Повышение надежности в сетях 6-35 кВ

В настоящее время, электрических сетях 6−35 кВ, эксплуатируемых в России и странах СНГ, обычно используют изолированную или компенсированную (заземленную через дугогасящий реактор (ДГР) нейтраль. Но эти способы заземления имеют явные недостатки, которые выявились в процессе многолетней эксплуатации. Замена таких нейтралей на современные позволят решить ряд проблем и намного повысить надежность сетей. Одним из способов повышения надежности является применение резистивного заземления нейтрали Данная проблема является актуальной в настоящее время, так как при небольшом количестве положительных сторон традиционных способов заземления нейтрали они имеют ряд существенных недостатков:

• 1) При возникновении ОЗЗ напряжение на неповрежденных фазах повышается до линейного, что грозит повышенным износом и пробоем изоляции кабельных сетей с длительным сроком эксплуатации?
• 2) Существует опасность возникновения значительных дуговых перенапряжений, следствием которых может быть переход однофазного в двухфазные и трехфазные замыкания;
• 3) При ДГР настроенном в резонанс, возникновение ОЗЗ может приводить к появлению феррорезонансных явлений и повреждению трансформаторов напряжения;
• 4) Создается сложность выстраивания простой, надежной, селективной защиты от ОЗЗ, которая имеет возможность выявлять поврежденные присоединения. Причиной этому являются малые токи замыкания на землю при ОЗЗ;
• 5) При наличии ДГР определение места повреждения с помощью поочередного отключения присоединения вносят в сеть раскомпенсацию, и создается опасность перехода ОЗЗ в междуфазные замыкания;
• 6) Для соблюдения режима компенсации емкостного тока требуется использовать плавно регулируемые ДГР с автоматической настройкой компенсации;

Кроме того, создается высокая опасность причинения вреда здоровью людей и животных вследствие длительного существования ненормального режима работы сети[1].

В сетях с резистивным заземлением нейтрали при ОЗЗ в присоединениях протекают собственные ёмкостные токи, а в повреждённом присоединении, протекает еще и активный ток, обусловленный включением в цепь тока нулевой последовательности активного сопротивления резистора. Это обуславливает физический смысл такого способа заземления нейтрали, который позволяет более просто решить две важные технические задачи:

• 1) Появляется возможность определения повреждённого присоединения и принятий оперативных действий по устранению повреждения;
• 2) Возникают предпосылки для применения простой и надежной релейной защиты, действующей либо на сигнал, либо на отключение повреждённого присоединения[1].

Предполагается устанавливать в нейтраль трансформаторов резисторы с большим или малым сопротивлением. Применяются три варианта заземления нейтралей сетей 6−35 кВ через резистор: низкоомное, высокоомное и комбинированное. Рассмотрим каждый по отдельности[1].

Низкоомное резистивное заземление нейтрали используется в случаях, когда требуется отключить ОЗЗ в течение минимально допустимого времени. В этом случае ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение. Такое заземление нейтрали, с возможностью отключения поврежденных участков сети, используется в тех сетях, где обеспечивается необходимая степень резервирования и автоматизации распределительных сетей, систем электроснабжения и технологических процессов. В кабельных линиях, где обеспечивается высокая степень резервирования, экономически и технически выгодно перейти от системы заземления нейтрали с ДГР к нейтрали, заземленной через низкоомный резистор, с отключением поврежденного присоединения без выдержки времени[2].

Применение низкоомного резистивного заземления обладает следующими преимуществами:

• 1) Снижение ущерба из-за повреждения оборудования (недоотпуск ЭЭ и затраты на аварийно-восстановительные ремонты поврежденного электрооборудования);
• 2) Предупреждение несчастных случаев с людьми и животными;
• 3) Ограничение перенапряжений, снижение времени горения дуги и предотвращение переходов ОЗЗ в междуфазные КЗ;
• 4) Точная локализация поврежденного участка сети;
• 5) Минимизация области повреждения за счет быстрой ликвидации замыкания за 0,5 — 2,5с;

Недостатком является то, что отсутствуете эффект «самовосстановления» СПЭ-изоляции[2].

Высокоомное резистивное заземление нейтрали используется тогда, когда сеть должна иметь способность к продолжительной работе в режиме ОЗЗ до обнаружения места замыкания. В этом случае ток в нейтрали должен быть таким, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений и снижение безопасности для людей и животных, но одновременно должен быть достаточным для выявления поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал[1].

Такое заземление имеет следующие достоинства:

• 1) Способность работы сети с ОЗЗ до совершения действий по безаварийному отключению поврежденного элемента;
• 2) Возможность самостоятельного гашения дуги и самостоятельного устранения части ОЗЗ;
• 3) Практически исключается возможность появления перемежающихся дуговых ОЗЗ;
• 4) Снижение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с режимом изолированной нейтрали;
• 5) Исключается возможность появления феррорезонансных процессов в сети;
• 6) Применение простых схем релейной защиты и сигнализации при устойчивых ОЗЗ.

Наряду с его достоинствами, такое заземление нейтрали имеет ряд недостатков:

• 1) Дополнительные затраты на сооружение резистивного заземления нейтрали;
• 2) Высокая мощность заземляющего резистора и проблемы с обеспечением его термической стойкости при устойчивых ОЗЗ[3].

Комбинированное заземление нейтрали осществляется путем соединения высокоомного резистора параллельно с ДГР и позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке ДГР, а также способствует работе релейных защит на сигнал[3].

Преимущества такого заземления следующие:

• 1) Снижение уровня перенапряжений до безопасных для изоляции электрооборудования величин[4];
• 2) Устранение биений фазных напряжений с амплитудой до (1,82,0)U_фmax, которые возникают после погасания дуги при существенной расстройке компенсации;
• 3) Улучшение симметрии сети вследствие снижения напряжения смещения нейтрали;
• 4) Создание условий для улучшения селективности защит от замыканий на землю с действием на сигнализацию или отключение;
• 5) Уменьшение длительности горения дуги и времени восстановления электрической прочности изоляции;
• 6) Ликвидация возможных резонансных процессов, обусловленных наличием в токе ОЗЗ гармонических составляющих.

Однако при постоянно включенном резисторе комбинированное заземление нейтрали имеет один существенный недостаток. Во время появления дугового замыкания, напряжение на поврежденной фазе после гашения дуги восстанавливается значительно быстрее, чем при заземлении с компенсированной нейтралью. Этот фактор укорачивает интервал времени между пробоями изоляции и увеличивает количество воздействий перенапряжений на неповрежденные присоединения[3].

На основе проведенных расчетов путем моделирования участка сети 10кВ с различными способами заземления в программном комплексе PSCAD, а также опыта эксплуатации в некоторых странах СНГ, можно сделать вывод, что заземление нейтрали сетей 6−35 кВ через резистор обеспечивает:

• 1) Снижение уровня перенапряжений в сети при ОЗЗ;
• 2) Правильное функционирование релейной защиты при ОЗЗ, действующее либо на отключение поврежденного присоединения, либо на сигнал;
• 3) Исключение или уменьшение вероятности поражения людей и животных при ОЗЗ;
• 4) Экономическую целесообразность принимаемых решений при всех рабочих и защитных функциях;
• 5) Исключение опасных феррорезонансных явлений, которые обусловлены насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения.

Кроме того, резистивное заземление нейтрали позволяет снизить уровень дуговых, феррорезонансных, коммутационных перенапряжений. При этом появляется возможность защиты оборудования подстанции с помощью ОПН с более низким остаточным напряжением. Такое заземление нейтрали способствует повышению уровня электробезопасности для людей и животных, вследствие быстрого отключения повреждённого присоединения.

Таким образом, резистивное заземление нейтрали в сетях 6−35 кВ имеет больше преимуществ по сравнению с изолированной и компенсированной нейтралью. Применение таких нейтралей, вместо традиционных способов заземления, обеспечит наибольшую надежность и безопасность при ОЗЗ. Положительный опыт эксплуатации резистивно заземленной нейтрали подтверждает необходимость и экономическую целесообразность снижения уровня перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях на землю и подавления феррорезонансных явлений, обеспечения правильной надежной работы защит от ОЗЗ рекомендовать применение в сетях 6−35кВ [5].