Введение.

Резонансное заземление нейтрали устраняет или существенно ослабляет две из трех опасностей от электротока. Это «прогорание» потенциально самоустраняющегося пробоя изоляции до степени устойчивого замыкания, неустранимого без ремонта и поиска места однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). Это термическое действие тока в месте ОЗЗ , способное привести к пожару или разрушить междуфазную изоляцию в месте повреждения и вызвать короткое замыкание (КЗ). Третья же опасность состоит в том, что каждый дуговой пробой в месте ОЗЗ генерирует перенапряжения, воздействующие на изоляцию всей сети и способные спровоцировать многофазное замыкание на землю и другие аварийные ситуации. Резонансное заземление нейтрали как известно не менее, чем в 85% случаев приводит к самоликвидации ОЗЗ, не требующие ни поиска земли, ни восстановления изоляции. В остальных 15% и менее случаях оно значительно ослабляет последствия ОЗЗ. Это происходит за счет существенного уменьшения частоты следования пробоев, более благоприятных моментов их возникновения и исключения возможности накопления заряда на нейтрали. К тому же, в отличие от двух первых, третья опасность не зависит от величины емкостного тока и примерно в равной мере присутствует в любых сетях, включая самые короткие.
Под короткими сетями следует понимать сети 6-35 кВ с токами ОЗЗ от 0,5-1,0 А до 5-10 А. Условность и диапазон верхних значений токов определяется скорее распространенностью таких сетей различного назначения и наличием дугогасящих реакторов (ДГР) на малые токи.
Инициатором резонансного заземления (1988) в коротких сетях 6 кВ, после испытания резистора в нейтрали (1985) и статической компенсации емкостного тока (1983), выступила Рефтинская ГРЭС ОАО «Свердловэнерго». Основываясь на резонансном заземлении нейтрали сети собственных нужд (СН) она в конечном итоге предпочла режим полной компенсации токов ОЗЗ в сетях СН блоков 500 МВТ [4]. Режим полной компенсации токов включает автоматическую компенсацию емкостных и активных составляющих тока ОЗЗ как в нормальном режиме, так и в режимах ОЗЗ.

Многокритериальность и оптимизация работы сетей с малыми токами ОЗЗ.

С точки зрения интенсивной эксплуатации сетей 6-10 кВ с малыми токами ОЗЗ, таких как сети СН теп-ловых, атомных электростанций, нефтегазоперекачивающих станций (НПС, ГПС) и сельскохозяйственного назначения, существенными являются реальные потери и упущенные возможности совершенствования систем электроснабжения (СЭС). При этом накладные расходы определяются в процессе функционирования СЭС следующими основными компонентами:

• ресурсосбережением, заключающемся в долговечности изоляции электрооборудования в целом;
• надёжностью электроснабжения, выражающейся числом междуфазных КЗ с его издержками, числом отключений единичных электроустановок по причине ОЗЗ и числом групповых отключений нагрузок по той же причине;
• пожаро- и электробезопасностью рабочих мест и помещений;
• поиском повреждений и простоями электроустановок;
• объёмом (масштабом) восстановительных работ при ОЗЗ, не устранимых без ремонта;
• эксплуатационными расходами по поддержанию нормальных рабочих уровней: изоляции, защитной аппаратуры и автоматики.

Формализация указанных компонентов производственных потерь образует многокритериальный подход к проблеме качества работы системы электроснабжения в той мере, в какой это касается выбора и оптимизации её режима нейтрали.
Долговечность изоляции можно определить по-видимому двумя показателями: абсолютным числом дуговых пробоев изоляции за определенное время, которые испытывает на себе изоляция сети в процессе эксплуатации, накапливая кумулятивные эффекты и ускоряя под их влиянием ее старение; суммарной длительностью перенапряжений в течение времени эксплуатации сети. Чем меньше указанные параметры, тем медленнее стареет изоляция, тем выше ресурс электрооборудования.
Пожаробезопасность характеризуется выделяемой в месте ОЗЗ активной мощностью. Чем меньше активная мощность, тем меньше вероятность пожара вблизи места повреждения изоляции и междуфазного КЗ.
Электробезопасность определяется количеством электричества, протекающего через тело человека в течение заданного времени. Чем меньше оно, тем выше электробезопасность.
Поиск повреждённых присоединений определяется наличием аппаратуры поиска, в качестве которой выступает селективная земляная защита, срабатывающая на сигнал или на отключение. Общий объём указанных восстановительных работ находится в прямой зависимости от числа ОЗЗ, неустранимых без ремонта. Он тем ниже, чем выше число самоликвидирующихся ОЗЗ, определяемое режимом заземления нейтрали.
Эксплуатационные расходы определяются всеми видами затрат по поддержанию и профилактике нормального состояния изоляции, а также всей защитной аппаратуры и выражается общей стоимостью затрат на их осуществление. Все вышеперечисленные критерии характеризуют качество работы СЭС и они могут быть выражены в виде векторного критерия.
Руководствуясь многокритериальностью можно рассматривать основные режимы нейтрали СЭС с точки зрения их оптимизации. Для сетей СН ТЭС существует пять таких режимов:

• сети с НЗ-нейтралью, т.е. сети с незаземленной нейтралью;
• сети с RC-нейтралью, нейтраль которых заземлена через низкоомный или высокоомный резистор R;
• сети с LC-нейтралью, нейтраль которых заземлена через настроенный дугогасящий реактор (резонансное заземление);
• сети с RLC-нейтралью, нейтраль которых заземлена через настроенную индуктивность, шунтированную резистором (ухудшенное резонансное заземление);
• сети с ПК-нейтралью, нейтраль которых заземлена через настроенный дугогасящий реактор в сочетании с компенсацией остаточных, активных составляющих промчастоты на повреждённой фазе.

Разнообразие локальных критериев делает задачу оптимизации СЭС нетривиальной даже на этом конечном множестве объектов, количество которых можно увеличивать по мере оснащённости сетей селективной земляной защитой (ЗЗ) с тем или иным принципом действия, с полным или частичным её набором (степенью оснащённости) и т.д. Можно ограничиться сетями с НЗ-нейтралью без земляных защит (ЗЗ), и с земляными защитами, символически обозначая их как сети с НЗ-нейтралью без ЗЗ и сети с НЗ-нейтралью с ЗЗ. То же самое можно сделать по отношению к другим режимам нейтрали:

• сети с RC-нейтралью с ЗЗ и без ЗЗ;
• сети с LC-нейтралью с ЗЗ и без ЗЗ;
• сети с ПК-нейтралью с ЗЗ и без ЗЗ.

Таким образом, вместо пяти объектов оптимизации становится уже не менее десяти. Разнообразие объектов возрастает при использовании линейных или нелинейных ОПН. Рассматривая дуговые ОЗЗ и глухие (через переходное активное сопротивление) ОЗЗ с точки зрения локальных критериев, нетрудно убедиться, что сети с ПК-нейтралью с ЗЗ являются оптимальными по отношению к указанному критерию. Охарактеризуем кратко основные режимы нейтрали.
Так, сети с НЗ-нейтралью без ЗЗ являются наихудшими, хотя и распространёнными на практике. При этом, каждый локальный критерий максимально удалён от своего минимума. В сетях с НЗ-нейтралью с надежной ЗЗ каждое ОЗЗ, отключается земляной защитой примерно через время 200-400 мс. В пределах этих длительностей идут дуговые пробои изоляции с высоким уровнем перенапряжений при каждом таком пробое. При глухих ОЗЗ достигается лишь один частный локальный минимум по времени поиска ОЗЗ при остальных, далёких от оптимума.
Сети 6-35 кВ с высокоомной RC-нейтралью разумеется лучше сетей с НЗ-нейтралью, так как в них не накапливаются статические заряды на фазных емкостях в моменты дуговых пробоев изоляции. Это позволяет уйти от чрезмерных величин перенапряжений и от феррорезонанса измерительных трансформаторов напряжений. Кроме того, искусственно увеличивая активную составляющую тока ОЗЗ до величины емкостного тока и более, увереннее срабатывает земляная защита при глухих (металлических, недуговых) ОЗЗ. Если бы в сети с высокоомной RC-нейтралью всегда происходила самоликвидация ОЗЗ, как в сети с LC-нейтралью, то этот режим нейтрали в самом деле был бы привлекательным для эксплуатации. Однако доля самоликвидирующихся дуговых ОЗЗ при данном режиме нейтрали ограничивается той частью процессов, при которых напряжение Uпр повторного пробоя в пределах 10 мс возрастает до величины, превышающей амплитуду номинального фазного напряжения. Поэтому приходится рассчитывать лишь на некоторую часть самоликвидирующихся ОЗЗ, имея в виду, что скорость Vнэп нарастания электрической прочности дугового промежутка, согласно Л.Е. Дудареву, может принимать различные значения (0.28-1.50) кВ/мс вблизи средней скорости Vнэп=0.657 кВ/мс сети 10 кВ. Следовательно, в подавляющем большинстве случаев ОЗЗ будет происходить дуговое горение в той же мере, что и в сетях с НЗ-нейтралью. Это означает, что перенапряжения, хотя и умеренные в сети с высокоомной RC-нейтралью, будут воздействовать на каждый элемент изоляции столь же долгое время, пока не произойдет прожигание места ОЗЗ и его переход междуфазное КЗ. При этом развитие аварии может идти и по более опасному сценарию с многоместным выходом из строя электрооборудования. По-видимому сети с управляемым резистором в нейтрали несколько лучше, чем простое включение высокоомного резистора, но и в этом случае доля самоликвидации дуговых ОЗЗ определяется величиной Vнэп.
Сети 6-10 кВ с низкоомной RC-нейтралью рассчитаны на существенное снижение перенапряжений при ОЗЗ и на еще более надежное срабатывание земляной защиты. Резистор выбирается из условия надежного горения дуги при достаточно малых напряжениях на ней. Устойчивого горения в месте ОЗЗ добиваются обычно десятикратным увеличением активного тока над естественным емкостным током сети. Это означает, что при каждом «клевке» на землю загорается устойчивая низковольтная дуга и горит столь долго, пока релейная защита не отключит присоединение. Подобные разработки были бы уместны в самом деле, если бы не существовало проверенных с начала века (!) средств борьбы с ОЗЗ, которые связываются с режимом резонансного заземления нейтрали (сеть с LC-нейтралью) и компенсацией остаточных составляющих промчастоты, т.е сетями с ПК-нейтралью. В последних ведь не ограничиваются отдельные параметры, а полностью подавляются дуговые процессы без отключения потребителей и вместе с ними ликвидируется собственно и источник перенапряжений. Свойственный этим сетям эффект самозащиты преобразуется в подлинное уникальное защитное средство без отключения ОЗЗ, в то время как при низкоомной RC-нейтрали этот эффект полностью уничтожается. Вследствие этого в такой сети с RC-нейтралью, каждый однократный пробой в большинстве случаев приводит к неоправданному отключению участка с ослабленной изоляцией, которая в сети с LC-нейтралью еще долго могла служить без ремонта. В сетях с низкоомной RC-нейтралью без ЗЗ возможен только один локальный минимум по снижению перенапряжений. В той же сети с ЗЗ среди общего числа отключаемых ОЗЗ до 85% могли самоликвидироваться в сети с LC-нейтралью даже без ЗЗ, т.е. пройти бесследно для сети и её потребителей.
Сети с LC-нейтралью с самого начала ориентированы на максимально возможное подавление (самоликвидацию) дуговых ОЗЗ, на предельную минимизацию токов ОЗЗ через переходное сопротивление и на ограничение перенапряжений до (2.5-2.6) от номинального фазного напряжения сети. Этот способ борьбы с ОЗЗ не требует отключения места повреждения и основан на практически мгновенном переключении напряжения с дуги на дугогасящий реактор (ДГР). Все это обеспечивает радикальное уменьшение всех элементов векторного критерия качества работы СЭС.
В сетях же с RLC-нейтралью свойство самозащиты сети при дуговых ОЗЗ (наилучшим образом реализованное в сетях с LC-нейтралью) ухудшено до уровня сетей с высокоомной RC-нейтралью. Правда, это дает дополнительное снижение уровня перенапряжений при дуговых ОЗЗ, но при глухих ОЗЗ увеличивает уровни остаточных токов, используемых для повышения чувствительности ЗЗ как бы в сетях с LC-нейтралью. Большие же токи ухудшают те компоненты векторного критерия, которые определяют пожаро- и электробезопасность.
Каждый дуговой пробой в месте ОЗЗ генерирует перенапряжения , которые действуют на изоляцию всей сети, способны спровоцировать многофазное замыкание на землю и другие аварийные ситуации. Подчеркнем, что это не зависит от величины емкостного тока и примерно в равной мере присутствует в любых сетях, включая самые короткие.
Поэтому даже в сетях с точной резонансной настройкой нельзя считать реализованными на все 100% те преимущества, которые возникают при полном подавлении дуговых ОЗЗ в сетях с ПК-нейтралью. Эти преимущества связаны с возможностью не спешить с поиском и отключением ОЗЗ, отложив эти «болезненные» мероприятия до момента, наиболее удобного с техническо-экономической точки зрения, и уж во всяком случае не применять какую-либо земляную защиту, действующую не на сигнал, а на отключение . Чтобы реализовать данную возможность, необходимо полностью подавить дуговой процесс в месте устойчивого ОЗЗ, устранив тем самым причину перенапряжений.
Режим ПК-нейтрали реализуется в сетях СН уже созданными всережимными автокомпенсаторами типов УАРК.201 и УАРК.201М для кабельных и воздушных сетей соответственно. Причем усложнение алгоритмов управления при современной микропроцессорной элементарной базе, используемой в УАРК.201 и УАРК.201М, отражается на сложности не аппаратуры, а на сложности программного обеспечения. Устройства УАРК.201, по которым имеется опыт эксплуатации образцов (первого – с 1989 года), предназначены для коротких кабельных сетей 6 кВ с емкостным током до 5 А.
Оптимизация всех локальных критериев в сетях с ПК-нейтралью с ЗЗ обеспечивается путем устранения первопричины и источника перенапряжений при помощи полного автоматического подавления дугового процесса и фиксацией поврежденного присоединения.
Таким образом, резонансное заземление нейтрали по прежнему остается наилучшим режимом нейтрали и должно внедряться повсеместно. С точки же зрения обсуждаемой многокритериальности переход к сетям с ПК-нейтралью с ЗЗ обеспечивает оптимальное построение СЭС любой протяженности.

Практическое обоснование эффективности работы сетей СН с ПК-нейтралью.

С учетом векторного критерия качества СЭС выше сделана попытка теоретического обоснования оптимальности сетей с ПК-нейтралью путем сравнения с эффективностью других способов заземления нейтрали сетей 6-10 кВ. Практическое обоснование эффективности сетей с ПК-нейтралью строится на подобном же сравнении, выполненное силами электротехнической службы АО «Свердловэнерго» в те годы (1989-1994), когда интерес к сетям СН с ПК-нейтралью был наивысшим. Этапы апробации способов заземления нейтрали секций СН блоков 500 МВТ на Рефтинской ГРЭС:

• в 1983 году введены в эксплуатацию сети с LC-нейтралью (с двумя значениями статической индуктивности ДГР) по предложению Союзтехэнерго;
• в 1985 году введены в работу сети с низкоомной RС-нейтралью по инициативе института «Атомтеплопроект» (АТЭП, Москва);
• и наконец с 1989 года по инициативе Рефтинской ГРЭС и Свердловэнерго впервые в мировой практике введены в эксплуатацию сети с ПК-нейтралью.

Последние основаны на полном подавлении дуговых ОЗЗ и сопутствующих перенапряжений при помощи всережимных двухканальных микропроцессорных устройств автокомпенсации емкостных и активных составляющих тока промышленной частоты типа УАРК.201. Шесть всережимных автокомпенсаторов УАРК.201 (по два на каждый блок) обеспечивают в настоящее время режим ПК-нейтрали в указанных сетях.
Данные об отключениях присоединений на Рефтинской ГРЭС в сетях СН с различными способами заземления нейтрали тщательно собраны за десятилетний период, обработаны Л.С.Петрищевым и сведены в Таблицу 1.
Из сравнительного анализа отключений на секциях СН 6 кВ за указанный период следуют важные выводы:

1. Снижено число отключений электродвигателей СН 6 кВ в сетях с ПК-нейтралью по отношению:

• к сетям с НЗ-нейтралью – в 1,84 раза;
• к сетям с LC-нейтралью (статическая компенсация) – в 1,51 раза;
• к сетям с низкоомной RC-нейтралью – в 2,4 раза.

• к сетям с НЗ-нейтралью – в 6,35 раза;
• - к сетям с LC-нейтралью – в 4,04 раза; (статическая компенсация)
• к сетям с низкоомной RC-нейтралью – в 4,25 раза.

Уже первый опыт применения ПК-нейтрали в сетях с малыми емкостными токами однозначно свидетельствует о весьма высокой ее эффективности. Так возникает новое направление в технике защиты сетей СН блочных электростанций от перенапряжений и аварийных ситуаций и им подобных объектов.

Сравнительный анализ эффективности сетей с LC- и RC-нейтралями в задаче подавления дуговых ОЗЗ.

В последнее время (см.напр.[1]) усиленно пропагандируется резисторное заземление нейтрали в сетях 3-35 кВ различного назначения, зачастую забывая о том, что и резистор, и ДГР в нейтрали впервые обоснованы и предложены одним и тем же автором – ученым В. Петерсеном. Кроме того, что немаловажно, им же отдано предпочтение сетям с LC-нейтралью по совокупности преимуществ. В этом можно убедиться и по тому вниманию, которое оказывается сетям с LC-нейтралью в классической монографии Р. Вильгейма и М. Уотерса [2]. И наконец к этой же точке зрения бескомпромиссно приходят все, кто достаточное время работал в области создания средств резонансного заземления (см.напр.[3]).
На с.166 монографии [2] перечислены двенадцать основных свойств, которыми обладают сети с LC-нейтралью (см. там же Гл.7 “Обзор свойств систем с резонансным заземлением нейтрали”). К сравнительному анализу имеет отношение ряд пунктов. Сконцентрируем внимание на п.4, связанном с подавлением дуговых ОЗЗ, который дословно гласит: “замедленный подъем напряжения до нормального облегчает восстановление прочности изоляции диэлектрика”. Речь идет таким образом о длительности бестоковой паузы Тбп, которая неизбежно возникает после каждого пробоя изоляции. Общеизвестное медленное восстановление напряжения поврежденной фазы в сети с LC-нейтралью, в отличие от сети с RC-нейтрали, увеличивает величину Тбп. Этим фактически определяется число переходящих в самоликвидацию ОЗЗ, а также ресурсосбережение.
На рис.1 приведены данные о реакциях нейтрали на однократный дуговой пробой и о защитном воздействии на сеть после пробоя изоляции при различных типах заземления нейтрали. Неизбежно приходится оценивать полезность соответствующего режима заземления нейтрали по эффекту самозащиты сети, т.е. по длительности Тбп, по уровню нарастания напряжения на дуговом промежутке и по величине Vнэп скорости нарастания электрической прочности изоляции в ослабленной точке. Полагая, что чем больше величина Тбп, тем надежнее деионизация места пробоя, тем выше значение напряжения пробоя Uпр = Uпр (Тбп), тем менее вероятен повторный и последующие пробои и тем более вероятна самоликвидация ОЗЗ, не требующая ни поиска «земли», ни восстановления изоляции сети. По этим показателям качества защиты сети с LC-нейтралью не имеют себе равных, т.е. являются наилучшими по сравнению с другими способами заземления нейтрали. Именно поэтому В. Петерсен отдал предпочтение не резистору, а ДГР в нейтрали.
Воспользуемся уже приведенными выше фактическими данными о возможных скоростях Vнэп нарастания электрической прочности в сети 10 кВ. Рассчитывая на худший случай Vнэп = Vmin_нэп = 0,28 кВ/мс, сопоставим сеть с LC-нейтралью и сеть с высокоомной RC-нейтралью по условию возникновения повторного пробоя. После первого пробоя изоляции (см. рис.1) напряжение поврежденной фазы UЗ (t) во всех случаях заземления нейтрали при t = t0 сбрасывается до нуля по основной частоте (до минимальных значений в общем случае) и далее ведет себя в соответствии с формулой

UЗ(t) = EЗ (t) – e (t),

где EЗ(t) – ЭДС поврежденной фазы, e (t) – напряжение смещения нейтрали.
Согласно рис. 1 напряжение на дуговом промежутке достигает максимума по модулю в точке t = t0 + Т, Т = 10 мс за исключением сети с низкоомным резистором в нейтрали.
Если напряжение Uпр = Uпр (Тбп) оказалось выше максимального по модулю напряжения поврежденной фазы UЗ(t) при t – t0 = Т = 10 мс, то повторного пробоя не будет и, следовательно, произойдет самоликвидация ОЗЗ. В сети 10 кВ с высокоомной RC-нейтралью (см. рис. 1) самоликвидация реализуется при Uпр ≥ 1,2 Еm, что возможно при Vнэп = 0,72 кВ/мс. Аналогичная самоликвидация ОЗЗ в сети с НЗ-нейтралью реализуется при Uпр > 2Еm , что возможно при Vнэп = 1,2 кВ/мс. Очевидно, рассматриваемые сети с RC-нейтралью лучше сетей с НЗ-нейтралью, но хуже сетей с LC-нейтралью, так как даже при наихудшей величине Vнэп = V min_нэп = 0,28 кВ/мс в сети с LC-нейтралью повторного пробоя не произойдет (см. рис. 1), в то время как в сети с высокоомной RC-нейтралью возникают повторный и последующие пробои изоляции.
Во всех случаях 0,28 кВ/мс ≤ Vнэп < 0,75 кВ/мс в сети с высокоомным резистором возникает перемежающаяся дуга, хотя и с умеренными перенапряжениями.
Случай LCR-нейтрали не типичен и он близок к сети с высокоомной нейтралью. В сетях с низкоомной RC-нейтралью по изложенным соображениям гашение дуги только намечается в точке t = t0 и в силу быстрого нарастания при t > t0 напряжения на дуге повторные пробои следуют один за другим: примерно по 30-40 и более пробоев на периоде основной частоты, осуществляется таким образом устойчивое горение в месте ОЗЗ.
Кроме того, использование высокоомной RC-нейтрали при фиксированном значении R = (1-2)/ωСmaх (ω = 100π с-1) и переменной суммарной емкости С сети относительно земли ос-ложняется ввиду того, что реакция на пробой имеет экспоненциальное (см. рис. 1) снижение с постоянной времени Ts = RC. В сети с RC-нейтралью при R = 1,57(ωСmax)-1, Сmaх = 5 мкФ и ем-кости C ∈ [0,5; 5,0] мкФ, меняющейся как в сети СН ТЭС, постоянная Ts также меняется от 0,5 мс до 5,0 мс. Реакция на пробой при Ts = 0,5 мс становится соизмеримой с таковой в сети с низкоомноым резистором (см. рис. 1) и вместо гашения дуги в сети с высокоомным резистором получаем ее устойчивое горение.
Таким образом, чтобы сохранить в сети с высокоомной RC-нейтралью эффект перевода дуговых ОЗЗ в самоликвидирующиеся при скоростях нарастания электрической прочности Vнэп ∈ [0,72; 1,50] кВ/мс необходимо стабилизировать постоянную времени Ts за счет соответствующего регулирования резистора в нейтрали сети. Можно конечно стабилизировать Ts за счет регулирования искусственной емкости или за счет комбинации R, C и регулируемой индуктивности, т.е. ДГР.
На основании сказанного нет альтернативы сетям с LC-нейтралью: регулировать величину резистора с целью стабилизации TS сложнее, чем регулировать индуктивность ДГР, да и преимущества сетей с RC-нейтралью ограничены. Поэтому областью применения высокоомной RC-нейтрали являются сети со стабильной емкостью С, где допустимы дуговые процессы со скоростью Vнэп ∈ [0,28; 0,72] в сетях 10 кВ.
Двенадцатилетний опыт [4] эксплуатации сетей СН блоков с 500 МВт Рефтинской ГРЭС также подтверждает эффективность ПК-нейтрали и резонансно-заземленной нейтрали в коротких сетях.

Практическое обоснование эффективности работы сетей НПС с ПК-нейтралью.

Накопленный опыт разработок и эксплуатации устройств полного подавления дуговых ОЗЗ в се-тях 6 кВ был востребован в 1996 году ОАО «Сибнефтепровод» применительно к сетям 10 кВ нефтеперекачиващих станций (НПС).
Особенностью этих сетей является присоединение к кабельной сети линии электропередачи (ЛЭП), протяженность которой может достигать 200 км и более. Назначение ЛЭП – питание катодной защиты трубопровода, средств телемеханики и связи, а также привода запорной арматуры. Емкостный ток ЛЭП превышает ток отходящих кабельных линий питающих мощные синхронные и асинхронные двигатели. На НПС «Холмогоры», например, емкостный ток I скл кабелей первой секции шин приближается к 0,78 А, емкостный же ток I свл ЛЭП составляет не менее 4,05 А. На второй секции шин примерно то же самое: Iскл = 1,06 А и Iсвл = 4,2 А. Общий емкостный ток Ic1 первой секции шин и IcI2 второй секции колеблется в пределах Ic1 ∈ [0,08; 4,83] А, Ic2 ∈ [0,08; 5,26] А. Аналогичная картина наблюдается на НПС «Апрельская» и по-видимому на всех остальных НПС.
Отделение ЛЭП от коротких кабельных линий с мощной двигательной нагрузкой представляется достаточно дорогим средством упрощения ситуации. Поэтому было принято решение адаптировать уже созданные и отработанные для кабельных сетей 6 кВ аппараты типа УАРК.201 к сетям 10 кВ НПС. Естественный ток несимметрии θест (t) в таких сетях достигает весьма больших величин и как хорошо известно в сетях с резонансным заземлением нейтрали может привести к сверхнормативным возрастаниям напряжения смещения нейтрали (в нормальном режиме работы сети). Поэтому необходимо автоматически симметрировать сеть выравниванием фазных емкостей сети относительно земли. Такая возможность (и даже с низкой стороны) имеется при использовании УДТМ-30/10 в качестве управляемого ДГР. Однако это требовало времени на дополнительную разработку алгоритмов управления величиной фазных емкостей. Поэтому было принято менее эффективное, но быстрое по времени техническое решение: не поддерживать резонансную настройку в нормальном режиме работы сети, а свести дело к периодическому автоматическому измерению текущих значений: суммарной емкости С, суммарной активной проводимости g = ωCd (d = tgδ тангенс угла потерь изоляции), амплитуды θестm и фазы ϑест тока естественной несимметрии сети. Располагая информацией о четырех параметрах сети, уже нетрудно в момент возникновения ОЗЗ организовать быструю резонансную настройку контура нулевой последовательности сети (КНПС) и выставить требуемую степень компенсации активной составляющей тока ОЗЗ, что и было реализовано впервые в сетях НПС. Правда это потребовало дополнительно сопроцессора к имеющему микропроцессорному устройству и техники отработки измерений на практике в сетях НПС. Пока нет замечаний к УАРК.201М на НПС «Холмогоры», где работают по одному на каждую секцию шин два устройства полного подавления дуговых ОЗЗ . Работа автокомпенсатора емкостных (КЕС) и активных (КАС) составляющих токов ОЗЗ на НПС «Холмогоры» за три месяца представлена на Таблице 2. Готовится к монтажу и наладке в этом году два комплекта УАРК.201М на НПС «Пурпэ».
Замечательным свойством сетей с резонансным заземлением нейтрали является подавление дугового ОЗЗ не только на элементах изоляции отходящих линий, но и на элементах изоляции (дорогостоящих) статорных обмоток электродвигателей при замыканиях на корпус. Возможно именно это обстоятельство будет определяющим при разработке противоаварийных мероприятий на НПС и ГПС в будущем.
Ориентация на полное подавление дуговых ОЗЗ не требует установки ОПН для ограничения возникающих перенапряжений и привлекательна тем, что коммутационные перенапряжения от вакуумных выключателей можно погасить весьма надежными RC-цепями, отработанными в [5,6], и теми же автокомпенсаторами УАРК.201М. Установка достаточной емкости RC-цепи [5,6] за камерой вакуумного выключателя фактически преобразует дуговой процесс в вакуумной камере в эквивалентное дуговое ОЗЗ.
Завершение всей этой программы совершенствования и создания новых технических средств полной самоликвидации электро- и пожароопасных ситуаций в сетях 10 кВ НПС способно радикально повысить эффективность защитных мероприятий не только нового, но и устаревающего электрооборудования и перевести эффективность и культуру эксплуатации сетей на новый высокий уровень.

Выводы.

С позиций длительного опыта разработок, внедрений и эксплуатации средств резонансного заземления в сетях различного назначения можно утверждать следующее.
1. Правильно организованное резонансное заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ является уникальным высокоэффективным средством борьбы с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ), так как гашение дугового процесса и перевод большей части ОЗЗ в самоликвидирующиеся происходит не только на элементах изоляции сети, но и на элементах изоляции гальванически связанной с сетью нагрузки (статоров двигателей, трансформаторов и т.п.). В этой связи создаются условия повышения ресурса (долговечности) изоляции как сети, так и нагрузки.
2. Создано хорошо апробированное (с 1985 года) в кабельных сетях 6, 10 кВ России и Украины устройство автоматического регулирования токов компенсации типа УАРК.101М, близкое по своему поведению (статике, динамике, точности, простоте и надежности реализации) к оптимальному. Устройство УАРК.1 (УАРК.1А, УАРК.101, УАРК.101М, УАРК.101С) по алгоритму функционирования замкнутой автоматической системы компенсации емкостных токов является оптимальным и может быть объектом унификации в отрасли.
3. Разработаны и испытаны в Свердловских городских сетях АО «Свердловэнерго» средства полного самоконтроля работоспособности замкнутых автоматических систем компенсации емкостных токов, представляющие интерес для эксплуатационного персонала с точки зрения сервисного обслуживания сетей с резонансным заземлением нейтрали.
4. С точки зрения многокритериальности показателя качества работы сети, переход к сетям 3-35 кВ с компенсацией емкостных и активных составляющих с фиксацией поврежденного присоединения земляной защитой обеспечивает оптимальное построение системы электроснабжения любой протяженности.
5. Технические средства полного автоматического подавления дуговых ОЗЗ в виде устройств УАРК.201, УАРК.201М, УАРК.202 компенсации емкостных и активных составляющих промышленной частоты в настоящее время имеются и могут поставляться на рынок по мере спроса.
Исходя из опыта многолетней эксплуатации коротких сетей с полностью компенсированной нейтралью (типа сетей 6 кВ собственных нужд ТЭС и сетей 10 кВ нефтеперекачивающих станций), УралВНИПИэнергопромом совместно с внедренческим предприятием «Наука, техника, бизнес в энергетике» (ООО ВП «НТБЭ») предложен проект новой редакции п. 1.2.16 ПУЭ с необходимыми дополнениями и изменениями, отражающими достигнутый научно-технический уровень в этой области.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

……………………………

1.2.16. Работа электрических сетей 3-35 кВ должна предусматриваться с изолированной, заземленной через дугогасящие реакторы или заземленной через резистор нейтралью.
Компенсация емкостного тока замыкания на землю, осуществляемая с точностью не более 5 % на основе резонансного заземления нейтрали, должна применяться при следующих значениях этого тока в нормальных режимах:

• в сетях 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на ВЛ, и во всех сетях 35 кВ – более 10 А;
• в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на ВЛ: при напряжении 3-6 кВ – более 30 А; при 10 кВ – более 20 А; при 15-20 кВ – более 15 А;
• в схемах 6-20 кВ блоков генератор – трансформатор (на генераторном напряжении) – более 5 А.

ЛИТЕРАТУРА

1. Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-35 кВ / Докл. науч.-техн. конф. – Новосибирск: ГЦРО. 2000. - 200 с.
2. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольных системах. М.: Госэнергоиздат, 1959. – 415 с.
3. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия, 1971. – 152 с.
4. Опыт эксплуатации сетей собственных нужд блоков 500 МВт Рефтинской ГРЭС / А.М. Иванов, А.М. Мингалев, Ю.А. Скорябкин, О.Г. Шишкина // Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-35 кВ: Докл. науч.-техн. конф. – Новосибирск: ГЦРО, 2000. – с. 91-100.
5. Вакуумные выключатели в схемах управления электродвигателями / В.А. Воздвиженский, А.Ф. Гончаров, В.Б. Козлов и др. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Гончаров А.Ф., Павлов В.В., Язев В.Н. и др. Выбор оптимальных параметров активно-емкостных ограничителей перенапряжений // Промышленная энергетика. – 1995. – № 2.