Заземление нейтрали

Разработчики решения, реализованного в Пятигорских сетях, уверены, что при условии быстрого отключения при ОЗЗ поврежденного присоединения или заземляющего трансформатора можно говорить о большей электробезопасности режима кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали по сравнению с общепринятыми.
Такую точку зрения отстаивает Станислав Лукьянович Кужеков, анализируя электробезопасность данного режима заземления нейтрали.

Станислав Кужеков, д.т.н., профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск

КРАТКОВРЕМЕННОЕ НИЗКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6–10 кВ
Электробезопасность обеспечена в полном объеме

Режим нейтрали распределительных электрических сетей напряжением 6–20 кВ в течение многих лет был и остался предметом многочисленных публикаций в СМИ [1–8, 11–14]. Обилие предложений, как известно, является объективным признаком того, что оптимальное решение проблемы еще не найдено.

В работах специалистов по режимам нейтрали, например в [2], сформулированы критерии сопоставления режимов, заключающиеся в следующем:

• возможность развития повреждений и износ оборудования при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ);
• надежность электроснабжения;
• возможность возникновения феррорезонансных и резонансных процессов;
• условия электробезопасности;
• сложность выполнения устройств селективной защиты, сигнализации и определения места повреждения (ОМП).

Подробное сопоставление и оптимизация режимов нейтрали по указанным критериям представляют собой самостоятельную задачу и выходят за рамки данного материала, цель которого заключается в анализе электробезопасности при кратковременном низкоомном индуктивном заземлении нейтрали (L_{Н. КР}).

ПРИЧИНЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЖИМА L_Н.КР

В 2008 г. в Пятигорских электрических сетях на участке напряжением 10 кВ дополнительно к компенсации емкостных токов замыкания на землю с помощью дугогасящих реакторов (режим L_В) был использован режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали L_Н.КР .

Это было сделано по следующим соображениям:

• В силу ряда причин на данном участке имели место переходы ОЗЗ в многоместные повреждения (ММП), затрагивающие несколько кабельных линий. Переход к режиму L_Н.КР привел к исключению перехода ОЗЗ в двойные (ДОЗЗ) и многоместные замыкания на землю.
• Представлялся целесообразным при возникновении ОЗЗ переход от L_В-режима к режиму однофазного КЗ с ограниченным током, достаточным для срабатывания усовершенствованных указателей тока короткого замыкания (УТКЗ), что упрощало процесс выявления поврежденных участков магистральных кабельных линий.
• В сети имелось большое количество УТКЗ.
• В сетях имелись неиспользуемые маломощные силовые трансформаторы (номинальная мощность 160–400 кВА).
• В финансовом плане осуществление режима кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали требовало гораздо меньших затрат, чем внедрение резистивного заземления. Кроме того, при реализации режима не требовались затраты на оснащение электрической сети специальными устройствами защиты от ОЗЗ.
• Силовые трансформаторы по сравнению с резисторами обладают более высокой термической стойкостью, что важно при повторных включениях на ОЗЗ.

Хотя процесс однофазного КЗ связан с протеканием токов 500–700 А, исключение двойных и многоместных замыканий на землю и соответственно протекания неограниченных токов КЗ по заземляющим устройствам, естественным заземлителям, оболочкам кабелей и др. снижает вероятность термического повреждения указанных элементов.

Переходные процессы при отключении ограниченного тока однофазного КЗ и возврате сети в режим с компенсацией емкостного тока замыкания на землю, сопровождаемые перенапряжениями, в течение всего срока эксплуатации не наблюдались.

В существующих электрических сетях напряжением 6–35 кВ, функционирующих в соответствии с предписанными ПУЭ [9] режимами нейтрали, а также с высокоомным резистивным заземлением нейтрали, напряжения прикосновения при металлических ОЗЗ не превышают допустимых значений даже при отсутствии специальной защиты от замыканий на землю. Однако при двойных и многоместных замыканиях на землю с токами 2–4 кА расчетное напряжение прикосновения на ОПЧ электроустановок напряжением до 1 кВ даже при сопротивлении заземления, равном 0,5 Ом (не говоря о больших значениях), значительно превышает допустимое значение в течение времени отключения КЗ.

В литературе отмечен недостаток сети с L_Н.КР, заключающийся в появлении на железобетонных и металлических опорах ВЛ 6–10 кВ напряжений, смертельно опасных для людей и животных. Однако в режиме L_{Н. КР} линии с такими повреждениями, как правило, успешно отключаются релейной защитой, что максимально сокращает длительность существования недопустимого напряжения прикосновения.
Вместе с тем протекание повышенных токов при замыканиях на землю по заземляющим устройствам электроустановок напряжением выше 1 кВ без эффективного заземления нейтрали обостряет проблему выноса потенциала в сеть напряжением до 1 кВ.

ВЫНОС ПОТЕНЦИАЛА В СЕТЬ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 кВ

Одной из причин появления повышенного напряжения на открытых проводящих частях (ОПЧ) электроустановок напряжением до 1 кВ является протекание токов по заземляющим устройствам электроустановок напряжением выше 1 кВ при повреждениях, связанных с землей (ОЗЗ, ДОЗЗ, ММП). Допустимые значения напряжения прикосновения приведены в ГОСТ Р 50571.18–2000, ГОСТ 12.1.038–82.

При отсутствии специальной высокочувствительной защиты от ОЗЗ в сети с рекомендованными ПУЭ режимами нейтрали указанные недопустимые напряжения будут существовать в течение длительного времени. В классических схемах недопустимые значения напряжения прикосновения имеют место при двойных замыканиях на землю через опоры ВЛ сетей с изолированной нейтралью, компенсацией емкостного тока замыкания на землю и резистивным заземлением нейтрали. Следует отметить, что в сети с L_Н.КР уровень тока однофазного КЗ с ограниченным током ниже тока ДОЗЗ по крайней мере в 2–4 раза и соответственно ниже уровень напряжения прикосновения. Кроме того, режим L_Н.КР практически исключает переход ОЗЗ в ДОЗЗ и ММП.

Таким образом, при обеспечении условия быстрого отключения при ОЗЗ поврежденного присоединения или заземляющего трансформатора можно говорить о большей электробезопасности режима L_Н.КР в кабельной сети по сравнению с существующей практикой. Также в кабельной сети может быть обеспечен допустимый уровень напряжения прикосновения на ОПУ элементов напряжением до 1 кВ при однофазном КЗ с ограниченным током в сети.

Вместе с тем вопрос обеспечения электробезопасности при замыкании на землю в воздушных сетях с большим сопротивлением заземления опор в режиме L_Н.КР, а также при любом из известных режимов нейтрали (кроме автоматического заземления фазы) остается открытым. Необходимо учитывать также, что при большом значении сопротивления заземления опоры или переходного сопротивления в месте замыкания на землю в сетях с используемыми в соответствии с ПУЭ режимами нейтрали возможно несрабатывание защиты от двойных замыканий на землю и несоблюдение условий электробезопасности.

Представляется, что условия электробезопасности в воздушных сетях при однофазных замыканиях на землю, тем более с обрывом провода и падением его на землю, требуют дополнительного исследования. При этом следует учитывать факты гибели людей и животных. По всей вероятности, в таких сетях должны использоваться специальные быстродействующие высокочувствительные устройства защиты и УТКЗ [10], реагирующие на составляющие нулевой последовательности (ток, направление мощности и др.).

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ВЫНОСА ПОТЕНЦИАЛА В РЕЖИМЕ L_Н.КР

В Пятигорских электрических сетях преимущественно используется кабельная сеть (КЛ 6–10 кВ – 400 км, ВЛ 6–10 кВ – 65 км). Все заземляющие устройства (ЗУ) трансформаторных подстанций (ТП) города объединены в общую сеть посредством болтового соединения заземляющих поводков оболочек КЛ 6–10 кВ, а также нулевых проводников КЛ 0,4 кВ. Благодаря этому сопротивление ЗУ всех ТП не превышает 0,5 Ом (согласно п. 1.7.90 ПУЭ).

Исключение составляют ЗУ опор ВЛ 6–10 кВ, которые обладают значительно большим сопротивлением ЗУ (R < 10 Ом, п. 1.7.96 ПУЭ) и не имеют металлической связи с другими ЗУ. Однако при возникновении ОЗЗ на ВЛ существенным образом снижается вероятность поражения шаговым напряжением (из-за быстрого отключения ОЗЗ), а также, что весьма важно, практически полностью исключается возможность возникновения ДОЗЗ, ток при котором достигает нескольких килоампер.

Вместе с тем для уменьшения выноса потенциала на ВЛ, являющихся воздушными переходами между кабельными линиями, целесообразна подвеска четвертого (заземляющего) провода, соединяющего концы оболочек КЛ.

Обработка многих осциллограмм, полученных с помощью регистратора АУРА за четыре года эксплуатации, позволила установить значение коэффициента замыкания на землю в указанном режиме (трансформатор для заземления нейтрали имел номинальную мощность 400 кВА) порядка 1,5. Поэтому в соответствии с нормами (п. 1.7.4 ПУЭ) сеть в режиме L_Н.КР не является сетью с эффективно заземленной нейтралью. Необходимо также учитывать, что для срабатывания усовершенствованных УТКЗ достаточна мощность трансформатора для заземления нейтрали меньшая, чем 400 кВА (например 160 кВА). При этом значение коэффициента замыкания на землю оказывается выше 1,5.

Время существования режима L_Н.КР практически не превышает 0,08 с, что определяется временем срабатывания усовершенствованных УТКЗ. При этом, в соответствии с ГОСТ 12.1.038, нормируемая величина напряжения прикосновения составляет 550 В. Полагая, что значение тока в режиме L_Н.КР составляет 800 А (что превышает фактические данные), получаем, что напряжение прикосновения составляет 400 В, что меньше допустимого значения. Следует учитывать, что полное время отключения современных вакуумных выключателей составляет 0,025 с, а время срабатывания защиты от ДОЗЗ не превышает 0,05 с. После истечения указанного выше отрезка времени трансформатор для заземления нейтрали автоматически отключается.

Благодаря внедрению режима L_Н.КР за время эксплуатации не отмечено ни одного случая многоместных (двойных) замыканий на землю, приводивших к отключению нескольких присоединений. Хотя в целом число автоматических отключений несколько возросло (примерно на 5–10%), среди них нет ни одного случая, создавшего для диспетчерской и кабельной служб форс-мажорные обстоятельства по обеспечению электроснабжения. За пять лет не зафиксировано ни одного отказа автоматики и защиты трансформатора, создающего искусственную нулевую точку.

Прохождение тока порядка 500–700 А через место повреждения зачастую приводило к созданию устойчивого металлического контакта между фазой и оболочкой КЛ. В результате исключалась возможность появления дуговых перенапряжений и при определении места повреждения КЛ не было необходимости в применении дожигания дефектной изоляции.
Исключение ДОЗЗ и соответственно прохождения тока двойного замыкания на землю по заземляющим устройствам, естественным заземлителям, оболочкам кабелей существенно снижает остроту проблемы выноса потенциала.

ОТВЕТ ОППОНЕНТАМ

Одним из доводов противников режима L_Н.КР является рассмотрение режима ОЗЗ на заземлитель ТП 6(10)/0,4 кВ, имеющий сопротивление заземления порядка 4 Ом. Напряжение на заземлителе при ОЗЗ в режиме L_Н.КР в этом случае составляет:

где I⁽¹⁾_ОГР – ограниченный ток однофазного КЗ в режиме L_Н.КР ;
R_З – сопротивление заземления ТП.

Но в данном расчете не учтено влияние оболочек кабельных линий напряжением выше 1 кВ, подключенных к ТП. В качестве причины неучета приводится довод о запрете в ПУЭ 7-го изд. (п. 1.7.123) использования свинцовых оболочек кабелей в качестве PE-проводников.

Однако, во-первых, в указанном пункте говорится о кабелях напряжением до 1 кВ. Проводник PE, как известно, включается между нейтралью источника питания напряжением до 1 кВ и заземлителем. Оболочки кабелей сети напряжением выше 1 кВ, подключенных к ТП, при этом являются частью заземляющего устройства ТП, т.е. относятся к естественным заземлителям, а не к РЕ-проводникам. Во-вторых, в ПУЭ 7-го изд. (п. 1.7.109) говорится о возможности использования в качестве естественных заземлителей металлических оболочек бронированных кабелей, проложенных в земле. Важно отметить, что в том же пункте ПУЭ указано, что оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух. Исключением являются кабели с алюминиевыми оболочками.

С учетом влияния оболочек кабельных линий сопротивление заземления ТП снижается до 0,5 Ом, а напряжение прикосновения до 250–350 В, что допустимо при времени отключения 0,08 с.

Так как распределительные электрические сети городов напряжением 6–10 кВ чаще всего выполнены по двухлучевым схемам, в которых к каждой секции шин подключены по два кабеля, то условие по допустимому напряжению прикосновения при ОЗЗ на заземлитель ТП может быть обеспечено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно сделать следующие выводы.

1. При разработке режима L_Н.КР учитывался вопрос выноса потенциала в электрические сети напряжением до 1 кВ при повреждениях, связанных с землей.
2. Можно утверждать, что в кабельных сетях 6–10 кВ при ОЗЗ и сопротивлениях заземления ТП (с учетом оболочек кабельных линий), не превышающих 0,5 Ом, в режиме L_Н.КР с током однофазного КЗ 500–700 А не создаются недопустимые по уровню (с учетом времени существования) напряжения прикосновения в сети до 1 кВ.
3. Основной смысл разработки в перспективе заключается не в отключении силовыми выключателями линий с однофазным замыканием на землю, а в кратковременной подаче ограниченного тока однофазного КЗ с целью автоматического распознавания с помощью быстродействующих высокочувствительных УТКЗ поврежденных участков магистральных линий.
4. В настоящее время на объекте внедрения режима L_Н.КР линии с ОЗЗ автоматически отключаются средствами релейной защиты от двойных замыканий на землю. Благодаря режиму L_Н.КР с помощью усовершенствованных УТКЗ фиксируется факт прохождения ограниченного тока однофазного КЗ по участкам магистральной линии и осуществляется передача информации о поврежденном участке КЛ на диспетчерский пункт. В результате через несколько секунд после отключения поврежденного присоединения диспетчеру известен поврежденный участок кабельной сети.
5. С целью повышения надежности электроснабжения актуальна разработка специальных высокочувствительных УТКЗ нулевой последовательности, при срабатывании которых в сетях с ВЛ напряжение прикосновения не превышает допустимого значения по условиям электробезопасности. Это позволит обеспечить селективное автоматическое отключение поврежденных участков выключателями нагрузки и последующее (в том числе автоматическое) восстановление электропитания отключенных элементов.
6. Вопрос обеспечения электробезопасности в сетях с ВЛ с большим сопротивлением заземления опор или с большим переходным сопротивлением в месте ОЗЗ при любом режиме нейтрали, кроме автоматического заземления фазы, в настоящее время не решен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Сирота И.М., Кисленко С.П., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев: Наукова думка, 1985.
3. Зильберман В.А., Эпштейн И.М., Петрищев А.С., Рождественский Г.Г. Влияние способа заземления нейтрали сети собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения и работу релейной защиты // Электричество. 1987. № 12.
4. Евдокунин Г.А., Гудилин С.В., Корепанов А.А. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6–10 кВ // Электричество. 1998. № 12.
5. Глушко В., Ямный О., Ковалев Э., Бохан Н. Белорусские сети 6–35 кВ переходят на режим заземления нейтрали через резистор // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 3(39).
6. Миронов И.А. Проблема выбора режимов заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ // Электро. 2006. № 5.
7. Челазнов А.А. Методические указания по выбору режима заземления нейтралей в сетях напряжением 6–10 кВ // Энергоэксперт. 2007. № 1.
8. Лихачев Ф.Ф. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.
9. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 6-е и 7-е изд. 8-й выпуск. Сибирское университетское издательство, 2007.
10. Черетти А., Лембо Д., Примио Д. и др. Автоматическое отключение КЗ в сетях СН с нейтралью, подключенной к заземлению через полное сопротивление // 17-я Международная конференция по распределению электроэнергии. Барселона, 12–15 мая 2003 г.
11. Фишман В.С. Универсальное решение по заземлению нейтрали пока не найдено // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 6(24).
12. Кужеков С. Л., Хнычев В. А., Корогод А. А. и др. Предот-вращение многоместных повреждений кабельных линий 6–10 кВ средствами релейной защиты и электроавтоматики / Релейная защита и электроавтоматика энергосистем: сборник докладов XX конференции. Москва: Научно-инженерное информационное агентство, 2010.
13. Фишман В.С. Регулирование режима заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ с использованием принципов Smart Grid // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 5(77).
14. Манилов А., Барна А. ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с комбинированным заземлением нейтрали. Способ обеспечения чувствительности защит // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 6(78).