Заземление нейтрали

Технические решения, возможно удачные, но не предусмотренные в ПУЭ, закономерно воспринимаются в профессиональной среде настороженно. Это в полной мере относится и к применению в сетях 6–10 кВ режима кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали. По ряду причин данный режим был признан наиболее целесообразным для повышения надежности работы одного из кабельных участков напряжением 10 кВ в Пятигорских электрических сетях [1]. С момента внедрения этого решения в 2008 г. накоплен значительный опыт эксплуатации, однако не все эксперты готовы согласиться с тем, что с точки зрения электробезопасности все вопросы сняты.
По мнению Владимира Семеновича Фишмана, принципиальное изменение режима заземления нейтрали, к которому из-за высокого износа силового электротехнического оборудования в распределительных сетях прибегли пятигорские энергетики, чревато опасными последствиями и нуждается в дополнительном анализе.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6–35 кВ
Электробезопасность и нормативные требования

По данным [1], до 90% от общего числа нарушений нормальной работы в существующих кабельных сетях 6–10 кВ составляют однофазные замыкания на землю (ОЗЗ). В подавляющем большинстве эти сети не оборудованы современной защитой от ОЗЗ, поэтому при общей ослабленности изоляции кабелей ОЗЗ часто переходят в многоместные замыкания, что сопровождается отключением сразу нескольких фидеров.

Для исключения таких явлений в [1] предлагается кратковременное резкое увеличение тока ОЗЗ до значений 500–700 А, при которых срабатывают максимально-токовые защиты. Увеличение тока ОЗЗ осуществляется подключением к шинам 6–10 кВ специального нейтралеобразующего заземляющего трансформатора (ЗТ) со схемой соединения обмоток «звезда–треугольник» с заземленной нейтралью (рис. 1). При включении ЗТ во время ОЗЗ напряжение относительно земли на неповрежденных фазах, по мнению авторов, должно находиться в пределах нормального фазного напряжения U_ф.неп ≈ U_ф.ном, благодаря чему исключаются многоместные замыкания.

Рис. 1. Токи в контуре нулевой последовательности при ОЗЗ

Авторы [1] полагают, что предложенное решение может применяться как менее затратное вместо требуемой п. 1.2.16 ПУЭ установки дугогасительных реакторов для компенсации емкостных токов ОЗЗ.

Предлагаемый метод по своей сути можно отнести к «шоковой терапии». Характерно, что подобные методы применялись в нашей стране не только в экономической, но и в технической области. Достаточно вспомнить, например, как несколько десятилетий назад широко применялось искусственное однофазное КЗ в сетях 110 кВ для инициирования работы защит на источнике питания. Целью этого решения была экономия капитальных затрат за счет использования короткозамыкателей вместо выключателей, однако резко возросла аварийность, поэтому в настоящее время от этого метода практически отказались.

СОВМЕСТИМОСТЬ С НОРМАТИВНЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ

Необходимо заметить, что режим работы сетей среднего напряжения с нейтралью, заземленной через низкоомное индуктивное сопротивление, отечественными нормами не предусмотрен. Согласно п. 1.2.16 ПУЭ [2] сети 2–35 кВ должны работать с изолированной либо заземленной через большое индуктивное сопротивление или резистор нейтралью. При этом все последующие требования к сопротивлению заземляющих устройств (ЗУ) в этих сетях исходят именно из таких режимов работы. При выполнении указанного в [1] условия U_ф.неп ≈ U_ф.ном данная сеть на основании п. 1.7.4 ПУЭ становится сетью с эффективно заземленной нейтралью, поскольку коэффициент замыкания на землю при этом К_з ≈ 1. Однако дальнейшие расчеты показали (и к этому пришли сами авторы[1]), что при реальных соотношениях мощностей источника питания и ЗТ указанный коэффициент К_з ≥ 1,5. А это означает, что статус сети не меняется и сопротивления ЗУ электроустановок выше 1 кВ должны рассчитываться согласно п. 1.7.96 ПУЭ по формуле:

где I – расчетный ток замыкания на землю, А.

С учетом токов замыкания на землю, приведенных в табл. 1 [1], по этому условию сопротивление ЗУ электроустановок в целом ряде случаев окажется значительно меньше 0,5 Ом. Невыполнение требований п. 1.7.96 ПУЭ влечет за собой нарушение требования ГОСТ [3] в отношении предельно допустимого напряжения прикосновения.

Таблица 1. Предельно допустимые напряжения прикосновения (ДНП) в аварийном режиме бытовых электроустановок напряжением до 1000 В, 50 Гц (выдержки из [3])

Оценка напряжений прикосновения

Для оценки ожидаемых напряжений прикосновения необходимо обратиться к ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93) [4].

Из рис. 2, заимствованного из ГОСТ, следует, что при ОЗЗ на электроустановке выше 1 кВ на проводящих частях как высоковольтного, так и низковольтного электрооборудования, питающегося по системе TN, возникает напряжение относительно земли, равное:

где R – сопротивление ЗУ току ОЗЗ;
I_m – ток ОЗЗ (или часть его, протекающая через R).

Рис. 2. Возникновение напряжения на заземленных частях электрооборудования электроустановок до и выше 1 кВ при однофазном замыкании на стороне выше 1 кВ (рис. 44В [4])

В воздушной или кабельно-воздушной сети при повреждении на ТП весь ток ОЗЗ протекает через ЗУ ТП. Поэтому при токах ОЗЗ, которые необходимы для обеспечения работы существующих защит (500–700 А по данным [1]), напряжение на ЗУ оказывается значительно выше предельно допустимых значений, т.е:

где (500–700) – ток, необходимый для срабатывания защит;
4 · 0,01ρ – сопротивление заземляющего устройства ПС 10/0,4 кВ согласно п. 1.7.101 ПУЭ;
500 В – предельно допустимое напряжение на ЗУ, соответствующее предельно допустимому напряжению прикосновения 220 В (рис. 4 и табл. 1 в [3]) при минимальном времени отключения.

Особенность ОЗЗ в кабельной сети

С теоретической точки зрения иная картина должна наблюдаться в кабельной сети. Пути протекания токов ОЗЗ в этом случае показаны на рис. 1. Схема замещения нулевой последовательности представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема замещения нулевой последовательности

Входящие в схему замещения сопротивления ЗТ определяются по известным формулам. Схема замещения кабелей представлена в виде последовательно-параллельных цепочек. Входящие в них сопротивления определяются по формулам, приведенным в [5].

В качестве примера выполнен расчет напряжения на ЗУ, а также напряжения прикосновения на отдельностоящей ТП 10/0,4 кВ при следующих исходных данных:

• ТП 10/0,4 кВ подключена к ПС 110/10 кВ кабелем АСБ-10-3×95 мм² длиной 0,5 км;
• на ПС 110/10 кВ установлен трансформатор мощностью 16 МВА;
• на РП1 установлен заземляющий трансформатор мощностью 400 кВА;
• РП1 соединено с ПС 110/10 кВ кабелями 2 × (АСБ-3×185 мм²) длиной l = 0,5 км.

Сопротивление ЗУ ТП R_зу = 4 · 0,01ρ, где ρ – удельное сопротивление грунта, принятое равным ρ = 300 Ом·м.

Параллельная ветвь кабеля – «свинцовая оболочка» согласно [5] содержит лишь активное сопротивление (Ом/км), определяемое как:

где r_н, r_в – соответственно наружний и внутренний радиусы свинцовой оболочки, см.

В результате получаем ток ОЗЗ I_m = 1260 А. Часть тока ОЗЗ, проходящая через ЗУ ТП 10/0,4 кВ, I_зу = 50,4 А. В этом случае через ЗУ ТП протекает лишь небольшая часть тока ОЗЗ. Большая же часть этого тока протекает по параллельному пути, т.е. по металлической оболочке кабеля, поскольку ее сопротивление (3) оказывается на порядок меньше сопротивления ЗУ.

Благодаря этому напряжение на ЗУ существенно меньше, чем в случае ОЗЗ при аналогичных условиях в воздушной сети, и составляет:

Ожидаемое напряжение прикосновения определяется по рис. 4. В данном случае оно составляет 400 В. Допустимое времени отключения для производственных электроустановок по табл. 2, представляющей собой выдержки из [3], составляет t ≈ 100 мс. Для бытовых электроустановок такое напряжение прикосновения недопустимо (табл. 1, выдержки из [3]).

Рис. 4. Зависимость напряжения замыкания (кривая F) и ожидаемого напряжения прикосновения (кривая T) от максимальной длительности замыкания на землю на стороне выше 1 кВ ( рис. 44А [4])

Очевидно, что и для производственных электроустановок обеспечить время отключения поврежденного присоединения t = 100 мс с помощью серийно выпускаемой защитно-коммутационной аппаратуры невозможно.

Напряжение прикосновения можно уменьшить путем уменьшения мощности заземляющего трансформатора. Так, при мощности ЗТ 160 кВА в вышеприведенном примере получим:

Ожидаемое напряжение прикосновения (рис. 4) U_пр = 100 В.

Максимально допустимое время отключения:

• для бытовых электроустановок t_от = 0,5 с (табл. 1);
• для производственных электроустановок t_от = 0,8 с (табл. 2).

В этом случае результат можно было бы считать удовлетворительным, если бы не одно существенное «но», о котором скажем ниже.

Таблица 2. Предельно допустимые напряжения прикосновения (ДНП) в аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В, 50 Гц с глухозаземленной или изолированной нейтралью и выше 1000 В с изолированной нейтралью (выдержки из [3])

Продолжительность воздействия, с	ДНП, В	Продолжительность воздействия, с	ДНП, В
От 0,01 до 0,08	550	0,6	95
0,1	340	0,7	85
0,2	160	0,8	75
0,3	135	0,9	70
0,4	120	1	50
0,5	105	Св. 1	20

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ЦЕПИ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ОБОЛОЧКАМ КАБЕЛЕЙ

Все вышеприведенные расчеты основаны на предположении, что металлические оболочки кабелей и соединительные муфты находятся в идеальном состоянии, при котором они обеспечивают непрерывность электрической цепи для тока ОЗЗ нулевой последовательности.

Но уместен вопрос: можно ли гарантировать такое состояние для старых, отслуживших нормативные сроки кабелей, о которых в данном случае идет речь?

Известно, что в течение длительного срока эксплуатации, особенно в коррозионно-активных по отношению к свинцу и алюминию грунтах и водах, а также в зонах с наличием блуждающих токов, повреждаются в первую очередь внешние покровы и металлические оболочки кабелей, а кроме того, участки, примыкающие к соединительным муфтам. Вероятность повреждения ослабленных металлических оболочек кабелей при прохождении по ним больших токов ОЗЗ будет только возрастать.

Ответ дают сами авторы идеи. Так, в [1] читаем: «опытная эксплуатация показала, что фактическое значение тока однофазного К3 с ограниченным током часто оказывается в несколько раз ниже предельного значения, указанного в табл. 1. Это объясняется повышенным сопротивлением нулевой последовательности кабельных линий вследствие наличия воздушных переходов, промежуточных муфт и др.».

Анализ схемы замещения нулевой последовательности (рис. 3) и расчеты подтверждают, что такое резкое снижение тока ОЗЗ возможно при двух условиях:

• нарушение электрических цепей по оболочкам питающих кабелей;
• достаточно большое сопротивление ЗУ в точке ОЗЗ (но в пределах, допускаемых ПУЭ).

Расчеты

В табл. 3. представлены результаты расчетов для приведенных выше примеров с ЗТ мощностью 400 и 160 кВА. При этом принято, что электрическая цепь по оболочке кабеля, питающего ТП 10/0,4 кВ, на которой произошло ОЗЗ, нарушена (на рис. 3 эта цепь разомкнута). Весь ток нулевой последовательности при этом проходит через ЗУ ТП 10/0,4 кВ. Для сравнения в табл. 3. приведены также результаты предыдущего расчета при замкнутой цепи по оболочке кабеля.

Видно, что при разомкнутой цепи невозможно обеспечить допустимое напряжение прикосновения. К тому же выводу приходим и при более низком сопротивлении ЗУ ТП (за счет увеличения тока ОЗЗ). Попытки решить эту проблему путем дальнейшего уменьшения мощности ЗТ не имеют смысла по причине слишком большого напряжения на ЗУ.

Таблица 3. Результаты расчета токов ОЗЗ и ожидаемых напряжений прикосновения при различных мощностях ЗТ

ПРАВОВАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Характерно, что с точки зрения ПУЭ наличие связей ЗУ различных ПС через металлические оболочки кабелей также не дает основания рассматривать получившуюся связку как единое ЗУ. Если бы это было не так, то на основании п. 1.7.95 ПУЭ от ТП 10/0,4 кВ, расположенных в пределах общего контура заземления с ПС 110/6–10 кВ, нельзя было бы питать любые электроустановки напряжением до 1 кВ, расположенные за пределами этого контура. Однако такого запрета не существует, поскольку нет и единого контура заземления. Во избежание выноса высокого потенциала с ПС 110 кВ и выше по металлическим оболочкам кабелей считается достаточным лишь выполнить некоторые дополнительные мероприятия, указанные в п. 1.7.94 ПУЭ.

Требования ПУЭ в отношении компенсации токов ОЗЗ и требования к сопротивлениям ЗУ в рассматриваемых сетях в принципе согласованы с требованиями [3] в отношении предельно допустимых напряжений прикосновения.

Так, при наличии в сетях ВЛ 6–10 кВ с металлическими или железобетонными опорами компенсация емкостного тока должна предусматриваться при токах ОЗЗ более 10 А (п. 1.2.16 ПУЭ). Поскольку сопротивление заземления опор в населенной местности не должно превышать 15 Ом (п. 2.5.129, табл. 2.5.19 ПУЭ), то напряжение на теле опоры не будет превышать U_f ≤ 10 · 15 = 150 В, а напряжение прикосновения составит U_пр ≈ 70 В (рис. 4), что практически обеспечивает электробезопасность.

Несколько больше оказываются напряжения на ЗУ ТП в кабельной сети, в которой компенсация емкостного тока предусматривается, начиная с 30 и 20 А при напряжениях соответственно 6 и 10 кВ. Однако снижение ожидаемых величин напряжений прикосновения в этих сетях обеспечивается рядом дополнительных мероприятий, предусмотренных п. 1.7.94 ПУЭ. Кроме того, проведенные исследования показывают необходимость компенсации токов ОЗЗ, начиная с более низких значений, чем указаны в ПУЭ. Следует также иметь в виду, что дугогасящие реакторы играют важную роль в предотвращении феррорезонансных явлений с трансформаторами напряжения [6].

В последние несколько лет много говорится о заземлении нейтралей через высокоомные и низкоомные резисторы (например в [7]). При этом ток ОЗЗ может достигать 100 А и более. В таких случаях проверка напряжений прикосновения становится необходимой. Об этом, к сожалению, авторы статей обыкновенно умалчивают. А между тем применение низкоомных резисторов может потребовать низкоомного заземления электрооборудования (1), выравнивания потенциалов и других мероприятий.

НЕДОСТАТОК СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

В качестве аргумента для оправдания допустимости больших значений напряжения прикосновения при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью иногда ссылаются на то, что при двойных замыканиях на землю (ДОЗЗ) вокруг железобетонных и металлических опор ВЛ возникают напряжения прикосновения гораздо большей величины.

Такая проблема действительно существует. Но следует учитывать, что вероятность ДОЗЗ значительно меньше, чем ОЗЗ. Кроме того, вероятность ДОЗЗ можно дополнительно уменьшить несколькими способами:

• установкой автоматически регулируемых дугогасительных реакторов, снижающих величину перенапряжений при ОЗЗ, а следовательно, и вероятность ДОЗЗ;
• применением резистивного заземления нейтрали, где это допустимо;
• использованием усиленной изоляции на участках ВЛ, проходящих по населенной местности.

В особо опасных условиях ДОЗЗ следует предотвращать путем отключения первого замыкания на землю без выдержки (или с минимальной выдержкой) времени.

На отдельных участках в населенной местности вместо железобетонных и металлических опор ВЛ можно применять деревянные опоры с железобетонными пасынками.

В любом случае было бы нелогично считать, что если в каком-то режиме (в данном случае ДОЗЗ) система имеет некоторый неустранимый недостаток, то его можно считать допустимым и в других режимах (в данном случае ОЗЗ).

О ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

Как уже было сказано выше, фактическое значение напряжения на неповрежденных фазах при включении ЗТ будет находиться в пределах 1,5 U_ф.ном < U_ф.неп < 1,7 U_ф.ном.

Причем эти значения относятся к некоторому установившемуся режиму при включенном ЗТ. Однако алгоритм работы схемы составлен в [1] так, что сеть переходит из режима нескомпенсированного емкостного тока ОЗЗ (до включения ЗТ) в режим многократной перекомпенсации (после включения ЗТ) и обратно.

В процессе таких переходных режимов могут возникнуть большие перенапряжения. Об этом говорится в ряде источников. Так, в [8] указывается, что в системах c низкоомным индуктивным заземлением нейтрали могут возникнуть значительные перенапряжения, вызванные резонансом между реактивным сопротивлением и емкостью сети.

В [9] в разделе «Указания мер безопасности» можно найти два пункта, имеющие отношение к обсуждаемому вопросу:
«п. 6.1. Включение или отключение трансформаторов, предназначенных для подключения дугогасящих реакторов, допускается производить только при отключенном дугогасящем реакторе (разъединитель в цепи реактора должен быть отключен).
п. 6.2. Не допускается включать или отключать дугогасящий реактор при возникновении в сети замыкания на землю».

Оба эти пункта связаны с вопросами перенапряжений и требуют дополнительного анализа переходных режимов.

При анализе негативных последствий нельзя игнорировать и требования п. 3.2.97 [2] о недопустимости увеличения тока ОЗЗ специально для обеспечения действий релейных защит.

МЕДИЦИНСКИЙ АСПЕКТ

Иногда в качестве подтверждения безопасности того или иного технического решения приводят довод о том, что в течение определенного срока эксплуатации несчастных случаев зафиксировано не было.

Однако важно уточнить, что считать несчастным случаем. Если человек оказался под опасной разностью потенциалов, превышающей допустимые [3] значения, то это вовсе не означает, что обязателен немедленный летальный исход.

Вредные для человека последствия таких эпизодов могут проявиться не сразу. К примеру, обширному инфаркту часто предшествуют микроинфаркты, многие из которых остаются недиагностированными. Очевидно, что далеко не каждый человек, ощутивший на себе воздействие напряжения, особенно в быту, будет обращаться в медучреждения. Между тем летальный исход часто оказывается следствием накопления подобных воздействий.
Поэтому доказательством электробезопасности могут служить либо расчеты, либо измерения реальных напряжений в ходе выполнения экспериментальных работ.

ИЗ ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА

Заземление через низкоомное индуктивное сопротивление в европейских странах применяется только в сетях высокого напряжения (40 кВ и выше [7]). В США и Канаде в сетях среднего напряжения, в отличие от европейских стран, широко применяется система с глухозаземленной нейтралью с четвертым проводом, который используется одновременно как рабочий и как защитный проводник (PEN-проводник). Важно то, что данный проводник, как правило, многократно повторно заземляется, чем достигается снижение напряжения прикосновения и надежность срабатывания защит.

ВЫВОДЫ

При применении различных способов заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ, особенно при заземлении через низкоомные активные и индуктивные сопротивления, необходимо в качестве важнейшего фактора учитывать требования электробезопасности.

Предложенное в [1] техническое решение не может гарантировать выполнение требований (3) в отношении предельно допустимых напряжений прикосновения. При низкоомном заземлении нейтрали эти требования могли бы быть выполнены только при наличии четвертого проводника, обеспечивающего протекание токов нулевой последовательности при ОЗЗ. Металлическая оболочка кабелей, много лет пролежавших в земле, эту роль выполнять не может.

Вместе с тем появление дополнительного 4-го проводника изменило бы принципы устройства существующих отечественных сетей 6–10 кВ и создало бы ряд новых проблем, в частности с выносом высокого потенциала с ПС 110/10(6) кВ в сеть потребителей 380/220 В.

Аналогичные проблемы могут возникнуть и при применении новых однофазных кабелей 6–10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена при различных способах заземления их медных экранов.

Вопросы заземления экранов таких кабелей, выбора сопротивления заземления их узлов, изложенные в [10], носят многоплановый и в определенном отношении дискуссионный характер. Их изучение необходимо продолжить.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кужеков С.Л., Хнычёв В.А. Предотвращение многоместных повреждений КЛ 6–10 кВ с помощью кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 3(63), № 4(64).
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е изд.
3. ГОСТ 12.1.038-82. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
4. ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93). Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ.
5. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. М.: Госэнергоиздат, 1952.
6. Фишман В.С. Трансформаторы напряжения. Способы устранения феррорезонансных явлений // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 6(66).
7. Емельянов Н.В., Ширковец А.И. Актуальные вопросы применения резистивного и комбинированного заземления нейтрали в электрических сетях 6–35 кВ // Энергоэксперт. 2010. № 2.
8. Schneider Electric. Руководство по устройству электроустановок. 2005–2007 гг.
9. РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87). Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ.
10. Дмитриев М.В. Кабельные линии 6–500 кВ с однофазными кабелями. Требования к заземлению узлов, транспозиции экранов // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 1(79).