БЕЛОРУССКИЕ СЕТИ 6–35 КВ ПЕРЕХОДЯТ НА РЕЖИМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР
Виктор Глушко, к.т.н., Олег Ямный, Эдуард Ковалев, Николай Бохан, «Новости электротехники», 2006, №3(39)
http://www.news.elteh.ru/arh/2006/39/05.php
Во многих странах мира, в том числе в Беларуси и России, широко распространена система изолированной нейтрали и система компенсированной через дугогасящий реактор (ДГР) нейтрали сетей 6–35 кВ.
Основным достоинством таких систем заземления нейтрали является то, что даже в режиме однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) представляется возможным определенное время осуществлять электроснабжение потребителей без отключения поврежденного участка сети. Однако отмеченное преимущество всегда сопровождается негативными явлениями:
- при металлическом ОЗЗ напряжение на неповрежденных фазах повышается до линейного, что представляет повышенную опасность для изоляции кабельных сетей с длительным сроком эксплуатации;
- возможно возникновение значительных дуговых перенапряжений, которые могут вызвать переход ОЗЗ в двухфазные и трехфазные замыкания, многоместные повреждения изоляции;
- режим ОЗЗ может приводить к развитию феррорезонансных явлений и повреждению трансформаторов напряжения – в случае резонансной настройки ДГР, ОЗЗ сопровождается малыми токами замыкания на землю, что исключает возможность создания простой, надежной и селективной защиты, способной выявить поврежденные присоединения;
- повышается опасность поражения людей и животных из-за длительного существования ненормального режима работы электрической сети.
По этим причинам в Беларуси признано целесообразным модернизировать режим заземления нейтрали сетей 6–35 кВ, перейдя на её заземление через резистор (резистивная система) или через резистор и ДГР (комбинированная система).
Варианты заземления через резистор
При ОЗЗ в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. Это принципиальное отличие позволяет решить две важные задачи:
- селективно определить поврежденное присоединение (за счет применения простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения;
- существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при ОЗЗ и исключить феррорезонансные процессы (при этом появляется возможность защиты оборудования ПС с помощью ОПН с более низким остающимся напряжением при коммутационном импульсе).
Применяются три варианта заземления нейтрали сетей 6–35 кВ через резистор: низкоомное, высокоомное и комбинированное.
Низкоомное резистивное заземление нейтрали 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.
Высокоомное резистивное заземление нейтрали целесообразно применять в 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.
Комбинированное заземление нейтрали осуществляется путем присоединения высокоомного резистора параллельно ДГР и позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке ДГР, а также способствует работе на сигнал релейных защит.
Подходы к выбору резистора
Выбор типа резистора для заземления нейтрали производится по трем основным критериям:
- Резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений;
- Сопротивление резистора в нейтрали должно гарантировать протекание активного тока в поврежденном присоединении, достаточного для действия релейных защит на сигнал или на отключение поврежденного присоединения;
- При заземлении нейтрали через резистор должны соблюдаться условия электробезопасности для людей при ОЗЗ на ПС и РП с учетом существующего нормирования величины допустимого напряжения прикосновения.
Основной параметр резистора – его активное сопротивление Rр, величина которого выбирается по критерию снижения уровня перенапряжений и затем может корректироваться по условиям работы релейной защиты и условию электробезопасности.
1-й критерий выбора резистора.
Снижение уровня перенапряжений
Аналитически и экспериментально установлено, что наибольшая эффективность защиты сетей от дуговых перенапряжений достигается при условии, что активная составляющая тока замыкания Iза, создаваемая резистором, больше суммарного емкостного тока сети Iс.
При определенных трудностях выполнения условия Iза
Ic допускается при выборе сопротивления резистора использовать менее жесткое условие Iза
0,5 • Ic.
2-й критерий выбора резистора.
Гарантия работы РЗА
Защита от ОЗЗ в сети организуется на всех присоединениях. Устанавливается максимальная токовая защита нулевой последовательности с действием на отключение присоединений без выдержки времени при низкоомном резистивном заземлении нейтрали и с действием на сигнал при высокоомном резистивном заземлении нейтрали и при комбинированном заземлении нейтрали.
Селективность защит нулевой последовательности присоединений определяется тем, что активная составляющая тока ОЗЗ протекает только через поврежденное присоединение.
Тип резистора по критерию работы РЗА выбирается в соответствии с условием:
Iз > Iс.з.,
где Iз – ток замыкания на землю за вычетом емкостного тока рассматриваемого присоединения, А;
Iс.з. – максимальный ток уставки защиты из всех присоединений, А.
Ток уставки защиты Iс.з. определяется по выражению:
Iс.з. = Кн * Кs * Iсп
где Iсп – первичный емкостный ток нулевой последовательности, протекающий по рассматриваемому присоединению при ОЗЗ на данном присоединении, А;
Кн – коэффициент надежности, равный 1,2;
Кб – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока при дуговых перенапряжениях, который принимается равным: для реле РТЗ-51 – 2–2,5; для реле РТЗ-50 – 3–4; для реле РТЗ-40 – 4–5;
для цифровых терминалов – 1,2.
Кроме отключения повредившегося присоединения, релейная защита, в случае необходимости, должна действовать на отключение ввода от трансформатора на секцию шин. Релейная защита может выполняться направленной в трехфазном исполнении.
Общие принципы организации работы РЗА при заземлении нейтрали сетей 6–35 кВ через резистор:
- низкоомное резистивное заземление нейтрали производится в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено за минимально возможное время;
- высокоомное резистивное заземление нейтрали и комбинированное заземление нейтрали выполняются, когда сеть должна иметь возможность длительной работы при ОЗЗ. Величина сопротивления резистора определяется в основном необходимостью снижения уровня перенапряжений и обеспечения величины тока ОЗЗ, достаточного для определения поврежденного присоединения при помощи простых токовых защит, работающих на сигнал;
- при отказе защит по отключению поврежденного присоединения должно быть выполнено резервное действие защит от ОЗЗ по отключению секции, к которой присоединено поврежденное присоединение, чтобы исключить перевод сети в режим изолированной нейтрали и защитить резистор от повреждения;
- применение АПВ на кабельных линиях после отключения ОЗЗ нежелательно из-за возможного перехода ОЗЗ в междуфазное КЗ. Применение АПВ на воздушных линиях допустимо, а в особых случаях обязательно;
- в сетях с высокоомным заземлением нейтрали предпочтительно применение цифровых защит, объединенных в локальную сеть, для быстрого определения поврежденного присоединения;
- для исключения неселективной работы защит от ОЗЗ схемы АВР должны отключать один из резисторов, если при низкоомном резистивном заземлении нейтрали возможно питание энергообъекта от резервных источников, имеющих такое же заземление нейтрали.
3-й критерий выбора резистора.
Обеспечение электробезопасности
На ПС 110 кВ и выше, включающих сети 6–35 кВ с заземленной через резистор нейтралью, условия электробезопасности выполняются всегда, т. к. ток, стекающий в землю с нейтрали при ОЗЗ, в сети 6–35 кВ всегда значительно меньше тока ОКЗ в сети 110 кВ и выше.
На ПС 6–35 кВ, включающих сети с заземленной через резистор нейтралью, электробезопасность может быть обеспечена на основе действующих рекомендаций ПУЭ-85 по норме на допустимое сопротивление заземляющего устройства (ЗУ) ПС. Если выполнить ЗУ по данной норме невозможно, защитные мероприятия при низкоомном заземлении нейтрали можно осуществить на основе системы нормирования условий электробезопасности по допустимому напряжению прикосновения. В этом случае электробезопасность обеспечивается за счет быстрого отключения поврежденной линии, что позволяет в соответствии с ГОСТ 12.1.038 (табл. 1) принимать для человека повышенные значения напряжения прикосновения по сравнению с длительным его воздействием.
Таблица 1.
Предельно допустимые значения напряжения прикосновения в электроустановках с изолированной нейтралью напряжением выше 1 кВ переменного тока частотой 50 Гц (ГОСТ 12.1.038).
| Допустимое напряжение прикосновения Uпр.доп., В |
550 |
340 |
160 |
135 |
120 |
105 |
95 |
85 |
75 |
70 |
60 |
20 |
| Время воздействия, с |
0,01-0,08 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
св. 1,0 |
В Республике Беларусь и в других странах СНГ до настоящего времени в электрических сетях 6–35 кВ применяется система обеспечения условий электробезопасности на основе нормирования величины сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) RЗУ, которая в соответствии с ПУЭ принимается равной:
RЗУ = UЗУ / Iр 
10 Ом,
где Iр – расчетный ток замыкания на землю, А;
UЗУ – потенциал ЗУ, который равен: UЗУ = 125 В при общем ЗУ электроустановок 6–35 кВ и 0,38 кВ; UЗУ = 250 В при ЗУ только электроустановок 6–35 кВ.
Обе указанные системы нормирования параметров электробезопасности сетей среднего и низкого напряжения по физической сущности должны быть тождественны. Обосновать эту тождественность можно, введя понятие допустимого коэффициента напряжения прикосновения aпр.доп, который характеризует наихудшую степень выравнивания электрических потенциалов в месте расположения человека при прикосновении его к заземленным частям электроустановок.
Напряжение прикосновения (Uпр, В) на территории электроустановки равно:
Uпр = UЗУaпр, aпр 1,
где aпр – коэффициент напряжения прикосновения, характеризующий степень выравнивания электрических потенциалов с учетом переходного сопротивления между ногами человека и землей.
Для допустимого напряжения прикосновения и допустимого коэффициента напряжения прикосновения получим следующие выражения:
Uпр.доп UЗУ•aпр.доп,
aпр.доп Uпр.доп / UЗУ 1.
Из этих выражений следует, что при заданном значении потенциала UЗУ (125 В, 250 В) и заданном значении Uпр.доп коэффициент aпр.доп однозначно связывает указанные выше две системы обеспечения условий электробезопасности в сетях среднего и низкого напряжения и может рассматриваться как базовый параметр для оценки той или иной системы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ в отношении электробезопасности.
На рис. 1 определены две зоны, характеризующие условия электробезопасности в электроустановках 0,38–35 кВ: зона заземления нейтрали через низкоомный резистор и зона изолированной нейтрали и нейтрали, заземленной через высокоомный резистор. Видно, что величина коэффициента aпр.доп в первой зоне значительно больше, чем во второй зоне. Коэффициент напряжения прикосновения характеризует степень выравнивания потенциалов, и его величина непосредственно связана с конструкцией ЗУ: чем меньше его величина, тем более сложная должна быть конструкция ЗУ и, соответственно, наоборот.
Отсюда следует, что при стандартных конструкциях ЗУ заземление нейтрали сетей 6–35 кВ и 0,38 кВ через низкоомный резистор имеет неоспоримое преимущество перед изолированной нейтралью и нейтралью, заземленной через высокоомный резистор.
Учитывая это, в Белорусской энергосистеме переход на резистивную систему заземления сетей 6–35 кВ начат именно с низкоомного заземления нейтрали.
Рис.1. Зависимость aпр.доп от времени воздействия напряжения на человека tв для реального диапазона времени устранения повреждения
1 – для случая общего ЗУ электроустановок 6–35 и 0,38 кВ.
2 – для случая ЗУ только электроустановок 6–35 кВ.
Резистивное заземление нейтрали сетей 6(10) кВ: схемные варианты
Низкоомное заземление нейтрали с возможностью отключения поврежденных участков сети целесообразно применять в тех сетях, где обеспечена необходимая степень резервирования и автоматизации распределительных электрических сетей, систем электроснабжения и технологических процессов.
В чисто кабельных сетях с высокой степенью резервирования экономически и технически выгодно перейти от компенсированной системы заземления нейтрали к нейтрали, заземленной через низкоомный резистор, с отключением поврежденного присоединения без выдержки времени.
На ПС, питающих преимущественно воздушную сеть и не имеющих высокой степени резервирования, необходимо устанавливать высокоомные резисторы, уменьшающие уровни перенапряжений и время их воздействия. Резисторы можно устанавливать параллельно ДГР. Особо благоприятна установка высокоомного резистора при высоком уровне напряжения смещения нейтрали, когда оно выше допустимого значения 15% Uф.
РЕЗИСТИВНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НЕЙТРАЛИ СЕТЕЙ 6–35 КВ: ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
При технико-экономическом обосновании целесообразности резистивного заземления нейтрали сетей 6–35 кВ необходимо оценить четыре основных фактора.
Фактор первый.
Изменение параметров однофазного замыкания
По сравнению с изолированной нейтралью при резистивном заземлении нейтрали в сетях 6–35 кВ:
- увеличивается ток ОЗЗ;
- снижается минимум в 1,5–2,0 раза уровень дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях;
- уменьшается с нескольких часов до нескольких секунд продолжительность воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений (при перемежающихся однофазных замыканиях) и линейного напряжения (при устойчивых замыканиях).
Фактор второй.
Повышение срока службы изоляции
При заземлении нейтрали сетей 6–35 кВ через низкоомный резистор в случаях ОЗЗ поврежденное присоединение отключается, что ограничивает продолжительность воздействия перенапряжений на изоляцию. В связи с этим снижается вероятность пробоя изоляции на неповрежденных присоединениях и соответственно общее число ОЗЗ.
На основании ряда публикаций можно сделать вывод, что расход внутреннего ресурса изоляции при воздействии импульсов перенапряжений в сети 6–35 кВ при резистивном заземлении нейтрали не менее чем в 2 раза ниже, чем в сети с изолированной нейтралью. При этом исключена возможность феррорезонансных явлений, что повышает надежность работы измерительных трансформаторов напряжения и снижает не только простой сети из-за их повреждений, но и вероятность несрабатывания релейных защит при повреждениях элементов сети.
Фактор третий.
Дополнительные затраты на заземление нейтрали сетей 6–35 кВ через резистор
Состав капитальных затрат на включение резистора в нейтрали сетей 6–35 кВ:
- проектирование перехода сети на режим заземленной через резистор нейтрали;
- приобретение резистора, специального трансформатора для его включения, трансформаторов тока для нейтрали и всех отходящих линий, реле защиты, блоков питания схем защиты и автоматики;
- монтаж ячейки с трансформатором для подключения резистора;
- монтаж третьего трансформатора тока (если отсутствует трансформатор тока нулевой последовательности) на каждой из отходящих линий напряжением 6–10 кВ;
- монтаж и наладка РЗА.
Фактор четвертый. Электробезопасность.
Быстрое отключение линий при однофазных замыканиях на землю снижает степень опасности поражения электрическим током людей и животных, оказавшихся вблизи места ОЗЗ.
Выводы
Сейчас широко применяется система изолированной нейтрали сетей 6–35 кВ (без компенсации и с компенсацией емкостных токов), которая по своей физической сущности обладает рядом принципиальных недостатков, связанных с режимом ОЗЗ. Основные из них – это различного рода перенапряжения и повышенная опасность поражения людей и животных электрическим током.
В связи с этим необходимо в ближайшее время провести модернизацию системы заземления нейтрали сетей 6–35 кВ на основе последних достижений науки и техники в данной области. Принципиальная возможность такой модернизации – это переход на резистивную систему заземления нейтрали. Резистивная система заземления нейтрали сетей 6–35 кВ обеспечивает снижение уровня дуговых перенапряжений, селективное обнаружение поврежденного присоединения, его быстрое отключение и улучшение условий электробезопасности.
В Белорусской энергосистеме резистивное заземление нейтрали широко внедряется в городских кабельных сетях 6–10 кВ начиная с 1999 г. К настоящему времени запроектировано более 30 ПС с таким типом заземления нейтрали.
Резисторы уже смонтированы и находятся в эксплуатации более чем на 10 подстанциях, в числе которых ПС 110/10 кВ Сухарево, ПС 110/10 кВ Кока-Кола, ПС 330/110/10 кВ Колядичи, ПС 110/10 кВ Пинск Восточная, ПС 110/35/10 кВ Солигорск. Эксплуатирующие организации отмечают их нормальное функционирование.
Есть также опыт внедрения низкоомного резистивного заземления нейтрали сети собственных нужд напряжением 6 кВ нескольких котельных и ТЭЦ. За время эксплуатации повреждения оборудования не зафиксированы.
Литература
При подготовке методических указаний и статьи была использована следующая литература:
1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Сирота И. М., Кисленко С. П., Михайлов А. М. Режимы нейтрали электрических сетей. – Киев: Навук. думка, 1985.
3. Лихачев Ф. Л. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия. 1971.
4. Двадцать пять лет изучения энергосистем Франции / Обзор работ национального энергетического управления. – Л.: Энергия,1997.
5. Евдокунин Г. А., Титенков С. С. Анализ внутренних перенапряжений в сетях 6–10 кВ и обоснование необходимости перевода сетей в режим с резистивным заземлением нейтрали / Режимы заземления нейтралей сетей 6–10 кВ. Доклады научно-технической конференции. – Новосибирск, 2000.
6. Шабад М. А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю в сетях 6–35 кВ России // Энергетик. –1999. – № 3.
7. Правила устройства электроустановок. – 6-е изд., перераб. и доп. – 2001.
8. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений и токов
Источник: news.elteh.ru