CC BY
459
Ограничение перенапряжений в сетях 6-35 кВ с помощью резистивного заземления нейтрали
С.М. Катасонов, д.э.н.;
В.И. Чиндяскин, к.т.н., Оренбургский ГАУ;
В.Ф. Кажаев, директор «Оренбургэнерго»
В современном промышленном мире любое отключение электроэнергии приводит к самым печальным и непредсказуемым последствиям [1]. В августе и сентябре 2003 г. аварии в электросетях потрясли почти все промышленные страны. В подавляющем большинстве причинами подобных неприятностей являются перенапряжения, в том числе, возникающие в случае однофазных замыканий на землю [2]. Как правило, экономический ущерб от таких ситуаций может достигать десятков и даже сотен тысяч рублей.
Способ заземления нейтрали в сетях 6—35 кВ 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).
В России, согласно п. 1.2.16 последней редакции ПУЭ [3], введенных в действие с 1 января 2003 г., «...работа электрических сетей напряжением 3—35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». Таким образом, сейчас в сетях 6—35 кВ в России разрешены к применению все принятые в мировой практике способы заземления нейтрали.
В сетях 6—35 кВ, работающих в режиме изолированной или резонанснозаземленной нейтрали, внутренние перенапряжения являются причиной значительного числа аварий. Наиболее частым видом опасных перенапряжений являются
перенапряжения при дуговых замыканиях (ОДЗ), возникающие в случае однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). Их доля среди всех видов аварий значительна (до 80%). Такие перенапряжения часто существуют в виде переходных процессов при перемежающейся дуге и опасны для электроустановок высокими кратностями перенапряжений ипер = 3—3,5иф, своей продолжительностью и широтой охвата сети, электрически связанной с местом повреждения.
Заземление нейтралей через дугогасящие реакторы компенсирует емкостные токи в месте замыкания и снижает в ряде случаев величины перенапряжений. Однако остается опасность возникновения больших кратностей перенапряжений при сочетании ОДЗ и неполнофазных режимов, возникающих при замедленной работе или отказе фаз выключателя и неточной настройке дугогасящего реактора. Используемая автоматическая настройка реактора в силу инерционности и имеющегося допуска в настройке не позволяет полностью устранить максимальные кратности возникающих перенапряжений.
Значительную долю нарушений составляют повреждения вследствие феррорезонансных перенапряжений. Наиболее часто отмечаются выходы из строя измерительных трансформаторов напряжения при длительных перемежающихся дуговых замыканиях на землю.
Вызывая относительно невысокие перенапряжения, они сопровождаются повышенными токами в обмотках, что приводит к термической неустойчивости и перегоранию обмоток.
Все применяемые способы ограничения перенапряжений основаны на использовании методов и средств, способствующих стеканию зарядов в землю, появляющихся в трехфазной сети, например, при дуговых замыканиях на землю и приводящих к появлению напряжения смещения нейтрали.
Использование ограничителей перенапряжения (ОПН), уровни срабатывания которых удается приблизить к величинам допустимых кратностей кратковременных перенапряжений, недостаточно. Такие уровни ограничения позволяют снизить коммутационные, но не устраняют фер-рорезонансные и дуговые перенапряжения, которые могут длительно существовать с величинами менее, чем 2,8иф. Длительные перенапряжения таких уровней опасны для ослабленной изоляции устаревших двигателей, обмоток трансформаторов напряжения и самих ОПН.
В настоящее время распределительные сети 3—35 кВ достаточно резервированы и подготовле-
ны как к более полной автоматизации, так и к переходу к работе с резистивно заземленными нейтралями.
В этом случае снижение дуговых перенапряжений достигается заземлением нейтрали сети через активное сопротивление. Исключается и повреждение трансформаторов напряжения. В зависимости от конструктивного исполнения и величины сопротивления возможно ограниченное и постоянное подключение резистора в режиме ОЗЗ.
В первом варианте резистор рассчитывается на ограниченную мощность, что допускает протекание токов ОЗЗ в течение короткого времени, не более 1—10 сек. За это время должно быть обеспечено срабатывание специальной селективной защиты, отключающей поврежденный фидер.
Во втором варианте резистор функционирует в длительном режиме до устранения аварии. Это позволяет демпфировать перенапряжения в течение времени существования ОЗЗ и обеспечить непрерывность электроснабжения.
Выбор схемы подключения и величины резистора является оптимизационной задачей.
Варианты заземления через резистор
При ОЗЗ в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. Это принципиальное отличие позволяет решить две важные задачи:
• селективно определить поврежденное присоединение (за счет применения простых релейных защит, действующих на отключение или сигнал) и незамедлительно принять меры по устранению повреждения;
• существенно ограничить уровень дуговых перенапряжений при ОЗЗ и исключить ферроре-зонансные процессы (при этом появляется возможность защиты оборудования ПС с помощью ОПН с более низким остающимся напряжением при коммутационном импульсе).
Применяются три варианта заземления нейтрали сетей 6—35 кВ через резистор: низкоомное, высокоомное и комбинированное.
Низкоомное резистивное заземление нейтрали применяется в случаях, когда ОЗЗ должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени. При этом ток в нейтрали должен быть достаточным для работы релейной защиты на отключение.
Высокоомное резистивное заземление нейтрали целесообразно применять в случаях, когда сеть должна иметь возможность длительной работы в режиме ОЗЗ до обнаружения места ОЗЗ. При этом ток в нейтрали должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных дуговых перенапряжений и снижение электробезопасности, но быть достаточным для определения поврежденного присоединения и работы релей-
ной защиты на сигнал. Комбинированное заземление нейтрали осуществляется путем присоединения высокоомного резистора параллельно ДГР и позволяет снижать уровень перенапряжений при неточной настройке ДГР, а также способствует работе на сигнал релейных защит.
Выбор типа резистора для заземления нейтрали производится по трем основным критериям:
1. Резистор должен обеспечивать снижение уровня дуговых перенапряжений.
2. Сопротивление резистора в нейтрали должно гарантировать протекание активного тока в поврежденном присоединении, достаточного для действия релейных защит на сигнал или на отключение поврежденного присоединения.
3. При заземлении нейтрали через резистор должны соблюдаться условия электробезопасности для людей при ОЗЗ на ПС и РП с учетом существующего нормирования величины допустимого напряжения прикосновения. Основной параметр резистора — его активное сопротивление Р, величина которого выбирается по критерию снижения уровня перенапряжений и затем может корректироваться по условиям работы релейной защиты и условию электробезопасности.
При технико-экономическом обосновании целесообразности резистивного заземления нейтрали сетей 6—35 кВ необходимо оценить 3 основных фактора:
1. Изменение параметров однофазного замыкания.
По сравнению с изолированной нейтралью при резистивном заземлении нейтрали в сетях 6-35 кВ:
• увеличивается ток ОЗЗ;
• снижается минимум в 1,5—2,0 раза уровень дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях;
• уменьшается с нескольких часов до нескольких секунд продолжительность воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений (при перемежающихся однофазных замыканиях) и линейного напряжения (при устойчивых замыканиях).
2. Повышение срока службы изоляции.
На основании ряда публикаций можно сделать вывод, что расход внутреннего ресурса изоляции при воздействии импульсов перенапряжений в сети 6—35 кВ при резистивном заземлении нейтрали не менее чем в 2 раза ниже, чем в сети с изолированной нейтралью. При этом исключена возможность феррорезонансных явлений, что повышает надежность работы измерительных трансформаторов напряжения и снижает не только простой сети из-за их повреждений, но и вероятность несрабатывания релейных защит при повреждениях элементов сети.
3. Электробезопасность.
Быстрое отключение линий при однофазных замыканиях на землю снижает степень опасно-
сти поражения электрическим током людей и животных, оказавшихся вблизи места ОЗЗ [4].
Резистивная система заземления нейтрали сетей 6—35 кВ обеспечивает снижение уровня дуговых перенапряжений, селективное обнаружение поврежденного присоединения, его быстрое отключение и улучшение условий электробезопасности.
Вариант подключения резистора величиной несколько кОм (1—3 кОм) предполагает постоянное присоединение резистора к нейтрали.
Параметры резистора рассчитываются по условию ограничения перенапряжений до заданной величины (обычно до уровня испытательного для вращающихся машин), ток замыкания на землю при этом практически не меняется. Резистор изготавливается на базе композиционного материала и рассчитан на время воздействия наибольшего фазного напряжения не менее 6 часов, что позволяет обходиться без устройств автоматики и защиты для его отключения.
і
а) б)
Рис. 1 - Подключение резисторов в схемах подстанций
В сетях 6—35 кВ распределительных подстанций часто отсутствует явно выведенная нейтраль. В этом случае возможны варианты подключения резисторов к нейтралям специальных трансформаторов малой мощности со схемой соединения обмоток Y/ (рис. 1-а) или фильтров нулевой последовательности ФМЗО (рис. 1-б).
Сравнительно низкая стоимость высокоомных резисторов (1—3 кОм), включаемых в нейтрали трансформаторов малой мощности либо специальных фильтров нулевой последовательности типа ФМЗО, ставят это мероприятие вне конкуренции с иными способами ограничения перенапряжений.
В настоящее время разработаны и серийно выпускаются резисторы типа РЗ для заземления нейтрали сетей 3—35 кВ. Резистор данного типа рассчитан на время воздействия наибольшего фазного напряжения до 6 часов, что позволяет обходиться без автоматики и защит для его отключения.
Изготовленный по нашим расчетам и установленный на подстанции «Россия» резистор типа РЗ-2000-17-10 (рис. 2) состоит из отдельных
Рис. 2
элементов, каждый из которых представляет собой резистивную пластину или несколько пластин, помещенных в кожух с диэлектрической теплопроводной прокладкой между кожухом и пластиной. Элементы соединяют последовательно, ориентируют вертикально и закрепляют на раме. Величина зазора определяется уровнем допустимого пробивного напряжения и теплоотводом.
Пластины изолированы от металлического корпуса изолирующими прокладками. Металлический герметичный корпус снабжен устройством для выравнивания давления внутри тела резистивного элемента.
Конструктивное выполнение резистора в виде набора вертикально ориентированных отдельных пластин создает хороший теплоотвод от пластин в воздух за счет естественной конвекции. Это дает возможность стационарной работы резистора в неполнофазном режиме. В соответствии с правилами эксплуатации электроустановок неполнофазный режим может продолжаться до 6 часов без отключения потребителей и резистора.
Выполнение резистора из набора отдельных пластинчатых элементов дает возможность легко и быстро подобрать необходимое количество составляющих элементов для обеспечения нужного сопротивления и мощности в сетях от 3 до 35 кВ.
Полученные в результате эксплуатации на подстанциях электросетей России данные показывают снижение повреждаемости электрооборудования на присоединениях секций шин с установленными резисторами, что подтверждает реальное ограничение кратности дуговых перенапряжений при подключении резистора. Ограничение кратности дуговых перенапряжений приводит к уменьшению числа перекрытий изоляции и снижению общего числа ОЗЗ, и, кроме того, снижение кратностей коммутационных перенапряжений на «здоровых» фазах в режиме ОЗЗ приводит также к уменьшению количества переходов ОЗЗ в двойные замыкания. Также в результате эксплуатации было выявлено, что введение вы-
сокоомного резистора в нейтраль повышает селективность определения аварийного фидера существующими вариантами защит. Это объясняется тем, что протекание даже незначительного активного тока в аварийном присоединении позволяет демпфировать высокочастотные переходные процессы при однофазном замыкании, которые являются основной причиной неселективной работы существующих защит.
На основании изложенного считаем необходимым и экономически целесообразным использовать для снижения уровня возникающих перенапряжений при замыканиях на землю в сетях 3—35 кВ постоянно включенные в нейтраль высокоомные активные резисторы, рассчитанные
на возможность длительной работы в режиме однофазного напряжения. Номинал резистора уточняется для конкретной схемы по условию заданного уровня ограничения перенапряжений.
Литература
1. Двадцать пять лет изучения энергосистем Франции: обзор работ национального энергетического управления. Л.: Энергия, 1997.
2. Евдокунин, Г.А. Анализ внутренних перенапряжений в сетях 6—10 кВ и обоснование необходимости перевода сетей в режим с резистивным заземлением нейтрали / Г.А. Евдокунин, С.С. Титенков // Режимы заземления нейтралей сетей 6—10 кВ: доклады научно-технической конференции. Новосибирск, 2000.
3. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп., 2001.
4. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений и токов.
