Лекция 5. Режимы нейтрали в трехфазных сетях

Содержание лекции:

- области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали.

Цель лекции:

- знакомство с режимами заземления нейтрали.

Способ заземления нейтрали сети является достаточно важной характеристикой. Он 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.

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали сетей среднего напряжения (термин «среднее напряжение» используется в зарубежных странах для сетей с диапазоном рабочих напряжений 1-69 кВ): изолированная (незаземленная); глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру); заземленная через дугогасящий реактор; заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

Изолированная нейтраль.

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в РК. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник (см. рисунок 1), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

Рисунок 1- Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью

ПУЭ ограничивает применение режима изолированной нейтрали в зависимости от тока однофазного замыкания на землю сети (емкостного тока).

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 землю; 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 электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Кроме того, значительное число повреждений трансформаторов напряжения типа НТМИ-6(10), ЗНОЛ-6(10), ЗНОМ-35 в отечественных сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю также связано с состоянием нейтрали сетей среднего напряжения.

Режим изолированной нейтрали имеет одно неоспоримое преимущество – малый ток однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), что 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.

Нейтраль заземленная через дугогасящий реактор.

Она также достаточно часто применяется в РК. Этот способ заземления нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор (см. рисунок 2).

Рисунок 2- Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор

Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются: отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю; малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс); исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются: возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации; возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети; возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации; возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов; возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях; сложность обнаружения места повреждения; опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети; сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный).

Этот режим заземления используется в России и РК очень редко, только в некоторых сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций.

Резистор в отечественных сетях 6-10 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор

Возможны и другие варианты включения резистора, когда нейтраль заземляющего трансформатора наглухо присоединяется к контуру заземления, а резистор включается во вторичную обмотку, собранную в разомкнутый треугольник, либо используется однообмоточный трансформатор (фильтр нулевой последовательности) с соединением обмотки ВН в зигзаг.

Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный.

При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Это гарантирует отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее однофазное замыкание немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5-7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали.

При низкоомном заземлении нейтрали используется резистор, создающий ток в пределах 10-2000 А. Величина тока, создаваемого резистором, выбирается исходя из нескольких конкретных условий: стойкость опор ВЛ, оболочек и экранов кабелей к протеканию такого тока однофазного замыкания; наличие в сети высоковольтных электродвигателей и генераторов; чувствительность релейной защиты.

Заземление нейтрали через резистор имеет несомненные достоинства, подтвержденные мировой практикой и опытом, накопленным в России:

полное устранение феррорезонансных явлений; снижение уровня дуговых перенапряжений и устранение перехода ОЗЗ в двух- и трехфазные замыкания; возможность построения простых селективных защит от ОЗЗ.

К недостаткам резистивного заземления нейтрали следует отнести:

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

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 изолированная нейтраль и иногда – нейтраль, заземленная через резистор.

При отключении присоединения с однофазным замыканием релейной защитой во всех случаях предпочтительным оказывается резистивное заземление нейтрали.