Особенности работы сетей с эффективно заземленной нейтралью

Отмеченные выше преимущества использования для электроснабжения потребителей электрических сетей 3-35 кВ с изолированной или резонансно заземленной нейтралью, позволяющие ограничить число отключений их потребителей при наиболее распространенных в этих сетях аварийных ситуациях, связанных с замыканиями одной фазы сети на землю, оказываются технически и экономически не оправданными при строительстве и эксплуатации распределительных и магистральных сетей более высоких классов напряжений (110 кВ и выше). К основным недостаткам этих сетей прежде всего можно отнести то, что при длительно используемых в этих сетях режимах замыканий одной фазы на землю на изоляцию поврежденных фаз электрооборудования этих сетей длительно (до нескольких часов) могут воздействовать междуфазные (линейные) напряжения, что требует выполнения фазной изоляции электрооборудования этих сетей (относительно земли, элементов, находящихся под нулевым потенциалом) фактически на линейное напряжение, а это в значительной мере повышает относительную стоимость электрооборудования этих сетей. Кроме того, существенным недостатком сетей с изолированной и резонансно заземленной нейтралью является и то, что в этих сетях практически невозможно организовать точное автоматическое определение мест возникновения замыканий одной фазы на землю, которое бы позволило создать автоматику селективного отключения поврежденных цепей с последующим автоматическим восстановлением питания потребителей.

Выполненные исследования и технико-экономический анализ показали, что проблемы снижения в высоковольтных электрических сетях вынужденных составляющих напряжений при возникновении в них однофазных или двухфазных коротких замыканий на землю, а также проблемы с селективным отключением поврежденных участков высоковольтных сетей при однофазных коротких замыканиях могут быть решены при их работе в режимах с глухо или эффективно заземленными нейтралями.

В России глухое заземление нейтралей автотрансформаторов и всех или части трансформаторов применяется в сетях, выполненных на напряжения 110 кВ и выше. В этих сетях путем регулирования отношений величин эквивалентных индуктивных сопротивлений нулевой и прямой последовательностей относительно точек коротких замыканий ( ) удается снизить амплитуды аварийных вынужденных составляющих напряжений промышленной частоты на электрооборудовании неповрежденных фаз при возникновении в них как однофазных, так и двухфазных коротких замыканий на землю. Последнее, дает возможность применить в этих сетях вентильные разрядники и ограничители перенапряжений (ОПН) с более эффективными характеристиками, позволяет, собственно, обеспечить в этих сетях глубокое ограничение коммутационных и грозовых перенапряжений и снизить испытательные напряжения и стоимости изоляционных конструкций трансформаторов и другого высоковольтного электрооборудования, которое составляет существенную долю стоимости этих сетей.

Сетями с эффективно заземленной нейтралью считаются такие сети с глухо заземленной нейтралью, в которых при возникновении в них однофазных или двухфазных коротких замыканий на землю в любых из точек этих сетей и при любых возможных их схемах отношения модулей напряжений на неповрежденных фазах в точках замыканий к модулю наибольшего допустимого рабочего напряжения для этой же сети ( ) не превышает 0,8 (или по отношению к модулю фазного наибольшего допустимого рабочего напряжения ).

Коэффициент 0,8 получил название коэффициента заземления сети соответственно в рассматриваемой точке однофазного или двухфазного короткого замыкания на землю:

;

,

где и – соответственно наибольшие значения модулей фазных напряжений на неповрежденных фазах при однофазном и двухфазном коротких замыканиях на землю в рассматриваемой точке.

Что касается определения мест положения точек однофазного короткого замыкания в сетях с эффективно заземленной нейтралью и селективного их отключения, то следует иметь ввиду, что в этих сетях замыкания одной фазы на землю считаются короткими замыканиями, то есть сопровождаются большими токами, длительное прохождение которых не допустимо из-за возможности повреждения электрооборудования, поэтому поврежденный участок в этих сетях, как правило, безусловно быстро фиксируется автоматикой и отключается (за доли секунды). Часто повреждения носят дуговой характер, не связанный с органическим повреждением изоляции. В этом случае в течение короткого времени диэлектрические свойства изоляции «перекрытого» промежутка восстанавливаются и появляется возможность автоматической повторной подачи напряжения на поврежденный участок для восстановления питания потребителей (АПВ).

Время, необходимое для деионизации места дугового повреждения, составляет величину порядка 0,6-1,5 с.

Следует также иметь ввиду, что в сетях 110 кВ и выше 80-90 % всех повреждений сетей представляют собой однофазные короткие замыкания на землю, поэтому рациональнее всего при отключениях коротких замыканий отключать только поврежденную фазу электроустановки (например, линии электропередачи) и, затем, ее повторно автоматически включать (ОАПВ – однофазное автоматическое повторное включение). Кроме того, отключение только одной фазы линии электропередачи имеет несомненное преимущество перед ТАПВ (трехфазным автоматическим повторным включением) и с точки зрения сохранения энергосистемой динамической устойчивости после автоматического восстановления поврежденных цепей.

Рассмотренные особенности работы сетей с эффективно заземленной нейтралью, несомненно, способствуют их широкому распространению в решении задач надежного электроснабжения потребителей. Однако, как уже было отмечено, каждое перекрытие высоковольтной изоляции в таких сетях и каждое замыкание фаз на землю сопровождаются большими токами коротких замыканий, достигающими десятков килоампер. Это приводит к повышенным требованиям к отключающей способности выключателей, динамической и термической устойчивости всего высоковольтного электрооборудования, в том числе, заземляющих устройств и устройств защиты линий связи от опасного влияния на них высоковольтных линий электропередачи.

Для повышения надежности и бесперебойности работы сетей 110 кВ и выше они должны быть обеспечены надежной защитой от перенапряжений, средствами ограничения токов коротких замыканий и автоматикой быстрого их отключения с последующей возможностью автоматического повторного восстановления питания потребителей (АПВ).