Статья была размещена в журнале «Энерготех Экспо» №20 (июль 2021г), электронную версия журнала
Комбинированное заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ.
Сергей Титенков, к.т.н., генеральный директор ООО «ЕГЕ-ЭНЕРГАН»
Андрей Пугачёв, к.т.н, зам. генерального директора
Маргарита Фабрицкая, ведущий специалист департамента технической поддержки
ООО «ЕГЕ-ЭНЕРГАН» проводит НИР, предпроектные и проектные работы по выработке технических решений по заземлению нейтрали и компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю, имеет большой опыт поставок оборудования на объекты ПАО «Россети».
В последние 10–15 лет сетевым компаниям, промышленным предприятиям и проектным
организациям активно предлагается к использованию вариант так называемого комбинированного заземления нейтрали. В этом варианте параллельно дугогасящему реактору (ДГР) предлагается установить постоянно включенный высоковольтный высокоомный резистор (рис. 1). Высокоомным резистором является резистор, который создает суммарный (активный плюс емкостный) ток в месте повреждения не более 10 А. Только при такой величине полного тока в месте повреждения допустима длительная работа сети с ОЗЗ без отключения.
В качестве обоснования такого технического решения чаще всего приводятся следующие доводы, которые и будут более подробно рассмотрены в данной статье:
- снижение перенапряжений при дуговых замыканиях, которое обеспечивает резистор, постоянно включенный параллельно ДГР;
- возможность организации селективной релейной защиты от замыканий на землю;
- снижение естественного напряжения несимметрии на нейтрали (смещения нейтрали).
Рис.1. Комбинированное заземление нейтрали
Снижение перенапряжений. Для проверки первого довода нужно вспомнить теорию дуговых перенапряжений в сети с изолированной (заземленной через ДГР) нейтралью.
Поговорим о переходном процессе при возникновении ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью. В нормальном режиме работы напряжения на емкостях относительно земли равны фазным и примерно равны соответствующим фазным ЭДС. В некоторый момент времени t1, когда напряжение на фазе А проходит максимум (-1 о.е.), возникает пробой изоляции на землю, и напряжение на фазе А падает до нуля. В этот же момент напряжение на других неповреждённых фазах относительно земли мгновенно принимает значение +0,5 о.е. От этого мгновенного значения напряжения неповрежденных фаз относительно земли начинают переход к новому вынужденному значению, равному линейной величине – 1,73 о.е. То есть происходит перезаряд емкостей неповрежденных фаз на землю от мгновенного фазного напряжения в момент замыкания к новому мгновенному линейному напряжению. Этот перезаряд происходит в колебательном высокочастотном процессе, и напряжение на емкости неповрежденной фазы может достигать в пределе величины 2,5–2,7 о.е. Это и есть так называемые дуговые перенапряжения. Поскольку процесс перезаряда емкостей идет на высокой частоте, индуктивное сопротивление маломощного трансформатора заземления нейтрали ХТЗН имеет на этой частоте очень большое значение. Вследствие этого ни ДГР, ни какой-либо резистор не могут участвовать в этом переходном процессе, так как высокочастотные токи через них не замыкаются! Соответственно, ни ДГР, ни параллельно включенный ему высокоомный резистор не могут ограничить дуговые перенапряжения, вызываемые первым зажиганием дуги. Оборудование, включенное в нейтраль маломощного трансформатора заземления нейтрали (реактор или резистор), начинает работать только после гашения перемежающейся дуги однофазного замыкания, разряжая через себя избыточный заряд емкостей на землю и ликвидируя тем самым возможность повторного зажигания дуги при наличии повышенного напряжения на нейтрали. Из вышесказанного следует, что постоянно включенный параллельно настроенному в резонанс (или с небольшой расстройкой ±5%) реактору высокоомный резистор (комбинированное заземление нейтрали) никак не влияет на максимально возможный уровень перенапряжений в сети при дуговых ОЗЗ. При настройке дугогасящего реактора в резонанс максимальные перенапряжения возможны при каждом зажигании дуги и не превышают 2,5–2,7 о.е. Наличие или отсутствие высокоомного резистора параллельно реактору никак не влияет на этот уровень перенапряжений. Соответственно, довод о способности комбинированного заземления нейтрали ограничить дуговые перенапряжения в сетях 6–35 кВ до уровня 1,8–2,0 о.е. не соответствует действительности.
Организация селективной РЗА. Сразу следует сказать, что организовать простую токовую (ANSI 51N) защиту по 3I0 от замыканий на землю на токах 2–10 А, которые создает параллельный реактору резистор, крайне сложно, поскольку слишком мал ток. В кабельных сетях 6–35 кВ токовые защиты от замыканий отстраиваются от собственного емкостного тока присоединений. При токах 5–10 А, создаваемых резистором параллельно реактору, будут работоспособны только направленные защиты. Направленные защиты по активной составляющей тока 3I0 (или активной мощности нулевой последовательности) пока мало распространены в эксплуатации. Даже при строительстве новых подстанций к ним зачастую присоединяют потребительские РП, на которых нет направленных защит от замыканий на землю. Проблема с релейной защитой от замыканий на землю в сетях с ДГР в европейских странах решается проще. ДГР оснащаются вспомогательной силовой обмоткой 500 В, к которой кратковременно (1–3 с) по факту возникновения напряжения 3U0 контактором КМ подключается малогабаритный шунтирующий низковольтный резистор (рис. 2), создающий кратковременный активный ток 3I0 = 10–100 А (по первичной стороне) только в поврежденном фидере. Вот этого тока действительно достаточно для работы простых токовых защит от замыканий на землю.
Рис.2. Схема подключения ДГР 10 кВ с низковольтным шунтирующим резистором SR 500 В
Снижение естественного напряжения несимметрии на нейтрали. Эта проблема, как правило, не проявляется в чисто кабельных сетях 6–10 кВ и действительно существует в смешанных кабельно-воздушных сетях 6–10 кВ и особенно в сетях 35 кВ. Неравенство емкостей фаз на землю вызывает появления напряжения на нейтрали в нормальном режиме на уровне до нескольких процентов. При включении в нейтраль такой сети ДГР и настройке его в резонанс, естественное напряжение несимметрии усиливается и возникает существенное смещение нейтрали, иногда значительно превышающее нормируемое значение 15%. В подобных случаях подключение высокоомного высоковольтного резистора параллельно ДГР (рис. 1) действительно может помочь привести смещение нейтрали к норме (существенно снизить его). Но более простая и дешевая альтернатива данному решению – использование ДГР с нормально подключенным резистором на вспомогательной силовой обмотке 500 В, который отключается с выдержкой времени после возникновения замыкания на землю. В этом варианте низковольтный резистор на обмотке 500 В ДГР в нормальном режиме работы сети постоянно подключен (контактор КМ нормально замкнут) и эффективно демпфирует смещение нейтрали. Резистор имеет кратковременную термическую стойкость 60 с к протеканию тока, вызываемого фазным напряжением на нейтрали в процессе ОЗЗ. Поэтому при возникновении ОЗЗ через выдержку времени он должен быть отключен. В заключение отметим, что в европейских странах такое техническое решение, как комбинированное заземление нейтрали (постоянное включение высокоомного высоковольтного резистора параллельно плавнорегулируемому дугогасящему реактору) не применяется в принципе.
