Заземление и защитные меры безопасности

Явление возникновения высокого потенциала на заземляющих устройствах подстанций в сетях напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью при однофазных коротких замыканиях (ОКЗ) общеизвестно. Однако недавно были опубликованы результаты расчетов [1], которые показывают, что при выполнении городской сети кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) возникновение высокого потенциала невозможно.
Авторы статьи [1] допустили в своем исследовании принципиальную ошибку, – доказывает Владимир Семенович Фишман.

Владимир Фишман, инженер-проектировщик, г. Нижний Новгород

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПОДСТАНЦИЙ
Ошибки при расчете потенциалов

О возникновении высокого потенциала на заземляющих устройствах (ЗУ) подстанций (ПС) и о мероприятиях по обеспечению электробезопасности в таких случаях сказано в ПУЭ [2] (п. 1.7.89 и др.) и в ГОСТе [3]. Токи однофазных замыканий на землю в сетях высокого напряжения современных энергосистем растут и могут достигать нескольких десятков килоампер, а напряжение на ЗУ ПС может достигать и даже превышать 10 кВ [4].

При создании модели сети для расчета авторы [1] допустили серьезную ошибку, из-за которой полученные результаты потеряли смысл. Она заключается в неверном представлении источника внешнего электроснабжения – питающей энергосистемы.

Принятая авторами модель сети показана на рис. 1. Здесь энергосистема представлена в виде генератора 6 кВ в паре с повышающим трансформатором 6/110 кВ. Вся распределительная сеть напряжением 110, 35 и 6 кВ выполнена однофазными кабелями со СПЭ-изоляцией, имеющими медные экраны, заземленные с двух концов – на питающей и приемной подстанциях. Медные экраны кабелей имеют низкое омическое сопротивление, благодаря чему, как показали расчеты, потенциалы на ЗУ наиболее удаленных друг от друга ПС отличаются всего лишь на 25 В даже при протекании тока ОКЗ (табл. 1 в [1]).

Рис. 1. Принятая для исследования модель сети

Таким образом, можно говорить об общем заземляющем контуре, объединяющем с помощью медных экранов ЗУ всех ПС. При возникновении однофазных замыканий в сетях 110, 35, 6 кВ токи ОКЗ «замыкаются по металлу» – через медные экраны кабелей, практически не выходя за пределы контура в землю и не создавая на нем заметного потенциала относительно земли. Такой результат дал основание авторам сделать заключение о том, что «проблема с возникновением опасной величины напряжения прикосновения и выносом потенциала отсутствует».

Хотелось бы обратить внимание на то, что в таком случае для подобных сетей следовало бы отменить требования ПУЭ по обеспечению электробезопасности в сетях 110 кВ и выше с эффективно заземленной нейтралью, перечисленные в п.1.7.89 и др. [2]. В самом деле, если потенциал на заземляющем контуре относительно земли в наиболее неблагоприятном режиме не превышает безопасного значения 50 В, то становятся совершенно излишними такие обязательные требования ПУЭ, как сооружение заземляющей сетки, системы выравнивания потенциалов на территории ПС и вокруг нее и др. Здравый смысл подсказывает, что здесь имеет место определенное недоразумение.

НЕДОСТАТКИ МОДЕЛИ СЕТИ

Указания ПУЭ о возможности появления высокого потенциала на ЗУ ПС исходят из того, что ЗУ источников внешнего электроснабжения (источников энергосистемы) и ЗУ ПС по-требителей являются электрически независимыми.

Только в этом случае возможно возникновение высокого потенциала вследствие прохождения тока ОКЗ через землю. Независимость ЗУ источников энергосистемы и ЗУ ПС потребителей обусловлена большими расстояниями между ними (десятки и сотни км) и тем, что связь в энергосистемах осуществляется по воздушным линиям (ВЛ).

Пример такой связи показан на рис. 2. При этом картина протекания тока ОКЗ принципиально меняется по сравнению с той, которая показана на рис. 1. Если бы авторы [1] учли это обстоятельство, то результаты расчетов потенциала были бы совершенно иными. При этом, как отмечалось выше, возникший на общем заземляющем контуре ПС потребителей потенциал мало отличается в разных точках, что создает опасность его перехода в сеть 400/230 В через N-проводники низковольтных обмоток трансформаторов 6/0,4 кВ.

Рис. 2. Модель сети со скорректированным отображением источника энергосистемы

Ко всему вышесказанному следует добавить, что приведенная в [1] схема вообще нетипична для большинства современных городов, потому что в ней присутствуют исторически сложившиеся в Санкт-Петербурге, устаревшие на сегодняшний день технические решения, не рекомендуемые к применению [5]. Это сложность и многоступенчатость системы электроснабжения, связанные с этим дополнительные потери электроэнергии при трансформации, применение во внутригородских сетях напряжения 35 и 6 кВ. Нетипичность схемы при любых результатах расчета не дает оснований использовать их для обобщающих выводов в отношении систем электроснабжения большинства городов.

О НИЗКООМНОМ ЗАЗЕМЛЕНИИ НЕЙТРАЛИ

Низкоомное заземление нейтрали в сетях 6–35 кВ при больших токах заземляющего резистора также может послужить причиной возникновения высокого потенциала и его выноса в низковольтную сеть [6, 7]. Мотивом к принятию решения о применении низкоомного заземления нейтрали, по всей вероятности, послужило стремление снизить коммутационные перенапряжения при ОЗЗ в сетях 6 и 35 кВ, которые отрицательно влияют на срок службы кабелей со СПЭ-изоляцией [8].

Но принятая авторами [1] модель сети не позволила «почувствовать» возникающую при этом опасность выноса высокого потенциала в сеть 400/230 В. Причина здесь та же, что была указана выше. Это полное отсутствие независимых ЗУ потребительских ПС в сетях 6–35 кВ, т.к. на модели сети ЗУ всех ПС связаны медными оболочками кабелей. Однако в реально существующих городских электросетях такая ситуация практически невозможна, ибо нельзя одномоментно заменить все существующие кабели на однофазные кабели со СПЭ-изоляцией.
Кроме того, это и не всегда экономически целесообразно, особенно в отношении отдельных городских ТП мощностью до 2х630 кВА. В сложившейся обстановке в стране подобные затраты не оправданы. Такое решение потребовало бы сооружения по всей городской территории многочисленных кабельных колодцев с устройствами транспозиции кабельных экранов, что значительно усложнило бы эксплуатацию.
Относительно существующих кабелей в городских сетях 6–35 кВ следует констатировать, что это в основном кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке. В [7] уже обращалось внимание на то, что оболочки таких кабелей, особенно много лет пролежавших в коррозионно-активных по отношению к свинцу и алюминию грунтах и водах, при наличии блуждающих токов от городского электротранспорта нельзя считать надежными проводниками. Это подтверждает опыт авторитетных специалистов [6].
И хотя авторы статьи [1] уделили много внимания доказательству хорошей проводимости свинцовых оболочек кабелей, необходимо обратить их внимание на п. 1.7.123 ПУЭ [2], содержащий прямой запрет использования свинцовых оболочек кабелей в качестве защитных проводников. Очевидно, что такой запрет вполне обоснован, если речь идет не только о возможности повреждения электрооборудования, но и об угрозе жизни и здоровью людей. Степень риска в таких случаях должна быть минимальной. Гораздо надежнее такую защитную роль выполняют медные оболочки кабелей 6–35 кВ, пропуская большую часть тока ОЗЗ через себя и снижая тем самым потенциал на ЗУ ПС, на которой произошло повреждение.
Напомним, что ГОСТ [3] устанавливает предельные значения напряжения на ЗУ ПС 6(10, 35)/0,4 кВ, при которых нейтраль обмотки 0,4 кВ трансформатора может быть подключена к ЗУ ПС, как этого требуют ПУЭ [2]. Анализ требований [3] показывает, что при времени отключения ОЗЗ, равном t = 0,2 c и t = 0,5 с, и при сопротивлении ЗУ ПС R_ЗУ = 4 Ом допустимое напряжение на ЗУ и напряжение прикосновения обеспечиваются при токах ОЗЗ через ЗУ ПС соответственно не более I_ОЗЗ ≤ 140 А и 50 А. При низкоомном заземлении нейтрали в сетях 6–35 кВ токи через ЗУ ПС, питающихся по ВЛ или по кабелям с нарушенной цепью по оболочке, могут оказаться значительно больше.
Так, в приведенном в [1] примере ток ОЗЗ в сети 6 кВ равен I_{ОЗЗ 6} = 200 А , а в сети 35 кВ I_{ОЗЗ 35} = 3700 А. Уместно заметить, что Методические указания ФСК ЕЭС [9] не рекомендуют применять в сетях 6(10) кВ низкоомные заземляющие резисторы сопротивлением 50–200 Ом и менее. При таких резисторах максимальная величина тока ОЗЗ не превышает I_ОЗЗ ≈ 130 А. Что касается сети 35 кВ, то в данном примере, вопреки требованиям ПУЭ, она по всем признакам оказывается сетью с эффективно заземленной нейтралью, поскольку здесь при токе ОКЗ I_{ОЗЗ 35} = 3700 А коэффициент замыкания на землю явно ниже критического значения К_З < 1,4.

ВЫВОДЫ

При создании модели для исследования городской электросети авторы [1] допустили принципиальную ошибку, не учтя электрическую независимость ЗУ источников энергосистемы по отношению к ЗУ городских ПС, а также независимость ЗУ по крайней мере части городских ПС по отношению друг к другу. Учет этого фактора многократно увеличит возможные потенциалы на заземляющих устройствах по сравнению с расчетными данными, приведенными в [1].

Кроме того, рассмотренный в статье пример городской электросети весьма далек от оптимальных решений для систем электроснабжения современных городов по причинам многоступенчатости трансформации напряжения и применения не рекомендуемого для внутригородских сетей напряжения 35 и 6 кВ (обоснование приведено в [5], раздел 4.8). С учетом вышеизложенного, результаты данного исследования не могут служить основой для обобщающих выводов в отношении современных городских электросетей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артемьев М.С., Брилинский А.С., Грунина О.И., Евдокунин Г.А. Расчет потенциала на заземляющих устройствах подстанций в городских кабельных сетях при однофазных замыканиях на землю // Энергоэксперт. 2015. № 1.
2. Правила устройства электроустановок, 7-е изд., гл. 1.7.
3. ГОСТ Р 50571-4-44-2011 (МЭК 60364-4-44:2007). Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонения напряжения и электромагнитных помех.
4. Борисов Р.К., Жарков Ю.В. О выносе высокого потенциала при коротком замыкании на землю на питающем центре // Энергоэксперт. 2012. № 2.
5. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2012.
6. Фишман В.С. Кабельные сети 6(10) кВ со СПЭ-изоляцией. Возникновение и распространение опасных потенциалов // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 5(83).
   7. Назаров В.В. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6–35кВ. Ретроспектива и будущее // Новости ЭлектроТехники. 2014. № 2(86).
   8. Лавров Ю.А. Кабели напряжением 6–35 кВ с пластмассовой изоляцией. Факторы эксплуатационной надежности // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6(42).
   9. Стандарт организации. Методические указания по защите от резонансных повышений напряжения в электроустановках 6–750 кВ. ОАО «ФСК ЕЭС», 2014.