Режимы заземления нейтралей в высоковольтных электрических сетях

Важнейшей задачей функционирования электрических сетей и систем является обеспечение ими высокой надежности электроснабжения потребителей электрической энергией. Одним из факторов, определяющих возможность решения этой задачи с наименьшими затратами, является правильный выбор режима заземления нейтралей этих сетей – нейтралей, установленных в них силовых трансформаторов, автотрансформаторов и генераторов, так как от этого главным образом зависит поведение сетей при наиболее часто происходящих в них авариях – замыканиях фаз на землю.

Причины возникновения замыканий фаз на землю в воздушных и кабельных сетях, генераторах, трансформаторах и др. весьма разнообразны. Они возникают вследствие электрических и механических повреждений изоляции электрооборудования; в результате развития дефектов в изоляторах и изоляционных конструкциях; при загрязнениях и увлажнениях изоляции; в результате обрывов проводов и тросов; разрывов токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещениях почвы; в результате частичных повреждений изоляции при монтаже и строительстве; при развитии частичных разрядов, резко изменяющих напряженность электрического поля на границах между элементами изолирующих конструкций; а также в результате воздействия грозовых и внутренних перенапряжений. В связи с этим способы и средства повышения надежности работы высоковольтных электрических сетей в первую очередь должны быть направлены на поддержание определенных эксплуатационных уровней электрической прочности изоляции и на предотвращение условий для развития аварий, которые, например, могут способствовать переходу однофазных замыканий на землю и коротких замыканий в междуфазные короткие замыкания.

Замыкание одной из фаз на землю является преобладающим видом повреждений в сетях всех классов напряжений. В распределительных сетях 6-35 кВ эти повреждения составляют не менее 75 % общего числа повреждений. В сетях 110 и 220 кВ однофазные замыкания на землю составляют соответственно 80 и 90 %. В сетях высших классов напряжений (330-1150 кВ) повреждения междуфазной изоляции вообще исключительно редки.

Опасность замыкания одной из фаз сети на землю зависит, прежде всего, от степени воздействия на токоведущие, изоляционные и магнитопроводящие конструкции электрооборудования тепловыделения и ионизации, сопровождающих горение в месте замыкания электрической дуги, а также от возможных в этом режиме повышений напряжений в сети и величин возбуждаемых перенапряжений.

Заземляющие дуги могут быть разделены на две категории: дуги, свободно горячие в открытой атмосфере, – растягивающиеся дуги; и дуги, горящие в какой-либо изолирующей или полупроводящей закрытой среде, – не растягивающиеся дуги.

К первой категории относятся дуги, возникающие в результате перекрытий нормальной, а также ослабленной изоляции электрооборудования или изоляционных расстояний при грозовых поражениях высоковольтных линий электропередачи, в результате воздействия на электрооборудование коммутационных, резонансных или феррорезонансных перенапряжений, при набросах или механических повреждениях. Появление растягивающихся заземляющих дуг возможно также при обрывах токоведущих элементов электроустановок, когда дуги токов нагрузки обуславливают значительную ионизацию окружающего пространства.

Ко второй категории относятся главным образом дуги, возникающие при повреждениях непосредственно в кабельной изоляции, в концевых или соединительных кабельных муфтах, в изоляции машин и трансформаторов, в дугогасительных камерах выключателей, отключающих замыкания на землю, а также в щелевых дефектах вводов и изоляторов.

В зависимости от режима нейтрали в высоковольтных сетях применяются два способа гашения заземляющих дуг. Один из них рассчитан на ограничение протекающего через место замыкания тока замыкания на землю, обеспечивающее самопогасание заземляющей дуги или ее безопасное горение с последующей возможностью отыскания места повреждения и локализации аварии. Второй рассчитан на немедленное отключение места повреждения или на его отключение и, затем, после восстановления диэлектрических свойств изоляции за время бестоковой паузы, повторное включение электроустановки (АПВ). Эффективность указанных средств дугогашения для распределительных сетей (3-35 кВ) и для питающих сетей (110 кВ и выше) не одинакова.

Для оборудования и сооружений распределительных сетей 6-35 кВ характерны меньшие междуфазные расстояния (кабели, комплектные распределительные устройства, генераторы, двигатели, реакторы и т. п.). Воздействие на них токов короткого замыкания и мощных электрических дуг особенно опасно. Грозозащита этих сетей менее надежна. Внутренние перенапряжения более вероятны и разнообразны. Распределительные сети в большей степени, чем питающие, подвержены механическим повреждениям. Уровень эксплуатации их значительно ниже и поэтому замыкания одной из фаз электроустановок на землю в этих сетях более часты, чем в сетях 110-1150 кВ. Вследствие этого для этих сетей ПЭУ предусматривает режим работы с изолированной нейтралью: нейтрали силовых трансформаторов и генераторов в этих сетях не должны присоединяться к заземляющим устройствам непосредственно. Они могут быть присоединены к последним только через устройства, имеющие большое сопротивление – приборы сигнализации, измерения, защиты, дугогасящие реакторы (резонансно заземленная нейтраль), высокоомные резисторы (резистивно заземленная нейтраль) и др.

В сетях с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не приводит к возникновению короткого замыкания и в большинстве случаев не требует отключения поврежденного участка. В этих сетях ток однофазного замыкания на землю определяется рабочим напряжением сети и емкостными проводимостями на землю всех ее элементов, электрически связанных с точкой замыкания. Чаще всего этот ток имеет небольшую величину и мало влияет на рабочие токи в токоведущих частях. Это дает возможность сохранять режим работы сети с однофазным замыканием на землю в течение нескольких часов. При этом оперативно или с использованием автоматики можно решать вопрос о поиске места замыкания и его устранении или о переводе потребителей электроэнергии аварийного участка на резервное питание.

В ряде случаев дуги малых емкостных токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью горят неустойчиво и способны к самопогасанию, что может способствовать самовосстановлению нормальной работы этих сетей в таких режимах.

Однако, когда емкостные токи однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью сравнительно велики (десятки, сотни ампер), дуги замыканий могут гореть устойчиво длительное время, воздействуя на изоляцию, токоведущие и магнитопроводящие элементы сетей. Это создает условия для развития аварий – перехода однофазных замыканий на землю в двух – или трехфазные короткие замыкания. Предотвращение последствий длительного горения дуг емкостных токов может быть осуществлено переходом к режиму работы сетей с резонансно заземленной нейтралью. В этом случае включенное в нейтраль силового трансформатора или генератора высокоомное индуктивное сопротивление создает путь для прохождения через точку замыкания фазы на землю также индуктивной составляющей тока. Накладываясь на емкостную составляющую, обусловленную проводимостями сети, индуктивная составляющая снижает суммарное значение тока замыкания и уменьшает его разрушающее воздействие, в том числе, создавая условия для самопогасания заземляющей дуги.

Таким образом, сети с изолированной и с резонансно заземленной нейтралью обеспечивают повышенную надежность электроснабжения потребителей без применения дополнительных средств автоматизации, локализующих поврежденный участок, но их работа сопряжена и с определенными недостатками. Электрооборудование, применяемое в этих сетях должно иметь более высокую электрическую прочность изоляции, так как оно должно быть рассчитано на то, что при возникновении в любой точке такой сети замыкания одной фазы на землю отношение наибольшего фазного напряжения частоты 50 Гц на «здоровых» фазах в точке замыкания к фазным напряжениям на этих же фазах в этой же точке, появляющимся после устранения замыкания, принимается равным 1,73 (расчетный коэффициент несимметрии по напряжению ).

В этих сетях возможны более высокие кратности внутренних перенапряжений. ОПН и разрядники, разработанные для этих сетей в соответствии с , имеют худшие защитные характеристики, чем в сетях с эффективно заземленной нейтралью. Кроме того, в сетях с резонансно заземленной нейтралью значительную трудность представляет выявление и селективное отключение участка с замыканием одной фазы на землю.

Сети 110-1150 кВ согласно Правил устройства электроустановок (ПЭУ) работают с заземленной нейтралью: «глухое» заземление всех нейтралей автотрансформаторов и всех или части нейтралей силовых трансформаторов. Иногда нейтрали трансформаторов этих сетей могут быть заземлены через сравнительно малые индуктивные или активные сопротивления. Количество заземленных нейтралей и величины сопротивлений, через которые они могут быть заземлены в этих сетях должны быть такими, чтобы при возникновении в любой точке сети однофазного или двухфазного коротких замыканий на землю отношение наибольшего фазного напряжения частоты 50 Гц на неповрежденных фазах в точке замыкания к фазным напряжениям на этих же фазах в этой же точке, появляющимся после устранения замыкания не превышало . С другой стороны, число заземленных нейтралей в этих сетях должно быть таким, чтобы величины токов при однофазных и двухфазных коротких замыканиях на землю в них по возможности не превышали величин токов трехфазного короткого замыкания ( , ).

При выполнении в сетях 110 кВ и выше указанных условий принято считать, что они работают в режиме с эффективно заземленной нейтралью.

Ограничение напряжений несимметрии на неповрежденных фазах при замыканиях на землю в сетях с эффективно заземленной нейтралью до позволяет создать в этих сетях более благоприятные условия для работы 80 %-х вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и обеспечить лучшие (более эффективные) их защитные характеристики. Соответственно уровень электрической прочности изоляции электрооборудования в этих сетях, скоординированный с лучшими характеристиками ОПН и разрядников, может быть ниже, чем в сетях с изолированной и резонансно заземленной нейтралью.

Однако, в этих сетях замыкание одной или двух фаз на землю приводит к возникновению как в месте повреждения, так и в элементах сети прохождение больших токов короткого замыкания, обуславливающих необходимость в немедленном отключении поврежденного участка, так как, в этих сетях где изоляционные расстояния достаточно велики, такое отключение, как правило, позволяет исключить возможность перехода однофазного или двухфазного коротких замыканий соответственно в двухфазное или трехфазное короткие замыкания и обеспечить минимум повреждений электрооборудования, а также в большинстве случаев дает возможность после паузы, необходимой для деионизации канала дуги, осуществить АПВ поврежденного участка и восстановить нормальное электроснабжение потребителей.

Ограничение токов несимметричных коротких замыканий на землю в этих сетях с помощью регулирования режимов заземления нейтралей работающих в них трансформаторов (разземление нейтралей части трансформаторов), позволяет снизить затраты на коммутационные аппараты (выключатели), отключающие короткие замыкания, и повысить экономическую эффективность работы таких сетей.