С каким режимом нейтрали должны работать электрические сети напряжением 10кв

С каким режимом нейтрали должны работать электрические сети напряжением 10кв

Режимы нейтрали сетей 6-10-35 кВ.
Достоинства и недостатки различных режимов

Юрий Целебровский,
Новосибирский государственный технический университет

Прежде чем высказать свои соображения об областях применения различных систем заземления нейтрали в сетях среднего напряжения, хотелось бы кратко остановиться на общепринятых и достаточно хорошо известных положениях, на которых базируются дальнейшие рассуждения.
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.

Однако этот режим обладает и целым букетом недостатков (по сравнению с режимом эффективно заземленной нейтрали), к которым следует отнести:

• феррорезонансные явления, вызываемые кратковременными ОЗЗ;
• дуговые перенапряжения, связанные с появлением перемежающейся дуги при ОЗЗ и приводящие к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное;
• сложность построения селективных защит от ОЗЗ при изолированной нейтрали и их недостаточную работоспособность в сетях с различными режимами и конфигурацией.

К достоинствам сети с изолированной нейтралью часто относят возможность продолжения ее работы при однофазном замыкании, что якобы повышает надежность электроснабжения потребителей. Такое утверждение по меньшей мере архаично. Опыт показывает, что в большинстве случаев однофазные замыкания из-за присущих сети недостатков быстро (если не мгновенно) переходят в двух- и трехфазные (см., например, [4]) и поврежденная линия всё равно отключается.
При сохранении замыкания на землю у опор воздушных линий или у места падения провода возникают опасные напряжения прикосновения. Известно, что около половины тяжелых и смертельных электропоражений приходится на случаи, связанные с замыканиями на землю, а среди общего электротравматизма на первое место давно вышел электротравматизм в сетях среднего напряжения [5].
В настоящее время бесперебойность электроснабжения обеспечивается в основном за счет двухстороннего питания и устройств АВР. Сохранять бесперебойность электроснабжения и одновременно сохранять аварийное состояние сети (ОЗЗ) – способ даже менее разумный, чем давно отжившая система ДПЗ.
Заземление через дугогасящий реактор позволяет в определенных случаях снизить ток замыкания на землю до его погасания, то есть ликвидировать дуговые перенапряжения. Это в свою очередь уменьшает число переходов ОЗЗ в двух- и трехфазные короткие замыкания. Снижение тока ОЗЗ улучшает условия электробезопасности в месте замыкания, хотя полностью не устраняет возможность электропоражения в сетях с воздушными линиями.
Недостатки заземления через дугогасящий реактор (ДГР):

• необходимость симметрирования сети до степени 0,75% фазного напряжения (в сетях с воздушными линиями степень несимметрии всегда не ниже 1–2%, а при двухцепных ВЛ нормально может достигать 5–7%; Правилами технической эксплуатации в некоторых случаях допускается напряжение смещения нейтрали до 30% от фазного напряжения [6,7]);
• сложность и высокая стоимость систем автоматической подстройки ДГР (реакторы с механической подстройкой практически не эксплуатируются); невозможность широкой диапазонной настройки, необходимой для разветвленных городских сетей с часто изменяемой конфигурацией по отношению к питающей подстанции;
• практически полное отсутствие селективных защит от ОЗЗ для сети с заземлением нейтрали через ДГР.

По поводу последнего недостатка можно возразить, что при хорошей компенсации емкостного тока отключение поврежденного присоединения не обязательно. Принимая это возражение, остается констатировать, что применение дугогасящего реактора – это способ сохранения аварийного режима однофазного замыкания, причем способ не дешевый.

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.

Области эффективного применения различных режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения попытаемся определить, основываясь на высказанных выше положениях. В зависимости от типа сети и требуемых параметров эти области отражены в таблице. В ее первом столбце – классификация сетей по конфигурации и особенностям их работы, касающихся способа заземления нейтрали.

Таблица:Рекомендуемые режимы нейтрали сетей среднего напряжения

Тип электрической сети	Емкостный ток ниже границы ПУЭ*		Емкостный ток выше границы ПУЭ*
	Длительная работа с замыканием на землю	Однофазное замыкание на землю селективно отключается релейной защитой	Длительная работа с замыканием на землю	Однофазное замыкание на землю селективно отключается релейной защитой
Сети генераторного напряжения	изолированная	—	ДГР	—
Сети собственных нужд электрических станций	изолированная, резистор	резистор	ДГР	резистор
Распределительные сети с воздушными линиями	изолированная, резистор	резистор	резистор (ДГР)	резистор
Городские, поселковые кабельные сети (без ВЛ)	изолированная, резистор	резистор	(ДГР)	резистор
Сети, питающие передвижные подстанции и механизмы, торфяные разработки, шахты и т.п.	—	резистор	—	резистор

Сети генераторного напряжения – это в основном шинные мосты со стабильными емкостными токами. При замыкании на землю невозможно провести селективное отключение какого-либо участка, необходимо отключать сам генератор по четкому признаку появления напряжения нулевой последовательности. Кратковременная работа генератора до отключения при малых токах возможна при изолированной нейтрали. При емкостном токе, превышающем 5 А, могут возникать серьезные повреждения изоляции, поэтому представляется целесообразным применение дугогасящего реактора. При этом выполнение шинного моста изначально должно быть таким, чтобы не возникало смещения нейтрали и обеспечивалась точная настройка ДГР.
Сети собственных нужд электрических станций в отличие от сетей генераторного напряжения имеют разветвленную конфигурацию, позволяющую селективно отключать повреждение с ОЗЗ. Поскольку эти сети выполнены кабельными линиями, степень их симметрии достаточная для применения дугогасящего реактора.
При малых емкостных токах возможно применение изолированной нейтрали, однако при этом сеть нуждается в расчетной проверке на возможность возникновения феррорезонансных явлений. При опасности таковых рекомендуется заземление нейтрали через резистор. Длительная работа сети при ОЗЗ представляется малоцелесообразной, поскольку в таких сетях имеется достаточное резервирование.
Селективное отключение поврежденного присоединения релейной защитой может быть надежно выполнено при резистивном заземлении нейтрали.
При больших емкостных токах, если признано рациональным продолжение работы сети при ОЗЗ, наилучшим вариантом является применение ДГР, способствующее (при точной настройке) самоликвидации однофазного замыкания [8]. Селективное отключение релейной защитой ОЗЗ с большим током хорошо реализуется при резистивном заземлении нейтрали.
Распределительные сети с воздушными линиями, как правило, несимметричны. При малых токах, так же как и в предыдущем случае, возможно применение изолированной нейтрали при отсутствии предпосылок для феррорезонансных явлений. Эксплуатационное изменение конфигурации и размеров сети может привести к появлению таких предпосылок. При этом также возможно и превышение границы емкостного тока. Поэтому наилучшим и универсальным решением для таких сетей является резистивное заземление нейтрали. Применение ДГР проблематично из-за существующей несимметрии и большого диапазона изменения емкостного тока. Опыт показывает, что установленные в таких сетях ДГР практически нигде не работают.
В воздушных распределительных сетях, питающих нефтяные и газовые месторождения, существует проблема кратковременных отключений ВЛ, связанная с недостаточно отработанной технологией самозапуска двигателей насосов. Поэтому такие сети вынужденно работают при сохранении замыкания на землю. Применение ДГР целесообразно в подобных случаях лишь с позиций улучшения условий электробезопасности при ОЗЗ, что требует точной компенсации емкостного тока. Дуговых процессов при замыканиях на ВЛ, как правило, не бывает.
Городские, поселковые кабельные сети (без ВЛ) достаточно симметричны для применения ДГР, но в отличие от сетей собственных нужд электрических станций имеют постоянно и значительно изменяющуюся конфигурацию, что требует большого диапазона подстройки. Положение осложняется тем, что питающие подстанции, где устанавливаются ДГР, и распределительные городские сети часто имеют разную подчиненность, в том числе и оперативно-диспетчерскую. Это требует обязательной автоматической широкодиапазонной подстройки ДГР. Поэтому универсальным способом для таких сетей является резистивное заземление нейтрали, о чем свидетельствует обширная мировая практика.
При наличии в поселковых и городских сетях воздушных линий резко обостряется проблема электробезопасности при ОЗЗ, и в соответствии с новыми требованиями ПУЭ (1.7.64**) однофазные замыкания необходимо отключать релейной защитой. Это является дополнительным доводом в пользу резистивного заземления нейтрали.
Сети, питающие передвижные подстанции и механизмы, торфяные разработки, шахты и т.п., однозначно, в соответствии с 1.7.64 ПУЭ, требуют отключения ОЗЗ релейной защитой. С учетом тех преимуществ, которые дает резистивное заземление (гашение колебательных процессов в сети и формирование селективного признака в виде активного тока в поврежденном присоединении), режим заземления нейтрали через резистор представляется здесь единственно целесообразным, особенно при разветвленной сети.
В завершение следует отметить, что ключевой момент в определении режима заземления нейтрали сети – это решение о селективном отключении или длительном сохранении режима однофазного замыкания на землю. При сохранении ОЗЗ можно выбирать среди всех указанных в ПУЭ режимов нейтрали, учитывая высказанные в настоящей работе соображения. Если ОЗЗ должно селективно отключаться релейной защитой, преимущественным решением является заземление нейтрали через резистор.

Источник

Виды нейтралей электроустановок

Нейтраль – та часть электроустановки, которая имеет нулевой потенциал относительно физической земли или ее токопроводящих элементов. Трехфазные цепи могут иметь как технологическую, имеющую физическое соединение с токопроводящими частями, так и конструктивную, отдельную от них нейтраль. Это зависит от способа соединения выходных обмоток силовых трансформаторов.

В первом случае – звездой, во втором – треугольником. Поскольку в этом проводнике течет ток, что происходит в результате или аварии, или технологического перекоса фаз, выражение «режим работы нейтрали» имеет полное право на существование. О том, каким он может быть, и о способах подключения нейтральных проводников пойдет речь в этой статье.

Режимы заземления нейтрали

В экзаменационных билетах по электробезопасности для монтеров, работающих с установками напряжением до 1000 вольт, есть вопрос: «С какой нейтралью должны работать электрические сети напряжением 10 кВ?» Правильный ответ: «С изолированной». Однако существуют и другие режимы работы нейтралей в электроустановках:

1. Эффективное заземление.
2. Глухое заземление.

От их выбора зависит множество факторов:

• Бесперебойность электроснабжения.
• Безопасность обслуживающего персонала и электроустановок в случае замыкания одной из фаз на землю.
• Величины токов в местах повреждений.
• Схема построения релейной защиты.

Различные типы электрических сетей по-разному подключаются к нейтрали и реагируют на аварийные ситуации.

Высоковольтные магистральные электросети

К ним относятся все электросети, линейное (между фазными проводниками) напряжение в которых превышает 35 кВ. Выходные (статорные) обмотки промышленных электрогенераторов соединяют треугольником. Это связано с меньшим уровнем электрических потерь и отсутствием технологического перекоса фаз, что напрямую влияет на качество подаваемой потребителям электрической энергии.

При однофазном пробое на физическую землю – в случае обрыва провода или изменения диэлектрических свойств изоляторов на опорах, происходит падение линейного напряжения до нуля в аварийной фазе и рост в 1,7 раза в работоспособных.

Чтобы избежать электрического пробоя изоляторов рабочих фаз и не увеличивать их без того немалые размеры, в этом случае применяется способ подключения, называемый «эффективной нейтралью». Он заключается в том, что на промежуточных силовых подстанциях выходные обмотки трансформаторов, использующиеся для обеспечения их внутренних нужд (например, обогрева, сигнализации), включаются по схеме «звезда», общий провод которой наглухо соединяется с физической землей.

В результате напряжение в неповрежденных фазах растет не более, чем в 1,4 раза, а ток короткого замыкания ограничивается на уровне, который недостаточен для срабатывания реле защиты. Это позволяет не прерывать электроснабжение на время большее, чем то, что определено нормативами правил эксплуатации электроустановок для различных типов потребителей.

Магистральные электросети среднего напряжения

Электрическая сеть, линейное напряжение в которой от 6 до 35 кВ. Обмотки силовых трансформаторов соединяются звездой. Нейтраль изолированная, она не имеет физического контакта с землей. Это делается по трем причинам:

1. Меньшие токи, что позволяет уменьшить размеры изоляторов – меньше вес, меньше нагрузка на опоры, возможна экономия при их производстве и монтаже.
2. В сетях с изолированной нейтралью токи между фазами имеют емкостной характер, поэтому при пробое одной из них не возникает короткого замыкания. Ток как бы стекает с поврежденного проводника на землю и рассеивается ею.
3. Нет необходимости тянуть четвертую линию, не имеющую функционального назначения.

В результате при аварии линейное напряжение растет в 1,7 раза, что для промежуточных силовых трансформаторов на линии не является критическим режимом. Электроснабжение продолжается по двум оставшимся линиям. Опасность представляет только оборванный провод в радиусе 10–30 метров – создается зона, где возможно возникновение так называемого шагового напряжения.

Однако при малом сопротивлении физической земли (в результате дождей, при прокладке электролинии по болотам) ток в поврежденном проводнике может достигнуть значения, достаточного для возникновения электрической дуги. В этом случае применяется так называемая компенсированная нейтраль.

Сущность компенсированной нейтрали заключается в том, что общий для всех обмоток провод все же имеет контакт с землей, но через сопротивление. Оно может иметь индуктивный или активный характер. В первом случае устройство называют дугогасящим реактором.

Ток, через него текущий, находится в противофазе с тем, который идет на физическую землю через поврежденный проводник. Они компенсируют друг друга, поэтому электрическая дуга не зажигается. Заземление нейтрали через резистор в нашей стране практически не применяется. А если и используется, то в качестве элемента, помогающего определить место повреждения – при его включении параллельно дугогасящему реактору происходит срабатывание релейной защиты на аварийном участке.

В нашей стране количество линий с компенсированной нейтралью равно 20% от числа всех электрических магистралей. А ее полную изоляцию используют еще только в Финляндии. Большинство европейских стран применяет подключение нейтрали через активное сопротивление большой величины.

Изолированная нейтраль также применяется в трехфазных сетях напряжением 0,4 кВ, которые прокладываются в шахтах, рудниках и на торфяных выработках. Везде, где пропуск электрического тока по физической земле может привести к поражению людей. А также в передвижных электроустановках при невозможности создания надежного контакта с заземлителем.

Низковольтные электрические сети

Все трехфазные электрические линии напряжением 0,4 кВ, от которых питаются конечные потребители, исполняются четырехпроводными. Это так называемые сети с глухозаземленной нейтралью. Выходные обмотки силовых линейных трансформаторов соединяются звездой, а их общий проводник – с физической землей. Делается это исходя из двух соображений:

1. При однофазном замыкании на землю происходит мгновенное отключение всей линии, что необходимо для предотвращения поражения людей и животных электрическим током. Для этого в ней между фазными проводниками устанавливаются автоматы, реагирующие на сверхтоки (короткое замыкание) или дифференциальный ток.
2. Кроме линейного напряжения в 380 (400) вольт, используется и фазное (между проводником и нейтралью), равное 220 вольт. При отсутствии надежного контакта с физической землей возможно возникновение технологического перекоса фаз, в результате которого у одного из потребителей на вводах будет 100–110 вольт, а у других – 290–300 вольт, что приводит к выходу из строя электрических приборов.

Если вы увидели на линии высокого напряжения оборванный провод, не подходите к нему близко, наверняка он находится под напряжением, поскольку в режиме изолированной нейтрали мгновенного отключения не происходит. И не относитесь к нейтральному проводнику четырехпроводной бытовой линии 0,4 кВ как к абсолютно безопасной железке. В случае неисправности или аварии по нему течет смертельно опасный ток.

Источник