Режимы заземления нейтрали

В сетях среднего напряжения 3-69 кВ европейских стран (Германия, Чехия, Швейцария, Австрия, Франция, Италия, Румыния, Польша, Финляндия, Швеция, Норвегия и др.) широко используется заземление нейтрали через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором (рис. 1.3). Низковольтный шунтирующий резистор напряжением 500 В подключается через специальный контактор во вторичную силовую обмотку 500 В дугогасящего реактора. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

• отсутствие необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания на землю и, соответственно, потребителя;
• малый остаточный ток в месте повреждения (не более 1-2 А);
• самоликвидация однофазных замыканий (особенно на воздушных линиях);
• возможность организации селективной автоматически действующей релейной защиты от однофазных замыканий на землю;
• исключение повреждений измерительных ТН из-за феррорезонансных процессов.

Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором приведена на рис. 1.4.

В существующих российских сетях 6-35 кВ с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы старой конструкции с ручным регулированием и реакторы с подмагничиванием, но без шунтирующего резистора существует проблема организации селективной защиты от однофазных замыканий на землю. В этих сетях не могут использоваться как простые токовые защиты от замыканий на землю, так и направленные защиты. Первые в связи с тем, что дугогасящий реактор компенсирует ток однофазного замыкания (ток 3I₀) в

Рис. 1.4. Структурная схема технического решения по заземлению нейтрали сети 6-10 кВ через дугогасящий реактор

 

поврежденном присоединении  практически до нуля. Вторые в связи  с совпадением направления тока 3I₀ в поврежденном и неповрежденных фидерах по направлению. В поврежденном фидере в направлении «от шин» течет индуктивный ток 3I₀, по величине равный собственному емкостному току фидера, а в неповрежденных фидерах собственные емкостные токи в направлении «к шинам».

Режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с  шунтирующим низковольтным резистором, подключаемым во вторичную силовую обмотку напряжением 500 В, позволяет реализовать селективную защиту от замыканий на землю как с использованием простых токовых защит, так и более сложных направленных защит по направлению тока 3I0 или активной мощности нулевой последовательности («ваттметрические»). Как правило, защиты от замыканий на землю в этом случае действуют на сигнал (ток в месте повреждения мал, и его немедленное отключение не требуется).

При наличии шунтирующего низковольтного (500 В) резистора логика использования дугогасящих реакторов следующая. До момента возникновения однофазного замыкания дугогасящий реактор настроен в резонанс, а шунтирующий резистор отключен. В начальной стадии замыкания дуга обычно неустойчива, и возникают повторные зажигания и гашения. При этом реактор действует как дугогасящее устройство и позволяет не отключать поврежденный фидер.

В том случае, если замыкание  перешло в устойчивое, с определенной выдержкой времени, задаваемой в регуляторе REG-DPA реактора, подключается шунтирующий резистор (на время от 1 до 3 секунд). Цифровой регулятор REG-DPA реактора дает команду на включение контактора шунтирующего резистора напряжением 500 В, который подключается к вторичной силовой обмотке реактора 500 В (рис. 1.5). Подключение шунтирующего резистора на 1-3 секунды создает только в поврежденном фидере активный ток 3I₀, величина которого определяется сопротивлением резистора и может составлять от 5 до 50 А. Этого тока достаточно для селективного срабатывания даже обычной токовой защиты от замыканий на землю поврежденного присоединения. Уставка простых токовых защит от замыканий на землю по току 3I₀ на фидерах выбирается, исходя из собственного емкостного тока присоединения (или суммарного тока присоединения и питаемого им РП). Для современных цифровых защит с фильтрацией входного сигнала можно рекомендовать уставку на уровне 1,5 собственных емкостных тока присоединения. Уставка по времени защит от замыканий на землю при действии на сигнал может приниматься в диапазоне от 0 до 0,5 с в зависимости от необходимости отстройки от переходных процессов.

В нормальном режиме низковольтный шунтирующий резистор SR ду- гогасящего реактора отключен и не влияет на точность настройки компенсации. Резистор подключается только на время, требуемое для срабатывания защит от замыканий на землю (1-3 с). Термическая стойкость

Рис. 1.5. Организация селективной релейной защиты от однофазных замыканий в сети с заземлением через дугогасящий реактор с шунтирующим низковольтным резистором

резистора, как правило, от 6 до 60 секунд. Подключение шунтирующего резистора регулятор REG- DPA реактора может выполнять как по факту перехода замыкания в устойчивое, так и просто через определенную выдержку времени (например, через 5 с после возникновения перемежающегося замыкания). Если замыкание в течение выдержки времени не перешло в устойчивое, то подключение шунтирующего резистора увеличивает активную составляющую в месте повреждения, тем самым способствуя стабилизации дуги (переходу замыкания в устойчивое). Если замыкание самоустранилось за время менее 5 с, резистор не подключается и сеть продолжает работать в нормальном режиме.

В проектной практике и  эксплуатации мощность дугогасящего реактора выбирается исходя из емкостного тока сети и перспектив развития сети. В РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87) мощность дугогасящих реакторов рекомендуется выбирать по формуле:

 

где 1,25 - коэффициент, учитывающий  возможное развитие сети; U_H0U - номинальное напряжение сети; I_С - суммарный емкостный ток сети (включая емкостные токи РП, при их питании от подстанции, где устанавливаются дугогасящие реакторы).

Мощность трансформатора для подключения дугогасящего реактора выбирается равной или большей мощности реактора.

 

 

3. . Режим заземления нейтрали в сети 6-35 кВ через резистор (резестивное заземление нейтрали).

 

На рис. 6 приведена типовая двухтрансформаторная подстанция с нейтралью на стороне 6-10 кВ, заземленной через высоковольтный резистор.

В этом режиме на секцию шин 6-10 кВ через специально выделенную ячейку подключается трансформатор вывода нейтрали (с соединением обмоток Y-0/D или Z-0), в нейтраль которого включается резистор.

На рис. 1.6 приведены возможные варианты включения резистора в сеть. Как правило, для реализации резистивного заземления нейтрали используют варианты 7а и 7в. Вариант 76 достаточно редкий и требует для своей реализации специального трансформатора.

Рис. 1.6. Варианты включения резистора в сеть

Все режимы заземления нейтрали через резистор (или, по-другому, резистивное заземление нейтрали) можно разделить на две большие группы с позиции создаваемого активного тока:

• высокоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) не превышает 10 А. Как правило, однофазное замыкание на землю при таком режиме заземления нейтрали можно не отключать, и защиты от замыканий на землю действуют на сигнал;
• низкоомное резистивное заземление нейтрали - это заземление нейтрали через резистор, при котором суммарный ток в месте замыкания (активный ток резистора плюс емкостный ток сети) превышает 10 А. Как правило, суммарный ток однофазного замыкания при этом режиме заземления нейтрали существенно превышает 10 А, а именно, достигает десятков и сотен ампер, что требует действия защит от замыканий на землю на отключение без выдержки времени (или малой выдержкой).

Указанное деление на высокоомное и низкоомное резистивное заземление в отечественных документах не выполнено. Четкая граница между этими двумя подвидами резистивного заземления нейтрали дана в зарубежных нормативных документах, в частности, в IEEE Std 142-1991 «Recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems».

Высокоомное резистивное  заземление нейтрали может выполняться только в сетях с емкостным током I_с не более 5-7 А, при этом активный ток I_R создаваемый резистором, должен быть больше емкостного тока сети:

I_C≤5÷7 A

I_C≤ I_R

При высокоомном резистивном  заземлении нейтрали суммарный ток в месте повреждения складывается из емкостного тока сети и активного тока, создаваемого резистором заземления нейтрали:

 

Указанные активный и емкостный  ток суммируются векторно и сдвинуты друг относительно друга на 90° (рис. 1.7).

 

Рис. 1.7. Векторная диаграмма токов при однофазном замыкании в сети с резистивным заземлением нейтрали

 

При равенстве активного  тока, создаваемого резистором, и емкостного тока сети суммарный ток в месте повреждения увеличивается всего в раз. Так при емкостном токе сети величиной 5 А и активном токе 5 А, создаваемом резистором, суммарный ток в месте повреждения составит всего 7 А.

Низкоомное заземление нейтрали может выполняться в .сетях с  любым емкостным током, при этом активный ток I_я, создаваемый резистором, также должен быть больше емкостного тока сети. Как правило, активный ток, создаваемый резистором, превышает емкостный ток сети не менее чем в 2 раза.

Обычно ток, создаваемый  резистором при низкоомном резистивном заземлении нейтрали, лежит в пределах от 20 до 2000 А.

Выбор тока, создаваемого резистором, при низкоомном заземлении нейтрали является разумным компромиссом между двумя противопо-ложными задачами: повышением чувствительности защит от замыканий на землю за счет увеличения тока однофазного замыкания и ограничением тока в месте повреждения (однофазного замыкания) для снижения объема разрушения оборудования.

Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной  через резистор, представлены в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2. Преимущества и недостатки сетей с нейтралью, заземленной через резистор:

Преимущества

Недостатки

1.Отсутствие  необходимости в немедлен-ном отключении однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали). 2.Отсутствие  дуговых перенапряжений. 3.Простая реализация  релейной защиты. 4.Исключение  повреждений измери-тельных TH из-за феррорезонансных процессов. 5.Уменьшение  вероятности поражения персонала  и посторонних лиц (при низкоомном заземлении нейтрали и быстром отключении).

1.Увеличение тока в месте повреждения (только для низкоомного заземления нейтрали).   2.Необходимость отключения однофазных замыканий (только для низкоомного заземления нейтрали).

 

Такие существенные преимущества сетей с резистивным заземлением  нейтрали, как отсутствие перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, исключение феррорезонансных процессов насыщения трансформа-торов напряжения и возможность организации селективной релейной защиты от замыканий на землю, предопределили широкое использование этого режима в зарубежных странах.

Присущие режиму резистивного заземления нейтрали недостатки (увеличение тока в месте повреждения и необходимость отключения замыканий) преодолеваются за счет быстрого отключения поврежденного фидера и организации резервного питания потребителей.

Организация релейной защиты от замыканий на землю в сетях  с высо- коомным и низкоомным заземлением  нейтрали может отличаться.

Как правило, в сетях с  высокоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю действуют на сигнал. При этом могут использоваться как простые токовые защиты при существенном превышении активным током емкостного, так и направленные защиты при значительных собственных емкостных токах присоединений. Защита от замыканий на землю с действием на отключение в сетях с высокоомным резистивным заземлением нейтрали может применяться, но необходимости в немедленном отключении однофазного замыкания в таких сетях нет.

В сетях с низкоомным заземлением нейтрали защиты от замыканий на землю должны действовать на отключение поврежденного фидера с минимально возможной выдержкой времени. Однофазное замыкание при низкоомном резистивном заземлении нейтрали должно отключаться так же быстро, как и двухфазное или трехфазное КЗ.

Основываясь на изложенном выше, можно сделать вывод о  том, что в сетях 6-35 кВ наиболее благоприятными с точки зрения эксплуатации являются режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор с низковольтным шунтирующим резистором и режим заземления через резистор (высокоомный или низкоомный). Режим изолированной нейтрали должен быть полностью исключен из практики эксплуатации.

 

2. Разработка физических и математических моделей сетей 6-10кВ с воздушными и кабельными линиями.

2.1 Физическая модель кабельной  сети 6-10кВ.

Экспериментальная установка  для физического моделирования  процессов при замыканиях на землю  в сетях с изолированной и  компенсированной нейтралью разработана  на кафедре ,,Электрические станции” ЮРГТУ(НПИ) для исследования процессов  и сравнительного испытания различных  устройств защиты и сигнализации в установившихся и переходных режимах.

С целью упрощения установки  в модели используются только факторы, определяющие основу процесса повреждения, пренебрегая при этом нагрузкой  сети, заменяя распределенные емкости  фаз элементов сети относительно земли эквивалентными расчетными емкостями Coj, не учитываются активные и индуктивные сопротивления линий, а также междуфазные емкости присоединений. Указанные и допустимые ограничения, как показывает большинство исследований и практический опыт, не влияют на степень достоверности результатов экспериментов. В целях безопасности применяется трехфазная электрическая сеть переменного тока напряжения 220/127 В.