТУ – Сергей Валерьевич Нестеров и руководитель работ Юрий Викторович Целебровский.

Сергей Дмитриев, директор МП «Городские электрические сети» муниципального образования г. Ханты-Мансийск
Сергей Нестеров, к.т.н.,
Юрий Целебровский, д.т.н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ МАЛЫХ ГОРОДОВ.
Обеспечение надежности и безопасности электроснабжения

В мировой практике резистивное заземление нейтрали сети среднего напряжения является наиболее распространенным режимом [1]. За рубежом в большинстве случаев сопротивление резистора выбирается равным 100–200 Ом, что для городских сетей России, имеющих в своем составе, как правило, воздушные линии электропередачи (ВЛ), является неприемлемым в силу существенного возрастания токов однофазного замыкания на землю и ухудшения условий электробезопасности, о которых мы писали в предыдущей публикации [2].

Надежным средством для сетей среднего напряжения в России является резистор с большим сопротивлением (500 Ом и более), хотя это не исключает и применение резисторов с более низким сопротивлением. Заземление нейтрали через резистор является альтернативой заземлению нейтрали через дугогасящий реактор (ДГР), о чем однозначно говорится в п. 1.2.16 ПУЭ [3]. Однако вначале хотелось бы кратко изложить наше мнение об альтернативном решении – применении ДГР.

ДУГОГАСЯЩИЙ РЕАКТОР – УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

Однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) является аварийным режимом сети и в соответствии с п. 2.8.11 ПТЭ [3]: «...к отысканию места повреждения (подчеркнуто авторами)... следует приступить немедленно и ликвидировать повреждение в кратчайший срок». ДГР служит для уменьшения последствий такого режима за счет снижения тока в месте замыкания. Однако, как пишут идеологи компенсации емкостных токов,
«...оптимальный режим наступает при достаточно высокой точности резонансной настройки...» [4].

В настоящее время разработаны системы автоматики и устройства точной подстройки параметров ДГР к изменяющейся емкости сети. Это существенно удорожает систему, и возникает вопрос об экономической эффективности этого мероприятия. При стоимости одного ДГР с системой автоматики более полумиллиона рублей составит ли экономическая выгода сетевого предприятия от сохранения на некоторое время достаточно редких однофазных замыканий хотя бы пятую часть от названной суммы? В действительности деньги, потраченные на установку и эксплуатацию ДГР, практически не окупаются, а установленный ДГР свои функции не выполняет.

Дело в следующем. В соответствии с п. 2.8.16 ПТЭ «в сетях, работающих с компенсацией емкостного тока, напряжение несимметрии должно быть не выше 0,75% фазного напряжения». Такая несимметрия возможна в кабельных сетях, однако при наличии ВЛ несимметрия увеличивается и достигает значений от 1% при одноцепных ВЛ до 5–7% при двухцепных ВЛ. Наличие несимметрии и отсутствие простых устройств симметрирования (которые еще больше удорожат систему) заставляет настраивать ДГР с перекомпенсацией 5–10% (п. 2.8.15 ПТЭ), что практически ликвидирует небольшую (и экономически не оправданную) пользу ДГР в городских электрических сетях.

Головные (питающие) подстанции, на которых, как правило, устанавливаются ДГР, в большинстве случаев принадлежат компаниям, не имеющим отношения к эксплуатации городских сетей, и не находятся под управлением городской диспетчерской службы. Это еще в большей степени усложняет подстройку ДГР при изменении конфигурации городской сети. Нам известно много случаев, когда ДГР на подстанции превратились просто в памятники бездумного выполнения Правил и бесполезного использования денег.

Итак, по нашему мнению, заземление нейтрали в городской электрической сети через дугогасящий реактор – это дорогостоящий способ сохранения аварийного режима и ухудшения условий электробезопасности в густонаселенной местности.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ СЕТИ ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР – ВЫГОДНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА ДГР

В соответствии с п. 1.2.16 ПУЭ «работа электрических сетей напряжением 2–35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор».

Мы бы не стали, как это делает автор [1], категорически отвергать режим изолированной нейтрали. При слабо развитой сети (токах ОЗЗ в несколько ампер), отсутствии резервирования такой режим вполне уместен. Два других режима, как видно из определения, соединены союзом «или», обозначающим альтернативу. Появившиеся в последнее время предложения (кое-где уже реализованные) о параллельном включении ДГР и резистора, во-первых, нарушают требования ПУЭ, а во-вторых, не несут никакого технического смысла. Если ДГР служит для снижения тока замыкания с целью гашения дуги и восстановления в этом случае нормального режима сети, то зачем увеличивать ток замыкания, подключая резистор?

Включенный в нейтраль сети резистор обладает следующими преимуществами:

• современный мощный резистор значительно дешевле регулируемого ДГР;
• сопротивление резистора выбирается на стадии проектирования и не требует подстройки к изменяющейся конфигурации сети (см. ниже);
• резистор в нейтрали снижает кратности дуговых перенапряжений до допустимых значений (не опасных для изоляции здоровых фаз) и полностью устраняет феррорезонансные процессы в сети;
• наличие резистора в нейтрали создает активный ток только в поврежденном присоединении, что изменяет модуль и угол тока поврежденного фидера по сравнению с токами других присоединений, т.е. упрощает алгоритмы и обеспечивает надежное срабатывание защиты от замыканий на землю.

Выбор значения сопротивления резистора обусловлен допустимыми кратностями дуговых перенапряжений, допустимыми напряжениями прикосновения и токами срабатывания релейной защиты. Если первый и последний факторы обычно требуют уменьшения сопротивления, то по условиям безопасности сопротивление резистора должно быть как можно больше.

По условию дуговых перенапряжений сопротивление резистора R_N должно выбираться в зависимости от емкости сети по выражению [5, стр. 44]:

,

где С_ф – средняя емкость между фазой и землей;
η = 1 для всех сетей, кроме сетей с двухцепными ВЛ, для которых η = С_мс / С_ф (С_мс – межцепная емкость).

При этом условии емкости здоровых фаз разряжаются менее чем за полпериода промышленной частоты, и роста перенапряжения при перемежающейся дуге не происходит. В соответствии с расчетами [5, стр. 176] кратность перенапряжений при этом не превысит в самом тяжелом случае 2,4, что ниже испытательных напряжений для изоляции. При отклонении сопротивления в ту или иную сторону лишь несколько изменяется время разряда емкости и уровень перенапряжений. Реальные опыты, проведенные нами, о которых расскажем далее, показали, что кратности перенапряжений могут быть значительно ниже расчетных.

Для обеспечения электробезопасности при замыканиях на землю в сети с резистивно заземленной нейтралью необходимо, чтобы при увеличении тока замыкания (за счет резистора) напряжения прикосновения к оборудованию подстанций 10/0,4 кВ и нулевым проводам сети 0,4 кВ не превышали допустимых по ГОСТ 12.1.038-82. В зависимости от времени отключения ОЗЗ τ эти допустимые значения можно описать эмпирической формулой:

.

При ОЗЗ напряжение прикосновения будет равно напряжению на ЗУ (U_З = I_ОЗЗ • R_З), уменьшенному за счет коэффициентов прикосновения α_пр и основания β_осн. При равенстве емкостного сопротивления сети и сопротивления резистора:

.

Таким образом, получаем значение напряжения прикосновения при ОЗЗ:

.

Сопротивление резистора в нейтрали по условиям электробезопасности в зависимости от времени действия релейной защиты определится как:

При фазном напряжении U_ф = 6600 В, сопротивлении ЗУ R_зу = 4 Ом, коэффициенте прикосновения к нулевому проводу α_пр = 1 и коэффициенте основания (трава, песок) β_осн = 0,85, сопротивление резистора в нейтрали R_N должно быть более 450 Ом.

Условия надежной работы релейной защиты зависят от принципов и алгоритмов защиты и будут обсуждены нами в последующих статьях. Снижение сопротивления резистора увеличивает отклонения угла тока повреждения от 90° (по отношению к напряжению нулевой последовательности) и увеличивает сам ток, что благоприятно сказывается на упрощении алгоритмов и надежности работы защиты.

Рассмотренные принципы резистивного заземления были реализованы в городской сети г. Ханты-Мансийска.

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В ГОРОДСКОЙ СЕТИ 10 кВ

Упрощенная схема сети (отсутствуют ТП 10/0,4 кВ, промежуточные РП и связи между РП) представлена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная схема сети

Резисторы установлены на питающих сеть подстанциях 110/10 кВ и работают при любой конфигурации сети. На действующих ПС «Ханты-Мансийская», «Авангард» и «Самарово» резисторы были установлены по временной схеме (рис. 2) и подключались по схеме «звезда» к каждой секции шин 10 кВ непосредственно в ЗРУ 10 кВ. Подключение осуществлялось выключателем при появлении напряжения нулевой последовательности, без выдержки времени. Такое решение обеспечило дешевизну и быстроту внедрения (в настоящее время рассматривается вопрос о реконструкции системы и приведении ее к нормальной схеме).

Рис. 2. Варианты схем подключения резисторов к шинам 10 кВ (без фильтра присоединения):
а) на вводе в ЗРУ; б) на каждой секции

Нормальная схема – подключение резисторов через фильтры нулевой последовательности – была реализована на вновь спроектированной и сооруженной ПС «Западная». Резисторы на ПС «Западная» установлены на открытом воздухе рядом с ЗРУ 10 кВ и фильтром присоединения типа ФМЗО.

В качестве резисторов использовались проволочно-керамические резисторы производства НГТУ (рис. 3) [6].

Рис. 3. Модуль резисторной установки

Uном = 6 кВ; Исполнение – наружное; R = 1500 Ом; Время непрерывной работы при номинальном напряжении – 27 с; Номинальная мощность – 24 кВт; Поглощаемая энергия – 0,65 МДж; Высота – 0,38 м; Диаметр тела – 0,15 м; Масса – 20 кг

Достоинствами проволочно-керамических резисторов являются стабильность и долговечность параметров, малые габариты, позволяющие установить их в ЗРУ и на действующей подстанции, малая по сравнению с ДГР стоимость. Резисторы предназначены для работы при отключаемых ОЗЗ (следует еще раз отметить, что мы являемся сторонниками отключения ОЗЗ в городских сетях устройствами защиты, что на порядки снижает вероятность электропоражений населения при ОЗЗ. Такая позиция позволяет при этом снизить энергоемкость резистора, а следовательно, его габариты и стоимость).

В первый период эксплуатации, когда защита на головных подстанциях устанавливается «на сигнал», резисторы после гашения перенапряжений отключаются через 10 с, что обеспечивает их допустимый нагрев. При многочисленных опытах ОЗЗ при помощи тепловизора измерялась конечная температура резисторов, которая в итоге не превышала 120° С (рис. 4). По ПУЭ (п. 1.4.16) в ЗРУ кратковременный нагрев шин может достигать 200°С и более. Повышенная температура фазы В объясняется тем, что именно эта фаза замыкалась на землю в опытах однофазных дуговых замыканий (ОДЗ).

Рис. 4. Тепловизионные снимки нагретых резисторов

tmax =+ 77°C RA= 1500 Ом	tmax =+ 114°C RB= 1500 Ом	tmax =+ 88,7°C RC= 1500 Ом

Некоторые результаты опытов ОДЗ при установленных на ПС «Ханты-Мансийская» резисторах приводятся ниже. На рис. 5 приведена развернутая осциллограмма опыта ОДЗ. Дуговое замыкание осуществлялось через воздушный промежуток, шунтированный тонкой проволочкой. Из осцилло-граммы видно, что примерно через 8 периодов промышленной частоты проволочка сгорала, а возникшая при этом дуга носила прерывистый характер. Об этом говорят периодические исчезновения тока и всплески напряжения на замкнутой фазе с одновременным исчезновением напряжения нулевой последовательности (3U₀).

Рис. 5. Осциллограммы металлического замыкания с переходом в дуговое

На здоровых фазах при этом не наблюдался заметный рост напряжения по сравнению с линейным (рис. 6).

Рис. 6. Напряжения фаз и ток при ЗНЗ

Хотя на этих фазах (А и С) можно заметить определенное повышение напряжения в начале опыта, пока не был подключен резистор (нижняя розовая осциллограмма блок-контактов выключателя резистора на рис. 6). Это произошло примерно через 0,1 с. При этом на определенное время стабилизировалась дуга, затем ее перемежающийся характер вновь проявился, но дуговых перенапряжений не возникло. Опыты ОДЗ однозначно показали эффективность резистивного заземления.

Вывод

Резистивное заземление на ПС «Ханты-Мансийская» было выполнено в 1999 г., на подстанциях «Авангард» и «Самарово» – в 2000 г. Подстанция «Западная» с резистивным заземлением нейтрали была сооружена и введена в эксплуатацию в 2005 г.

Таким образом, более чем десятилетний опыт работы городской электрической сети 10 кВ с высокоомным (750 Ом) заземлением нейтрали показал эффективность такого способа заземления и зарекомендовал себя как выгодная альтернатива заземлению нейтрали сети через дугогасящий реактор.

Литература

1. Титенков С.С. 4 режима заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ. Изолированную нейтраль объявим вне закона // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 5(23).
2. Дмитриев С.Н., Нестеров С.В., Целебровский Ю.В. Городские электрические сети. Обеспечение надежности и безопасности электроснабжения // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 5(65).
3. Библия электрика: ПУЭ, 6-е и 7-е изд., МПОТ, ПТЭ. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2009. 688 с.
4. Идеология полного подавления дуговых замыканий как универсальное средство борьбы с однофазными замыканиями на землю в сетях 6–35 кВ различного назначения / Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ: Труды третьей Всероссийской научно-технической конференции. Новосибирск, 2004. С. 67–75.
5. Режимы заземления нейтралей сетей 3–6–10–35 кВ: Доклады научно-технической конференции. Новосибирск, 2000. 200 c.
6. Целебровский Ю.В. Расчет, конструкция и технология изготовления энергоемких проволочно-керамических изделий // Электротехника. 2000. № 11. С. 60–64.