Режимы нейтрали в сетях 6(10)-35кВ (ПУЭ). Преимущества и недостатки.

Способ заземления нейтрали сети определяет:

· ток в месте повреждения и перенапряжения на неповрежденных фазах при однофазном замыкании;

· схему построения релейной защиты от замыканий на землю;

· уровень изоляции электрооборудования;

· выбор аппаратов для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений (ограничителей перенапряжений);

· бесперебойность электроснабжения;

· допустимое сопротивление контура заземления подстанции;

· безопасность персонала и электрооборудования при однофазных замыканиях.

Режимы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ.

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (термин «среднее напряжение» используется для сетей 3, 6, 10,20,35кВ):

1.Изолированная (незаземленная);

2.Компенсированная, резонансно – заземленная нейтраль (через дугогасящий реактор);

3.Компенсированная, заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

В России, согласно п.1.2.16 последней редакции ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г., «...работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». Таким образом, сейчас в сетях 6-35 кВ в России формально разрешены к применению все принятые в мировой практике способы заземления нейтрали, кроме глухого заземления. Отметим, что, несмотря на это, в России имеется опыт применения глухого заземления нейтрали в некоторых сетях 35 кВ (например, кабельная сеть 35 кВ электроснабжения г. Кронштадта).

1. Изолированная нейтраль

При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник, поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока). Компенсация тока однофазного замыкания на землю (использование дугогасящих реакторов) должна предусматриваться при емкостных токах:

· более 30 А при напряжении 3-6 кВ;

· более 20 А при напряжении 10 кВ;

· более 15 А при напряжении 15-20 кВ;

· более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ;

· более 5 А в схемах генераторного напряжения 6-20 кВ блоков «генератор–трансформатор».

Вместо компенсации тока замыкания на землю может применяться заземлениенейтрали через резистор (резистивное) с соответствующим изменением логики действия релейной защиты. Исторически режим изолированнойнейтрали был первым режимом заземления нейтрали, использовавшимся в электроустановках среднего напряжения.

Его достоинствами являются:

· отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;

· малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).

Малый ток однофазных замыканий на землю (ОЗЗ)- этонеоспоримое преимущество, т.к. позволяет:

• увеличить ресурс выключателей (поскольку однофазные замыкания достигают 90% от общего числа замыканий);
• снизить требования к заземляющим устройствам, определяемые условиями электробезопасности при однофазных замыканиях на землю.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

· возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землюи приводящие к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное;

• феррорезонансные явления, вызываемые кратковременными ОЗЗ;
• сложность построения селективных защит от ОЗЗ при изолированной нейтрали и их недостаточную работоспособность в сетях с различными режимами и конфигурацией.

· возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;

· возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;

· необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

· сложность обнаружения места повреждения;

· опасность.

К достоинствам сети с изолированной нейтралью часто относят возможность продолжения ее работы при однофазном замыкании, что якобы повышает надежность электроснабжения потребителей. Такое утверждение по меньшей мере архаично. Опыт показывает, что в большинстве случаев однофазные замыкания из-за присущих сети недостатков быстро (если не мгновенно) переходят в двух- и трехфазныеи поврежденная линия всё равно отключается.

2. Сеть с резонансно – заземленнойнейтралью (через ДГР)

Сеть с резонансно – заземленнойнейтралью- нейтраль трансформатора или генератора присоединѐнная к заземляющему устройству через дугогосящий реактор.

Применяется в сетях 3-35кВ для уменьшения тока замыкания на землю. В нормальном режиме работы ток через реактор практически равен нулю. При полном замыкании одной фазы на землю дугогосящий реактор оказывается под фазным напряжением и через место замыкания на землю протекает наряду с емкостным током I(c), также индуктивный ток реактора I(L) (рис.1.5). Так как индуктивный и емкостной токи отличаются по фазе на угол 1800 , то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. Если I(c) = I(L) (резонанс), то через место замыкания на землю ток протекать не будет. Благодаря этому дуга в месте повреждения не возникает и устраняются связанные с нею опасные последствия. В сетях с резонансно-заземлѐннойнейтралью, так же как и в сетях с незаземлѐнныминейтралями, допускается временная работа с замкнутой на землю фазой. R(B) R(C) Ir(B) Ic(B) Ir(C) Ic(C) C B A Х(В) Х(С) Заземление нейтрали N Ic(B) Ic(C) Ic(A)=0 I(L) 3*I(C)-I(L) 3 хUф 3 хUфIз При однофазном замыкании на землю напряжение двух неповреждѐнных фаз относительно земли увеличивается в раз т.е. до междуфазного. Следовательно, по своим основным свойствам эти сети аналогичны сетям с незаземлѐнными (изолированными) нейтралями.

Преимущества. Заземление через дугогасящий реактор позволяет в определенных случаях снизить ток замыкания на землю до его погасания, то есть ликвидировать дуговые перенапряжения. Это в свою очередь уменьшает число переходов ОЗЗ в двух- и трехфазные короткие замыкания. Снижение тока ОЗЗ улучшает условия электробезопасности в месте замыкания, хотя полностью не устраняет возможность электропоражения в сетях с воздушными линиями.

Недостатки заземления через дугогасящий реактор (ДГР):

• необходимость симметрирования сети до степени 0,75% фазного напряжения (в сетях с воздушными линиями степень несимметрии всегда не ниже 1–2%, а при двухцепныхВЛ нормально может достигать 5–7%; Правилами технической эксплуатации в некоторых случаях допускается напряжение смещения нейтрали до 30% от фазного напряжения [6,7]);
• сложность и высокая стоимость систем автоматической подстройки ДГР (реакторы с механической подстройкой практически не эксплуатируются); невозможность широкой диапазонной настройки, необходимой для разветвленных городских сетей с часто изменяемой конфигурацией по отношению к питающей подстанции;
• практически полное отсутствие селективных защит от ОЗЗ для сети с заземлением нейтрали через ДГР.

По поводу последнего недостатка можно возразить, что при хорошей компенсации емкостного тока отключение поврежденного присоединения не обязательно. Принимая это возражение, остается констатировать, что применение дугогасящего реактора – это способ сохранения аварийного режима однофазного замыкания, причем способ не дешевый.

3.Заземление нейтрали через резистор(низкоомный или высокоомный)

Низкоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали, которое подключается через резистор, при котором активный ток самого резистора и емкостный ток сети (суммарный ток) превышает значение 10 А, при чем превышение этого значения достигает десятков и сотен ампер. Здесь применяются защиты от замыканий на землю, которые не имеют выдержку времени или если имеют, то малую. Нейтраль с низкоомным сопротивлением может применяться в сетях с любым емкостным током, но ток, создаваемый резистором ток должен быть больше емкостного тока сети в 2 и больше раза. Низкоомное сопротивление подключается ко вторичной обмотке однофазного трансформатора.

Применяется в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени. При этом ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение. В этом случае преимущество сети с изолированной нейтралью полностью исчезает, так как при ОЗЗ потребитель теряет питание по данной линии. Однако такой режим необходим там, где при ОЗЗ может возникнуть опасность для людей при падении провода ЛЭП на землю – люди могут попасть под шаговое напряжение или напряжение прикосновения.

Низкоомное заземление нейтрали с возможностью отключения поврежденных участков сети целесообразно применять в тех сетях, где обеспечена необходимая степень резервирования и автоматизации респределительных электрических сетей, систем электроснабжения и технологических процессов. В чисто кабельных сетях с высокой стеенью резервирования экономически и технически выгодно перейти от компенсированной системы заземления нейтрали (с применением ДГР) к нейтрали, заземленной через низкоомный резистор, сотключением поврежденного присоединения без выдержки времени.

Схема режима заземления нейтрали через низкоомное сопротивление

Высокоомноерезистивное заземление нейтралицелесообразно применять в тех случаях, когда сеть должна иметь возможность длительной работы в режиме ОЗЗ до обнаружения места ОЗЗ. При этом ток в нейтрали должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений и снижение электробезопасности, но быть достаточным для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал.

Схема режима заземления нейтрали через высокоомное сопротивление

Заземление нейтрали через резисторимеет несомненные достоинства:

• полное устранение феррорезонансных явлений;
• малая вероятность поражения персонала при однофазном замыкании;
• снижение уровня дуговых перенапряженийс высокой кратностью и с множествами повреждениями в сети; устранение перехода ОЗЗ в двух- и трехфазные замыкания;
• возможность построения простых селективных защит от ОЗЗ.

К недостаткам резистивного заземлениянейтрали следует отнести:

• увеличение тока замыкания на землю (максимум на 40%);

· необходимо отключение однофазного замыкания (условие только для низкоомного сопротивления);

· – ограничивается развитие сети (условие только для низкоомного сопротивления).

• появление на подстанции греющегося оборудования (резистора мощностью 30–400 кВт).

Эти недостатки незначительны по следующим причинам:

• В сетях с заземленной нейтралью токи короткого замыкания составляют тысячи и десятки тысяч ампер; двойные замыкания на землю в сетях 6–35 кВ приводят к токам в сотни и тысячи ампер. В таких условиях названные сети успешно эксплуатируются, и на этом фоне увеличение тока ОЗЗ с 10 до 14 А или даже с 200 до 280 А ситуации не меняет.
• Нагревающийся при ОЗЗ резистор – более существенный недостаток. Однако определяемые ПУЭ допустимые температуры для другого оборудования, достигающие в аварийных режимах 200–300?С, позволяют спроектировать резистор, нагревающийся только до нижнего из указанных пределов. Установка такого резистора на ОРУ практически снимает вопрос о пожароопасности.

Области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения попытаемся определить, основываясь на высказанных выше положениях. В зависимости от типа сети и требуемых параметров эти области отражены в таблице. В ее первом столбце – классификация сетей по конфигурации и особенностям их работы, касающихся способа заземления нейтрали.

Таблица:Рекомендуемые режимы нейтрали сетей среднего напряжения

Выводы

• Выбор того или иного режима заземления нейтрали целесообразен исключительно при необходимости длительной работы сети с однофазным замыканием на землю. Подобная потребность в длительном сохранении такого аварийного состояния сети возникает лишь в случае отсутствия резервирования. При этом эффективное применение дугогасящего реактора возможно только в симметричных сетях с мало изменяющейся конфигурацией. В остальных вариантах предпочтительнее оказывается изолированнаянейтраль и иногда – нейтраль, заземленная через резистор.
• При отключении присоединения с однофазным замыканием релейной защитой во всех случаях предпочтительным оказывается резистивное заземление нейтрали. Такое комплексное решение ликвидирует все недостатки, присущие сетям с изолированной и компенсированной нейтралью, и выводит сети среднего напряжения на более высокий уровень надежности и электробезопасности, свойственный сетям напряжением 110 кВ и выше.

14. Аппараты защиты присоединений в сетях среднего напряжения (СН)

Аппаратом защиты называется аппарат, автоматически отключающий защищаемую электрическую цепь при ненормальных режимах.

Аппараты защиты предназначены для защиты электрооборудования и электросетей от коротких замыканий и перегрузок. Чрезмерные токи короткого замыкания и перегрузки могут возникнуть в цепи, когда сопротивление ее оказывается значительно меньше номинального сопротивления приемника и сетей. Под действием токов короткого замыкания за очень непродолжительное время выделяется такое количество тепла, которое приводит к пожарам из-за воспламенения изоляции проводов и электрооборудования. Поэтому аппараты защиты и предназначены для того, чтобы обесточить электросети и оборудование до возникновения перегрева.

К аппаратам защиты относятся плавкие предохранители, автоматические выключатели.Аппараты защиты по своей отключающей способности должны соответствовать максимальному значению тока КЗ в начале защищаемого участка электрической сети.

Допускается установка аппаратов защиты, нестойких к максимальным значениям тока КЗ, а также выбранных по значению одноразовой предельной коммутационной способности, если защищающий их групповой аппарат или ближайший аппарат, расположенный по направлению к источнику питания, обеспечивает мгновенное отключение тока КЗ, для чего необходимо, чтобы ток уставки мгновенно действующего расцепителя (отсечки) указанных аппаратов был меньше тока одноразовой коммутационной способности каждого из группы нестойких аппаратов, и если такое неселективное отключение всей группы аппаратов не грозит аварией, порчей дорогостоящего оборудования и материалов или расстройством сложного технологического процесса.