Новости Электротехники №5(83) | Заземление нейтрали

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5 (83) 2013 год

Заземление нейтрали

ОБСУЖДЕНИЕ

Поиски оптимального режима заземления нейтрали в распределительных сетях продолжаются, анализу различных вариантов решения проблемы по-свящаются всё новые исследования и публикации.
В последнее время одним из наиболее обсуждаемых стал режим кратковременного низкоомного индуктивного заземления нейтрали. Больше недостатков, чем преимуществ видит в нем Владимир Васильевич Назаров, занимающийся вопросом заземления нейтрали не один десяток лет.
На этом дискуссия о режимах нейтрали не завершается. Журнал предлагает специалистам участвовать в ней и представить свои аргументы.

Владимир Назаров,
д.т.н., профессор,
ПАО «Хмельницкоблэнерго»,
Украина

НЕЙТРАЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6–35 кВ
Какое заземление необходимо?

Последние публикации на тему о режиме заземления нейтрали [1, 2] свидетельствуют о неспадающей актуальности этой темы. Отмечу, что попытка реализации системного подхода к способам заземления нейтрали была предпринята в исследованиях Института электродинамики АН УССР (г. Киев), Института горного дела им. А. А. Скочинского (г. Москва), ПЭО «Винницаэнерго» (г. Хмельницкий). В работах [3–7] был приведен подробный анализ преимуществ и недостатков известных режимов нейтрали сетей 6–35 кВ, представлены результаты теоретических исследований, математического и физического моделирования процессов, сопровождающих однофазные повреждения, и что особенно важно, анализ примерно двух тысяч осциллограмм, снятых в реальных действующих сетях 6(10) и 35 кВ в различных режимах замыканий на землю.

Низкоомное заземление нейтрали, в любых вариантах сочетания его активных и реактивных элементов, не рассматривалось теоретически с соответствующими выводами, поскольку имеет больше недостатков, чем преимуществ, по сравнению с высокоомным заземлением. Прежде всего из-за крайне отрицательного влияния на уровень безопасности эксплуатации сетей, особенно воздушных или смешанных – кабельно-воздушных.

Были рассмотрены три варианта состояния нейтрали, разрешенные Правилами устройства электроустановок и объединенные общим понятием «изолированная нейтраль»:

собственно изолированная нейтраль, когда отсутствует какое-либо ее соединение с заземляющим устройством (ЗУ);
нейтраль, присоединенная к ЗУ через реактор компенсации емкостных токов однофазных замыканий (ОЗ);
нейтраль, присоединенная к ЗУ через устройства, имеющие высокое сопротивление. К ним могут быть отнесены и резисторы, активное сопротивление которых соизмеримо с емкостным сопротивлением сети и практически не приводит к изменению коэффициента замыкания на землю, остающегося близким к 1,73.

Многолетней эксплуатацией распределительных сетей 6–35 кВ подтверждается целесообразность применения в них режима изолированной нейтрали [3], точнее – режима нейтрали, характеризующего сеть как электроустановку с малым током однофазного замыкания. Однако та же практика показала: этим сетям свойственна высокая повреждаемость изоляции электрооборудования, в определенной мере связанная именно с режимом нейтрали [4, 5, 9].

При выборе вариантов соединения нейтрали сети с землей и до сего времени отдается предпочтение компенсации емкостных токов ОЗ. Положительный опыт эксплуатации компенсирующих дугогасящих аппаратов (реакторов) за рубежом [3] был накоплен преимущественно в сетях напряжением 35 кВ и выше. В бывшем СССР резонансное заземление нейтрали (условие резонанса, т.е. равенство действующих значений индуктивного тока реактора и емкостного тока сети, достижимо лишь теоретически, а в практике эксплуатации [8] невыполнимо) широко внедрялось в послевоенные годы. В распределительных сетях того периода многие потребители не имели резервных линий питания. Использование заземляющих реакторов позволило решить (заметим, частично) задачу гашения дуг неустойчивых однофазных замыканий и, снизив ток в месте повреждения, ограничить число их переходов в междуфазные КЗ.

ВЫСОКООМНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ

В 1980-х годах эксплуатирующие и исследовательские организации обратили внимание на серьезные недостатки компенсации токов ОЗ как метода, способствующего улучшению показателей надежности и безопасности эксплуатации сети.

Поиск иных путей повышения уровня этих показателей привел к выводу о целесообразности применения высокоомного активно-резистивного заземления нейтрали с одновременным использованием средств защиты и автоматики, действующих при однофазных повреждениях в сети.

Возможность комплексного решения поставленной задачи была обусловлена и тем, что еще в 1970–1980-х годах изменился подход к построению схем распределительных сетей. В энергосистемах как городские, так и сельские сети 6(10) кВ эффективно развивались с учетом резервирования питания потребителей. Предусматривалось дальнейшее увеличение объема работ по реконструкции сетей, их автоматизации, использования устройств, выполняющих функции определения участка сети (линии) с однофазным повреждением, его автоматического выделения из схемы сети, переключения потребителей на резервные линии питания.

Высокоомное активно-резистивное заземление нейтрали [4, 5, 6] (сопротивление резистора ориентируется на 100 % от величины емкостного сопротивления сети в ее нормальной схеме электрических соединений), положительно влияя на условия эксплуатации, сохраняет главное преимущество распределительных сетей с малыми токами ОЗ – минимизацию затрат на сооружение заземляющих устройств.

Считавшееся важнейшим свойство сетей 6–35 кВ некоторое время сохранять питание потребителей и при наличии в сети однофазного замыкания потеряло свое значение.

В современных сетях задача оперативного персонала сводится к скорейшей ликвидации аварийного состояния сети, но не к сохранению питания потребителей в довольно опасном режиме замыкания на землю. Поэтому устройства высокоомного заземления нейтрали (не обязательно в виде высоковольтного резистора) рассчитываются и проектируются с учетом их кратковременного нахождения под номинальным током. Они предназначены для ограничения перенапряжений величиной не более 2,4 фазного напряжения сети в промежутке времени (до 5 секунд) от момента возникновения ОЗ до срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, а также для создания условий надежного селективного действия этих устройств.

СРАВНЕНИЕ РЕЖИМОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

Сравнивая качество режимов нейтрали в распределительных сетях, следует также учесть, что к важнейшим технико-экономическим последствиям внедрения высокоомного заземления относится возможность обоснованного изменения норм испытаний повышенным напряжением электрооборудования 6–35 кВ, а отсюда – снижение материалоемкости конструкций распределительных устройств подстанций, использование сухих силовых трансформаторов и кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Этот эффект получаем в результате нескольких обстоятельств:

во-первых, подавления перенапряжений при дуговых замыканиях;
во-вторых, улучшения условий применения ОПН из-за сокращения длительности существования однофазных замыканий, особенно перемежающихся;
в-третьих, снижения количества переключений в процессе выделения из схемы сети поврежденного участка и, косвенно, числа воздействий коммутационных перенапряжений [8] на изоляцию линий и оборудование подстанций.

Отдельно отметим: повреждения изоляции в распределительных системах возникают не только из-за воздействия внутренних и атмосферных перенапряжений, но и в результате неудовлетворительной эксплуатации сетей (механические по-вреждения, обрывы проводов, падение опор воздушных линий, порывы кабельных линий, увлажнение и перекрытие изоляции под рабочим напряжением). Поэтому, какими бы высокими здесь ни были уровни изоляции и испытательные напряжения, требуемой надежности таких сетей достичь невозможно.

Для оценки эффективности (качества) режима нейтрали в упомянутые выше годы были использованы методы квалиметрии [7]. Комплексный показатель эффективности (целевая функция) режима нейтрали, характеризующий меру приближения конкретной электрической сети к эталону – сети, в которой режим нейтрали обеспечивает равенство целевой функции единице, позволил численно оценить достаточно полный перечень критериальных свойств объекта исследований [9]. К примеру, комплексные показатели эффективности режима нейтрали обобщенно для городских и сельских сетей оказались равны: для изолированной – 0,31; заземленной через реактор – 0,42; заземленной через резистор – 0,71.

Внедрение средств защиты сетей 6–35 кВ от замыканий на землю, в основе которого активно-резистивное высокоомное заземление нейтрали, может рассматриваться как одно из мероприятий в ходе их обустройства, отвечающего требованиям, предъявляемым к «интеллектуальным» сетям (Smart Grid). Для них вариант использования данных средств безальтернативен, ибо такой режим нейтрали сетей, кроме прочего, способствует обеспечению надежного функционирования централизованного управления распределительной сетью (ЦУ РС), уменьшая капитальные и эксплуатационные затраты, повышая безопасность и экономичность электроснабжения.

Еще в 80-х годах была очевидна актуальность применения ЦУ РС в схемах собственных нужд электрических станций, угольных шахт, разрезов (карьеров) добычи полезных ископаемых, крупных предприятий в тех случаях, когда ответственные потребители не допускают даже кратковременных (в доли секунды) перерывов в электропитании [8], которые неизбежны при возникновении однофазных замыканий в сетях с децентрализованным управлением.

Сейчас же ЦУ РС позволяет упростить решение задачи диагностирования сети, выполняя функции оценки состояния (предаварийного и послеаварийного) ее элементов. Такие свойства сетей с централизованным управлением дополняются (с позиций маркетинговых услуг снабжающих компаний) осуществлением без особых дополнительных затрат эффективного управления потреблением электрической энергии. В этих условиях основная задача оптимизации режима нейтрали сети – не провоцировать отказы и сбои устройств автоматики.

ВЫВОДЫ

Возвращаясь к вопросу о низкоомном заземлении нейтрали, которому посвящены статьи [1, 2], учтем высокую вероятность возникновения однофазных (а также двойных и многоместных) замыканий через значительные сопротивления в месте замыкания. Данное обстоятельство, существенно усложняющее решение задачи обнаружения весьма опасных повреждений, препятствует применению в воздушных и кабельно-воздушных сетях 6–35 кВ этого режима нейтрали. Не улучшит положение и совместное использование низкоомного заземления нейтрали и компенсации емкостных токов ОЗ.

Во-первых, даже кратковременное протекание тока однофазного, уже короткого, замыкания с достаточной степенью вероятности спровоцирует возникновение двух-, трехфазного короткого замыкания в любых вариантах коммутации поврежденной линии или устройства заземления нейтрали. Во-вторых, в связи с наличием высших гармоник напряжения и тока эффективность компенсации тока ОЗ на основной гармонике существенно снижается. В-третьих, весомую добавку в некомпенсированный ток в месте ОЗ может вносить активная проводимость изоляции ВЛ при погодных условиях, являющихся причиной снижения поверхностного сопротивления штыревых и подвесных изоляторов. Таковы последствия, вытекающие из трех названных факторов.

С этих же позиций недопустимо применение устройств замыкания на землю неповрежденной фазы для создания фиктивного двойного КЗ и определения таким образом места ОЗ, что не требует установки дополнительного фазного трансформатора тока и трансформатора тока нулевой последовательности, но, как правило, увеличивает ток КЗ относительно его значений при низкоомном заземлении нейтрали.

Схожая ситуация ухудшения условий безопасности образуется в случае использования в рассматриваемых сетях известных автоматических устройств шунтирования (замыкания) поврежденной фазы (АШФ, УЗФ), особенно когда они срабатывают при обрыве и падении на землю провода ВЛ со стороны потребителя, создавая цепь протекания тока нагрузки через контакт провода с землей. Опасное напряжение прикосновения к железобетонным, металлическим опорам, удаленным от подстанции питания, где установлено УЗФ, возникает от того же тока нагрузки и после его срабатывания. Поэтому применение УЗФ в сетях с ВЛ по меньшей мере проблематично и не дает оснований для вывода об эффективности их внедрения. Проводившиеся нами в 1970–80-х годах теоретические и экспериментальные, на реальных образцах устройств, исследования показали целесообразность использования быстродействующих УЗФ с временем срабатывания устройства выбора поврежденной фазы и самого УЗФ порядка 7 мс с целью существенного снижения вероятности летального исхода из-за возникновения фибрилляции сердца человека, случайно прикоснувшегося к токоведущей части в электроустановке 1,14–6 кВ с повышенной опасностью обслуживания [4, 5, 9].

Касательно кабельных сетей внедрение низкоомного заземления нейтрали также проблематично, в том числе из-за действительно имеющих место нарушений соединения оболочек кабелей в муфтах и даже выводов заземления в концевых разделках, что подтверждаю многолетним личным опытом работы в сфере эксплуатации сетей 0,4–330 кВ.

ЛИТЕРАТУРА