Заземление нейтрали

Тема заземления нейтрали уже несколько лет обсуждается на страницах журнала. Высказываются различные точки зрения, но к единому мнению специалисты пока не пришли.
Владимир Васильевич Назаров в своем материале попытался четко и доступно объяснить ряд важных моментов, которые следует учитывать при выборе способа заземления нейтрали, обосновал целесообразность перехода к высокоомному заземлению нейтрали.

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

РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ В СЕТЯХ 6–35 кВ
Ретроспектива и будущее

Работы в области оптимизации режима нейтрали сетей 6–35 кВ активно велись организациями, представленными в [1], с 1971 года по инициативе Хмельницкого предприятия электрических сетей ПЭО «Винницаэнерго». Причиной послужили несколько несчастных случаев в сетях 10 кВ.

Из возможных направлений обеспечения условий безопасной эксплуатации сети были рассмотрены: повышение чувствительности устройств контроля изоляции и внедрение релейной защиты, действующей на отключение линии с однофазным замыканием (ОЗ), а также остро вставший вопрос надежности трансформаторов НТМИ, повреждения которых имели место при перемежающихся ОЗ с последующим отказом устройств контроля изоляции сети.

В ходе выполнения работ по комплексному решению этих задач, во-первых, выяснилась возможность повышения чувствительности сигнализации ОЗ по напряжению нулевой последовательности от 20 В в традиционных схемах до 3–5 В. Во-вторых, уже первые результаты опытов с резистивным заземлением нейтрали показали, что этим способом не только ограничиваются перенапряжения в режимах неустойчивых дуговых ОЗ, но и существенно снижается величина силы тока в первичных обмотках НТМИ при таких видах повреждений сети.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Для проведения исследований в сельской сети 10 кВ использовалась опытная установка (все устройства собственной разработки и изготовления) в составе однофазного силового трансформатора 6/0,4 кВ, двух низковольтных резисторов, а также тиристорного блока управления, распознающего характер ОЗ (полное или перемежающееся) и коммутирующего по заданной программе более мощный резистор [2].

Кроме того, было испытано устройство заземления нейтрали с емкостным регулятором тока компенсации и низковольтным резистором. Опытный реактор был дополнен вторичной силовой обмоткой к основной обмотке на 15 А. Четыре тиристорных ключа коммутировали: первый – резистор сопротивлением 4 Ом на время срабатывания селективной сигнализации ОЗ; второй – конденсатор, создающий в первичной обмотке емкостный противоток 1,5 А; третий – 3 А; четвертый – 6 А, обеспечивая ступень регулирования 1,5 А в диапазоне индуктивного тока реактора 4,5–15 А.

В 1970-х годах о широком распространении резистивного заземления нейтрали сети, как, к слову, и об использовании малых (на ток до 10 А) заземляющих реакторов, которое предписывалось для сельских сетей решением Главтехуправления Минэнерго СССР, не было и речи.

Трансформаторы напряжения

Основной причиной массового повреждения трансформаторов НТМИ были не дуговые перемежающиеся ОЗ, а конструкция самих ТН, создававшая связь фаз сети с землей через нелинейные индуктивности их высоковольтных обмоток. Для устранения этой причины были введены в эксплуатацию более 50 трансформаторов напряжения, в которых такая связь отсутствует.

Трансформаторы НТМ(и), собранные по схеме Арона, относящиеся к разряду незаземляемых, истинно антирезонансных, были дополнены высоковольтным трехфазным резисторным делителем и электронным блоком, выполняющими функции измерения напряжений фаз сети относительно земли (напряжений, некорректно называемых фазными) и сигнализации о появлении ОЗ с чувствительной (5 В) и грубой (20 В) уставками.

Идентичные выводы о необходимости изменения режима нейтрали или применения трансформаторов, не создающих указанную выше связь фаз с землей в сетях 6–35 кВ, позже были сделаны и другими исследователями [3, 4].

Трансформаторы тока

Схемы устройств защиты и сигнализации (УЗС) ОЗ касаются и второго элемента системы первичной информации о параметрах режима сети – трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП), без которого не обойтись в построении селективных УЗС ОЗ.

Упрощение монтажа датчиков тока ОЗ на кабельных линиях 10 кВ было достигнуто посредством разработки и применения разъемного ТТНП, погрешность которого, в отличие от известного ТЗР, минимально зависела от тщательности его сборки (без демонтажа концевой муфты) и не превышала 3%. Применение таких ТТНП позволило успешно эксплуатировать централизованную защиту и селективную сигнализацию, отстроенные от максимального собственного емкостного тока наиболее длинной кабельной линии с учетом возможных послеаварийных режимов конкретной сети.

Но вопрос оснащения селективной сигнализацией оставался открытым именно в части ТТНП в ячейках КРУН с воздушными выводами. Из двух на то время возможных вариантов решения задачи: установка шинных ТТНП или монтаж кабельных вставок между присоединительными зажимами выключателя (линейного разъединителя) и проходными изоляторами выводов ВЛ – предпочтение было отдано второму.
Был еще и третий вариант – дополнение схемы измерения силы тока трансформатором в фазе В. Однако из-за тока небаланса в схеме фильтра тока нулевой последовательности (ФТНП), превышающего приемлемые значения, этот вариант далее не рассматривался.

Положение изменилось с появлением в начале ХХI века нанокристаллических магнитных материалов и применением их при конструировании трансформаторов тока, которые, в отличие от традиционных ТТ, позволяют получить ФТНП с током небаланса порядка 0,01% от номинального первичного тока трансформатора. Тем самым устраняется необходимость вынужденного использования громоздких, крупногабаритных шинных ТТНП, например в сетях генераторного напряжения электрических станций.

ДГР + резистор

В городских сетях г. Хмельницкий на одной из питающих подстанций 110/10 кВ в течение 10 лет, вплоть до момента ее реконструкции (проектная организация посчитала комбинацию «ДГР + резистор» не соответствующей ПУЭ и ПТЭ), эксплуатировалась установка параллельного включения ДГР и высоковольтного резистора. Резистор, постоянно включенный в режиме ожидания с целью ограничения напряжения смещения нейтрали, был оснащен автоматикой отключения с выдержкой времени 5 с после возникновения ОЗ. Работоспособность регулятора настройки компенсации (плунжерного реактора) обеспечивалась автоматическим отключением резистора на время 60 с с интервалом 30 мин.

В распределительном устройстве 10 кВ подстанции 110/10 кВ отходящие кабельные линии были оснащены селективной централизованной защитой/сигнализацией [5], действующей на отключение с выдержкой времени 3 с на двух линиях, питающих один из распределительных пунктов сети, а на остальных – на сигнал. На этом же РП были установлены устройства релейной защиты от ОЗ на отключение с выдержкой времени 1 с, а на всех проходных ТП, питаемых от данного РП, – указатели протекания тока ОЗ.

Рассматривалась целесообразность использования одного из известных способов выполнения устройств защиты, реагирующих на:

• величину установившегося тока ОЗ (простые токовые защиты);
• направление установившегося тока ОЗ (направленные защиты);
• высшие гармоники установившегося тока ОЗ;
• направление импульса тока нулевой последовательности в начальный момент ОЗ.

Избранный вариант централизованной защиты/сигнализации был доработан с учетом результатов анализа эксплуатации реле защиты от ОЗ в сетях горных предприятий, где по условиям безопасности требуется отключение линии с однофазным замыканием без выдержки времени. Данный анализ, выполненный ИГД им. А. А. Скочинского, ВостНИИ, МакНИИ, свидетельствовал о частых сбоях, отказах, неселективных срабатываниях эксплуатируемых в то время реле, а также о том, что необходимо не только усовершенствовать сами реле, но и создать условия для их правильного функционирования посредством внешнего относительно защит фактора – изменения режима нейтрали сети.

Этот вывод был подтвержден и нашими экспериментальными исследованиями, включая снятие осциллограмм токов и напряжений при различных видах ОЗ в действующих сетях: в карьерных 6 кВ Иршанского ГОК и Каменец-Подольского цементного завода, а также в сельских и городских 10 и 35 кВ Хмельницкого предприятия электрических сетей.

ДГР + резистор + релейная защита + сигнализация

Алгоритм действия комплекса «ДГР + резистор + релейная защита + сигнализация» был следующим. В случае возникновения ОЗ на любой из линий отмеченного выше РП срабатывают устройства сигнализации, указывающие оперативному персоналу сети конкретный поврежденный участок линии, а сама линия отключается выключателем на РП с выдержкой времени 1 с. Если ОЗ возникает на одной из линий питания РП или защита (выключатель) пропускает ОЗ на линии от РП, срабатывает РЗ на питающей подстанции с выдержкой времени 3 с. И в первом, и во втором случаях резистор остается постоянно включенным. В третьей ситуации, когда ОЗ возникает на любой из линий, не относящейся к рассмотренному РП, срабатывает селективная сигнализация на питающей подстанции, на РП и на участках линии, где произошло замыкание. Через 5 секунд отключается резистор, а ДГР продолжает выполнять свои функции вплоть до выделения из схемы сети уже известного поврежденного участка.

В данной установке использовались высоковольтные высокоомные резисторы серии ССН, изготовленные по нашему заказу в объеме экспериментальной партии московским предприятием «Энерготехпром» в 1980-х годах. Часть из них в комбинациях параллельного и последовательного соединений успешно прошла опытную эксплуатацию в сетях Винницкой энергосистемы.

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

Серьезная поддержка работ по исследованию и внедрению высокоомного заземления нейтрали распределительных сетей была оказана со стороны ВНИИЭ (Н. Н. Беляков, Л. В. Тимашова) и СибНИИЭ, в частности, выразившаяся в инициировании и впоследствии внесении в п. 1.2.16 ПУЭ 7-го изд. [6] слова «резистор». В этом пункте однако заложено противоречие. Первый абзац гласит: «Работа электрических сетей напряжением 3–35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». А затем: «Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться (выделено автором – ред.) при значениях этого тока в нормальных режимах…». И далее излагаются требования, известные из ПУЭ 6-го изд., которые оставляют резистивному заземлению нейтрали распределительные сети, не подпадающие под указанные в этом же пункте ограничения.

Заметим, что в ПУЭ нет деления резисторов на высокоомные и низкоомные. Приходится, руководствуясь фразой «заземленной через дугогасящий реактор или резистор», догадываться, что речь идет о резисторе как эквиваленте по величине сопротивления дугогасящему реактору, т. е. высокоомном.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

Официально различие толкований «высокоомный» и «низкоомный» резистор не установлено.

Высокоомное заземление

Относительно понятия высокоомного заземления специалисты близки к согласию, считая, что при таком режиме используются резисторы, активное сопротивление которых ориентируется на 100% от величины емкостного сопротивления сети при нормальной схеме электрических соединений. Этот режим практически не изменяет коэффициент замыкания на землю, остающийся близким к 1,73.

При этом сохраняются разногласия по поводу того, в каких сетях может использоваться высокоомное заземление. Мнение автора этой статьи однозначно: в сети с резистивным заземлением нейтрали, независимо от величины тока однофазного замыкания, линия с ОЗ отключается устройствами защиты за время не более 5 с. Сеть не эксплуатируется в режиме однофазного замыкания. Данное обстоятельство, кроме прочего, определяет, в каких сетях уместен такой режим, а также требования к самому резистивному устройству заземления нейтрали.

Обобщая накопленный опыт исследований и эксплуатации высокоомного заземления нейтрали распределительных сетей как в СНГ, так и за рубежом, можно ввести два критерия такого режима нейтрали. Первый – в соотношении накладываемого активного тока резистора к емкостному току ОЗ: I_а = (1–2) I_с. Второй – ограничение тока резистора величиной 1% от тока трехфазного короткого замыкания в сетях, где I_с превышает 100 А, учитывая неявно выраженную корреляцию: мощность системы (ток трехфазного КЗ) – развитость питаемой сети (емкостный ток ОЗ).

Еще одно, весьма важное, уточнение: в сетях, питающих электроустановки с повышенной опасностью обслуживания, при емкостном токе ОЗ, меньшем 4 А, накладываемый активный ток резистора должен быть не меньше тех же 4 А.

Низкоомное заземление

Относительно определения низкоомного заземления следует ориентироваться на значения коэффициента замыкания на землю в пределах 1,4 (значения меньше 1,4 определяют зону эффективного заземления нейтрали) и 1,7 (ближе к величине, равной 1,6).

Для этого режима целесообразно введение ограничения в пределах 0,1–0,2 по току трехфазного КЗ. К слову, срабатывание устройства заземления неповрежденной фазы для создания искусственного двойного КЗ или применение устройств замыкания поврежденной фазы на время их включенного состояния переводят сеть в режим, эквивалентный глухому заземлению нейтрали системы.

Добавим, что режим низкоомного заземления нейтрали по-требует дополнительных материальных вложений в усиление заземляющих устройств подстанций, особенно на территориях с относительно большим удельным сопротивлением грунта. Также он неприемлем не только в сети с ВЛ на металлических и ж/б опорах, но и при наличии хотя бы одного пролета ВЛ любой конструкции.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

К перечню показателей, влияющих на выбор варианта заземления нейтрали, в первую очередь относят кратность перенапряжений в сети при перемежающихся ОЗ.

Анализ опубликованных данных, полученных исследователями этих процессов, и результаты измерений, выполненных автором в сетях 6–35 кВ различного назначения, показали: кратности относительно 1,41 U_ф этих перенапряжений подчиняются нормальному закону распределения [5]. Его основные параметры:

• математическое ожидание – 2,27; 2,07; 1,92 в сетях соответственно с нейтралью изолированной, заземленной через ДГР, заземленный через высокоомный резистор;
• среднее квадратичное отклонение – 0,46; 0,40; 0,26.

Исходя из оценки математического ожидания, получаем вывод о не столь большой, как принято считать, опасности дуговых перенапряжений в сети с изолированной нейтралью. Но среднее квадратичное отклонение свидетельствует о весьма высокой вероятности, порядка 30% в двухсигмовом доверительном интервале, появления в такой сети перенапряжений в пределах 2,4–3,2 амплитудного значения фазного напряжения. Несколько лучше выглядит сеть с заземлением через ДГР. Существенным преимуществом обладает сеть с высокоомным заземлением нейтрали. Еще лучший показатель по параметру кратности перенапряжений свойственен сети с низкоомным резистором в ее нейтрали. Однако данное положительное свойство низкоомного заземления вовсе не означает его преимущество по комплексной оценке относительно иных режимов – с ДГР и тем более с высокоомным резистором.

ОБОБЩАЮЩИЕ МОМЕНТЫ

Объективный анализ сегодняшнего состояния распределительных сетей свидетельствует о невозможности отказа, тем более полного, от компенсации токов ОЗ. Но необходимо не упускать из виду ряд моментов, на которые обращалось внимание в [5]:

• возросший уровень высших гармоник тока ОЗ;
• возможное повышение активной составляющей в токе замыкания;
• сложности построения и применения устройств автоматического определения поврежденного участка сети с ОЗ.

О достаточно высокой вероятности появления первого фактора свидетельствуют не только наши исследования, но и работы других авторов (например [7]). По второму данные были представлены еще раньше [8].

И если компенсация емкостных токов ОЗ сомнению не подлежит, то не могу согласиться с внедрением постоянно включенного резистора в нейтрали сети, где предусмотрено ее длительное, часами, функционирование в режиме ОЗ.

Возникает вопрос: допустимо ли совместное использование ДГР и резистора? Естественно, допустимо. Однако, во-первых, необходимо ограничить включенное состояние резистора, высоковольтного или низковольтного, только временем срабатывания устройств сигнализации и защиты от ОЗ. Во-вторых, данная комбинация – это полумера на время переходного периода к активно-адаптивным сетям высшего уровня.

Сущность активно-адаптивной распределительной сети (АкАд-сеть) в части режима ее нейтрали и защиты от аварийных ситуаций, связанных с замыканиями на землю (однофазными, многоместными), заключается в освобождении от одного из анахронизмов энергетики ХХ столетия – целесообразности, а подчас и необходимости длительного состояния сети с однофазным замыканием.

Задача обеспечения надежного электроснабжения решается с помощью системы управления сетью, которая создает условия его непрерывности и автоматической локализации поврежденного элемента сети, исключая необходимость ручного отключения с предварительным предупреждением потребителя. Функциональная схема такого управления сетью в плане автоматики и защиты от однофазных замыканий (рис. 1) представлена в [5].

Рис. 1. Функциональная схема АСЦУ

ВЫВОДЫ

Нейтраль распределительных сетей 6–35 кВ не должна быть изолирована от земли. В современных условиях их эксплуатации очевидно преимущество комбинированного, индуктивно-активного режима нейтрали: плавно или с малой дискретностью регулируемых ДГР с высокоомно-резистивным заземлением для создания условий надежного действия релейной защиты и сигнализации, подавления перенапряжений в начальной стадии ОЗ.

Активная часть устройства может быть выполнена в виде отдельно смонтированного высоковольтного резистора с соответствующим аппаратом коммутации или низковольтного, также коммутируемого резистора, подключенного к силовой вторичной обмотке ДГР.

В сетях, где внедряются кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена, а также сухие силовые трансформаторы (за ними, безусловно, будущее, но и те и другие требуют усиленной защиты от перенапряжений путем применения соответствующих ОПН), ситуация иная. Здесь целесообразно использовать высокоомно-резистивное заземление нейтрали, релейную защиту, действующую на отключение поврежденного участка линии и устройств АВР.

Аналогичное требование следует учитывать и в случае повышенного уровня гармоник в токе однофазного замыкания сети, отрицательно влияющих на эффективность применения ДГР.

В сетях, сооружаемых по концепции активно-адаптивных, где достигается их принципиально новое качество, выражающееся, в частности, в автоматизации процесса выделения поврежденного участка сети без даже кратковременного перерыва в питании потребителей электрической энергии, должны применяться высокоомный резистивный режим нейтрали, автоматика и защита от ОЗ, то есть полная автоматика, действующая по фактору ОЗ с опережающим включением резерва питания относительно момента отключения поврежденной линии, как составная часть кибернетического комплекса активно-адаптивной сети.

Режим низкоомного заземления нейтрали может быть использован после детального рассмотрения условий безопасности и оценки экономической эффективности по сравнению с режимом высокоомно-резистивного заземления в каждом конкретном варианте его применения.

В отношении разработки единого нормативного документа по выбору режима нейтрали в сетях 6–35 кВ следует согласиться с автором [9]: необходимо не допускать самодеятельности в вопросах обеспечения электробезопасности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Назаров В.В. Сравнение режимов заземления нейтрали // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 5(83).
2. Назаров В.В. Устройство для изменения активного сопротивления в нейтрали некомпенсированных сетей 3–10 кВ // Энергетик. 1981. № 7.
3. Эткинд Л.Л. Защита трансформаторов напряжения в сетях 3–35 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2003. № 5(23).
4. Раскулов Р.Ф. Трансформаторы напряжения 3–35 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
5. Назаров В.В. Защита электрических сетей от однофазных замыканий. Киев: Либідь, 1992.
6. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е изд.
7. Вайнштейн В.Л. Исследования высших гармоник тока замыкания одной фазы на землю // Промышленная энергетика. 1986. № 1.
8. Назаров В.В. Исследования токов замыкания на землю в сетях 10 кВ с железобетонными опорами // Режимы нейтрали в электрических системах. Киев: Наукова думка, 1974.
9. Фишман В.С. Нейтраль распределительных сетей. Какое решение предпочтительнее? // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 6(84).