Надежность системы электроснабжения собственных нужд подстанций определяет надежность работы подстанции в целом, а значит и надежность электроснабжения потребителей. В процессе проектирования, участия в экспертизе проектов других организаций, бесед с эксплуатационным персоналом, представителями заводов-изготовителей электрооборудования Владимиру Семеновичу Фишману приходилось сталкиваться с разным отношением к вопросам построения системы собственных нужд подстанций, выбору оборудования и защит, конструктивным решениям, причем не всегда это отношение можно было назвать правильным и логичным.
Поэтому, считает автор материала, в интересах не только проектных, но и эксплуатационных организаций, поставщиков и изготовителей электрооборудования необходимо разобраться в характерных нерациональных и ошибочных решениях, а также остановиться на некоторых дискуссионных вопросах.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

СИСТЕМА ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ПОДСТАНЦИЙ 110–220 кВ
Ошибочные и нерациональные решения, дискуссионные вопросы

ТРАНСФОРМАТОРЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД И ИХ ЗАЩИТА

Начать следует с «головы» системы питания собственных нужд (СН) подстанций (ПС) – с трансформаторов собственных нужд (ТСН) и особенностей их защиты.

Согласно основному нормативному документу ФСК ЕЭС по проектированию ПС [1], «На ПС с постоянным оперативным током (в том числе при наличии ШУОТ) трансформаторы собственных нужд должны присоединяться через предохранители или выключатели к шинам РУ 6–35 кВ, а при отсутствии этих РУ – к обмотке НН основных трансформаторов. На ПС с переменным и выпрямленным оперативным током трансформаторы собственных нужд должны присоединяться через предохранители на участке между вводами НН основного трансформатора и его выключателем».

Здесь и далее, к сожалению, ничего не говорится об особенностях защиты ТСН высоковольтными предохранителями и о целесообразности применения в таких случаях тех или иных схем соединения обмоток ТСН – Y/Y-н, Δ/Y-н, Y/Z-н. Поэтому данным вопросам при проектировании и эксплуатации часто не уделяют должного внимания.

Так, при выборе высоковольтных предохранителей забывают важное указание п. 1.4.3 ПУЭ: «Цепь считается защищенной плавким предохранителем, если его отключающая способность выбрана в соответствии с требованиями настоящих Правил и он способен отключить наименьший возможный аварийный ток в данной цепи». Подчеркну, что здесь говорится не только о максимальном, но и о минимальном токе отключения, который является весьма характерным показателем именно высоковольтных предохранителей.

Относительно применения предохранителей и ТСН с разными схемами соединения обмоток в журнале «Новости ЭлектроТехники» была опубликована статья [2], где, в частности, были показаны недостатки ТСН со схемой соединения обмоток Y/Y-н, особенно проявляющиеся при защите ТСН высоковольтными предохранителями. Однако применение таких ТСН с предохранителями продопжается, и напрашивается вывод, что ситуация не изменится до тех пор, пока в [1] не будут внесены необходимые разъяснения и дополнения.

В связи с этим, не вникая подробно в детали, изложенные в [2], имеет смысл повторить некоторые выводы. Основной заключается в том, что предохранители 6–35 кВ, как правило, не могут обеспечить требуемую надежность отключения однофазных КЗ (ОКЗ) за ТСН со схемой соединения обмоток Y/Y-н ввиду больших величин сопротивлений нулевой по-следовательности таких трансформаторов. Это становится очевидным, если учитывать «минимальный ток отключения» предохранителей, который обеспечивает необходимую энергию для разрыва дуги при КЗ. Если ток КЗ не достигает этого значения, то разрыв дуги становится невозможным. Поясним, почему это происходит.

Величина минимального тока отключения предохранителей I_мин.пр, по данным как отечественных, так и зарубежных производителей [3], изменяется в широких пределах:

где I_ном.пр – номинальный ток предохранителя.

В свою очередь I_ном.пр по условиям отстройки от броска тока намагничивания ТСН согласно [4] выбирается в среднем равным:

где I_ном.тр – номинальный ток ТСН.

Примерно аналогичный результат получается и при использовании методики выбора предохранителей, разработанной компанией Merlin Gerin.

В результате минимальный ток предохранителей по отношению к номинальному току ТСН оказывается в пределах:

Расчеты же показывают, что ток ОКЗ за ТСН со схемой соединения обмоток Y/Y-н достигает лишь 4÷5 I_ном.тр, а с учетом сопротивлений кабеля, электрической дуги и др. элементов связи ТСН с главным распределительным щитом 380/220 В (ГРЩ) величина ОКЗ оказывается еще меньше.

Поскольку в этих случаях I_ОКЗ < I_мин.пр, то отключить такой ток предохранитель не в состоянии, а это означает, что произойдет авария – возгорание либо кабелей, либо ТСН.

Совет о применении силовых трансформаторов со схемой соединения обмоток Δ/Y-н вместо Y/Y-н можно найти и в международных рекомендациях [5].

Однако следует заметить, что при определенных условиях чувствительность предохранителей может оказаться недостаточной даже и в сочетании с ТСН со схемой соединения обмоток Δ/Yн. Поэтому защиту ТСН высоковольтными предохранителями на ПС следует применять крайне осмотрительно после тщательного расчета токов КЗ в зоне защиты. В сочетании же с ТСН со схемой соединения обмоток Y/Y-н защиту предохранителями применять не следует.

CТРУКТУРА СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В тех случаях, когда используются ТСН относительно небольшой мощности (63–160 кВА), обычно применяются двухступенчатые схемы электроснабжения потребителей СН как наиболее простые и надежные.

Верхняя ступень – главный распределительный щит – ГРЩ 380/220 В, нижняя – силовые сборки и шкафы управления на ОРУ, ЗРУ, ОПУ. Однако при ТСН мощностью 400–630 кВА и более такие простые схемы могут привести к существенному увеличению капитальных затрат на кабельные сети. Это связано с необходимостью резервирования отказа автоматических выключателей (АВ) отходящих от ГРЩ фидеров вводным АВ ГРЩ. Условие надежного резервирования является обязательным для обеспечения невозгорания кабелей [6]. С увеличением мощности ТСН увеличивается номинальный ток вводного АВ ГРЩ, и при определенных условиях этот АВ уже теряет способность резервировать АВ отходящих линий.

Для увеличения чувствительности вводного АВ проектировщики в ряде случаев идут на повышение значений токов КЗ путем увеличения сечения кабелей отходящих с ГРЩ фидеров. Так, на одной из подстанций 220/110/10 кВ сечения таких кабелей общей длиной в несколько сотен метров были увеличены до 4×95 мм², тогда как по допустимой токовой нагрузке было бы достаточно сечений 4×2,5 – 4×6 мм². Учитывая, что в системе СН ПС согласно [1] применяются специальные достаточно дорогостоящие кабели типа ВВГнг-LS, такое увеличение сечения приводит к существенному удорожанию стоимости строительства (в некоторых случаях от нескольких сотен тысяч до миллиона рублей). Кроме этого, осложняется монтаж и подключение кабелей большого сечения.

Такой ситуации можно избежать, если вместо двухступенчатой принять трехступенчатую схему электроснабжения (рис. 1), в которой функцию резервирования отказа фидерных АВ выполняет специальный групповой АВ, номинальный ток которого гораздо меньше тока вводного АВ на ГРЩ, за счет чего и обеспечивается его большая чувствительность. При этом возможно сохранение селективности работы АВ практически без увеличения времени действия головных защит, что достигается при использований рекомендаций [7].

Рис. 1. Трехступенчатая схема электроснабжения СН

Следует отметить, что такое достаточно простое решение иногда встречает возражения. Некоторые специалисты считают, что усложнение схемы приводит к снижению надежности питания потребителей СН. Не приветствуют такие решения и заводы-изготовители ГРЩ, т.к. при этом усложняется конструкция щита, особенно при наличии пятишинной схемы ГРЩ, о которой речь пойдет далее.

Хотя приведенные выше возражения против 3-ступенчатых схем достаточно спорны, все же очевидно, что при принятии окончательного решения в каждом конкретном случае необходимо учитывать все сопутствующие обстоятельства.

ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Согласно [1] «Для сети собственных нужд переменного тока необходимо принимать напряжение 380/220 В с заземленной нейтралью». К сожалению, данный стандарт не конкретизирует, какую систему с заземленной нейтралью следует применять: TN-С, TN-S или TN-С-S. По данному вопросу нет никаких указаний и в главах ПУЭ, относящихся к подстанциям (гл. 4.1 и 4.2), хотя согласно основной главе по вопросам заземления (гл. 1.7, п. 1.7.57) именно в гл. 4.1 и 4.2 должны быть конкретные указания по этому вопросу.

Из-за отсутствия таких указаний или рекомендаций наблюдается большой разнобой в проектных решениях, а также их неувязки с решениями различных заводов-изготовителей электрооборудования. Большинство таких предприятий продолжают применять разработанные ранее схемы с использованием системы TN-С по инерции, а некоторые – в силу убеждения, что данная система проще, а значит надежнее.

Среди ряда специалистов существует мнение, что систему TN-С следует применять для питания силовых злектроприемников СН ПС, а для питания шкафов с электронным слаботочным оборудованием, электроосвещения использовать систему TN-S (рис. 2). Однако в пользу более широкого применения системы TN-S можно привести ряд аргументов.

Рис. 2. Система заземления TN-C-S с разделением PEN-проводника на ГРЩ

Аргумент № 1

Система TN-S по сравнению с системой TN-С с точки зрения электробезопасности имеет определенные преимущества. Она позволяет осуществлять непрерывный контроль состояния изоляции проводников относительно заземленных частей оборудования и тем самым предотвращать возможные поражения персонала при косвенном прикосновении.

Такой контроль может выполняться не только в системе TN-S в целом, но и на ее отдельных присоединениях с помощью устройств типа УЗО либо устройств дифзащиты, встроенных в соответствующие АВ. Одновременно такие устройства осуществляют дополнительную защиту при прямом прикосновении, применение которой предписано п. 1.7.50 ПУЭ. При этом следует учитывать указание п. 1.1.13 ПУЭ, касающееся ОРУ ПС: «территория открытых электроустановок в отношении опасности поражения людей электрическим током приравнивается к особо опасным помещениям». В системе TN-С такой контроль невозможен (п. 1.7.80 ПУЭ). Более подробно о защитах расскажем в следующем материале.

Аргумент № 2

Согласно [5] систему TN-C нельзя применять в пожаро-опасных зонах. Несмотря на то, что в соответствующей главе ПУЭ, относящейся к электроустановкам в пожароопасных зонах (гл. 7.4), такого ограничения нет, международные рекомендации следует признать справедливыми. При системе TN-C значительная часть тока РЕN-проводника протекает по проводящим частям оборудования (см. далее – Авт.), что не исключает появления искрения, опасного в пожароопасных зонах.

К пожароопасным зонам на территории ПС относятся зоны в камерах масляных трансформаторов, дугогасительных реакторов, в помещениях и сооружениях для ремонта маслонаполненного электрооборудования, а также определенные зоны (3–5 м) вокруг установленного на ОРУ маслосодержащего оборудования. Для этих территорий применение системы ТN-С следует считать недопустимым. Однако, как уже отмечалось выше, в ПУЭ такого ограничения нет, поэтому отечественные заводы-изготовители продолжают комплектовать выпускаемое маслонаполненное электрооборудование шкафами управления, выполненными по системе ТN-C.

Аргумент № 3

Следующий недостаток системы TN-С, указанный также в [5], состоит в том, что она является источником электромагнитных помех. Необходимо отметить, что на территории ПС 110 кВ и выше этот недостаток может проявлять себя весьма ощутимо.

Связано это с тем, что на таких ПС в соответствии с требованиями гл. 1.7 ПУЭ сооружается специальная заземляющая сетка. При раскладке продольных и поперечных полос заземляющей сетки, помимо соображений заземления оборудования и выравнивания потенциалов на территории ПС, дополнительно должны учитываться требования молние¬защиты и защиты вторичных цепей от электромагнитных наводок и импульсных помех.

Специальные расчеты, проведенные в институте «Энергосетьпроект-НН-СЭЩ» (Нижегородском филиале ООО УК «Электрощит-Самара»), показали, что выполненная с учетом всех этих требований заземляющая сетка обладает весьма малым электрическим сопротивлением, которое шунтирует включенные параллельно с ней сопротивления PEN-проводников в системе СН.

В результате до 90% тока нейтрали протекает по заземляющей сетке и лишь небольшая часть тока – по самим PEN-проводникам. При таком распределении токов, с учетом того что заземляющая сетка и кабели находятся на некотором удалении друг от друга, электромагнитное поле вблизи кабелей оказывается нескомпенсированным:

и в этом случае оно служит источником наводок и электромагнитных помех по отношению к расположенным рядом соседним кабелям. Эти помехи могут проявляться особенно сильно при ОКЗ в сети СН, когда величины токов в поврежденном кабеле достигают нескольких сотен ампер.

Выполнение требований действующих указаний относительно ЭМС в таких условиях, когда прокладываемые в лотках кабели находятся в непосредственном соприкосновении друг с другом, становится весьма проблематичным.

Аргумент № 4

Постоянно протекающий в системе TN-С по заземляющей сетке и другим проводящим элементам оборудования и строительных металлоконструкций, соприкасающихся с землей, ток рабочего режима (ток небаланса фаз и однофазных электроприемников) способствует усилению коррозии этих элементов. В системе TN-S токи рабочего режима не выходят за пределы кабеля.

Интересно отметить, что согласно [5] при выполнении заземляющего устройства для прокладки в земле должны использоваться либо медные, либо стальные оцинкованные, либо омедненные проводники. Аналогичные решения применяются в Республике Куба и в странах североамериканского континента. Это свидетельствует о том, что вопросам надежности заземляющих устройств, и в том числе защиты их от коррозии, в зарубежных странах уделяется больше внимания, чем принято в России.

Аргумент № 5

Сечение PEN-проводника согласно п. 1.7.131 ПУЭ должно быть не менее 10 мм² по меди или 16 мм² по алюминию, в то время как для большинства электроприемников СН распределительной сети по допустимой нагрузке, как правило, достаточно сечения фазных жил 2,5–4 мм². То есть при применении системы TN-C сечения кабелей распределительной сети приходится завышать. В случае же использования системы TN-S такого завышения сечения с учетом п. 1.7.126 ПУЭ не потребуется.

Все вышеуказанные особенности дают основание считать применение системы TN-S предпочтительным по сравнению с системой TN-С, по крайней мере для распределительной сети от ГРЩ к потребителям.

ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НА ГРЩ 380/220 В

Принципиально важным, в т.ч. для заводов-изготовителей щитовых устройств, является вопрос о том, по какой системе выполнять сам ГРЩ 380/220 В. Возможны различные решения. Согласно первому щит выполняется по системе TN-С-S (рис. 2).

В данном случае для одной части отходящих фидеров предусмотрено питание по системе TN-С, а для другой – по системе TN-S. Вводные и секционный АВ на ГРЩ и АВ отходящих фидеров в системе TN-С выполняются трех или однополюсными с учетом того, что разрыв PEN-проводника недопустим. АВ отходящих фидеров системы TN-S выполняются четырех-, трех- и двухполюсными (в зависимости от потребителей), с разрывом N-проводника.

Уместно заметить, что по вопросу необходимости установки расцепителя в N-проводниках системы TN-S существуют различные указания. Так, согласно п. 3.1.18 ПУЭ «При защите сетей с глухозаземленной нейтралью автоматическими выключателями расцепители должны устанавливаться во всех нормально незаземленных проводниках». Нулевые рабочие проводники N в системе TN-S, как известно, не заземлены (за исключением одной точки у источника питания). ГОСТ Р 50571.7-94 (п. 461.2) [8] трактует это требование иначе: «В системе TN-S отделять или отключать рабочий нулевой проводник не требуется».

Что касается зарубежных рекомендаций [5], то разрыв N проводника в системе TN-S, как правило, предусматривается, что, безусловно, повышает электробезопасность при выполнении ремонтных и профилактических работ. Это становится очевидным, если принять во внимание, что при ОКЗ в сети 110–220 кВ на территории ПС, а иногда и за ее пределами, между отдельными точками ее заземляющего устройства (ЗУ) возникает разность потенциалов, которая, по данным компании «ЭЗОП», изучающей вопросы ЭМС, может достигать 1÷2 кВ. При отсутствии разрыва N-проводника эта разность потенциалов может иметь место между обмоткой ремонтируемого электроприемника и точкой ЗУ вблизи него, при этом ремонтирующий персонал может быть травмирован. Допускать этого, естественно, нельзя, что подтверждает необходимость разрыва N-проводника.

Второй вариант ГРЩ отличается тем, что разделение PEN на N- и PE-проводники происходит до вводного АВ на ГРЩ (рис. 3). Такая схема часто применяется в зарубежной практике, в частности, на ПС на Кубе, где электроустановки традиционно выполняются по североамериканским нормам. В этом случае сам ГРЩ выполняется по системе TN-S, шины N и PE на щите не связаны между собой перемычкой. Все АВ, в т.ч. вводные и секционный, выполняются четырехполюсными. Разделение N и PE-проводников может выполняться и на источнике питания, т.е. непосредственно на выводе нейтрали обмотки низшего напряжения ТСН.

Рис. 3. Система заземления TN-C-S с разделением PEN-проводника до вводного автомата на ГРЩ

Схема ГРЩ, полностью выполняемая по системе TN-S, представляется более понятной, более надежной и безопасной в эксплуатации.

Кроме всего сказанного выше, при оценке преимуществ и недостатков различных схем и систем заземления в сети СН необходимо учитывать важные особенности и различия расчета токов КЗ и выполнения защит в них. Этим вопросам будет посвящен следующий материал.

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 56947007. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–750 кВ (НТП ПС) / Стандарт организации. ОАО «ФСК ЕЭС», 2009.
2. Федоровская А.И., Фишман В.С. Силовые трансформаторы 6–10/0,4 кВ. Особенности применения различных схем соединения обмоток // Новости ЭлектроТехники. 2009. № 6(60).
3. ООО «КВАРЦ». «Предохранители токоограничивающие серии ПКТ и ПКН. Техническое описание и инструкция по эксплуатации».
4. Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем (электротехническая часть). – 2-е изд. М.: Энергоиздат, 1981.
5. Компания Schneider Electric. «Руководство по электрическим установкам 2005».
6. Циркуляр РАО ЕЭС России № Ц-02-98(Э) «О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания».
7. Каталог компании Schneider Electric. «Дополнительная техническая информация».
8. ГОСТ Р 50571.7-94. «Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Отделение, отключение, управление».