CC BY
86
УДК 621.311.1 ББК 31.279
А.А. КУЗЬМИН, А. БАЗАРРАГЧА
К ВОПРОСУ ВЫБОРА РЕЖИМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ В СЕТИ СРЕДНЕГО КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Ключевые слова: дугогасящие реакторы с подмагничиванием, система автоматической настройки катушки, однофазное замыкание на землю, гармоники в токе однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), расстройка компенсации, режим заземления нейтрали.
В статье приведен обзор работы, проведенной в городских центральных электрических сетях среднего класса напряжения, по вопросу выбора оптимального режима заземления нейтрали. В рамках проводимого исследования показана необходимость применения комплексного подхода к выбору режима заземления нейтрали, включающего проведение натурных экспериментов после проведения наладочных работ. Представлены результаты исследований и принятые в настоящий момент положения технической политики городских центральных электрических сетей г. Улан-Батор.
A. KUZMIN, A. BAZARRAGCHA SELECTING NEUTRAL GROUNDING IN MEDIUM-VOLTAGE NETWORK
OF URBAN POWER Key words: Peterson coils with magnetization, Automatic arc suppression coils, single-phase ground fault, single-phase ground fault current harmonics, detuning compensation, neutral grounding mode.
The paper provides an overview of the work carried out on selecting the optimum grounding in the central Ulan Bator city electric networks of medium voltage. The given research also proved the necessity of full-scale computational studies and careful calculations for selecting the optimum earthing. The paper presents the results of the studies and technical policy regulations currently adopted by the central Ulan Bator city electric networks.
В настоящее время проявляется серьезный интерес к вопросу выбора режима заземления нейтрали. В России и странах ближнего зарубежья отсутствуют нормативные документы, подробно описывающие алгоритм выбора режима заземления нейтрали. ОАО «Россети» в 2016 г. предполагает проведение работ в ранге НИОКР по созданию единых технических требований в части выбора режима заземления электрических распределительных сетей и оборудования для указанной цели.
Существует достаточно большой мировой опыт, посвященный влиянию режима заземления нейтрали сетей среднего класса напряжения на надежность электроснабжения [3]. В мировой практике применяется пять режимов заземления нейтрали: изолированный, компенсированный, резистивный, комбинированный, заземленный (непосредственно или через низкоомный резистор).
В связи с возросшим уровнем аварийности в последнее время остро встал вопрос выбора оптимального режима заземления нейтрали в сети среднего класса напряжения г. Улан-Батор предприятия «Городские электрические сети». Для принятия обоснованного технического решения проведена научно-исследовательская работа по выбору оптимального режима заземления нейтрали.
Каждый режим заземления нейтрали имеет свои достоинства и недостатки, подробно описанные в [1, 2]. В электрических сетях 6-35 кВ Монголии, впрочем, как и в ряде других стран мира, до настоящего времени широко используется система изолированной нейтрали и система заземления нейтрали
через дугогасящий реактор. Главным достоинством таких систем заземления нейтрали является то, что даже в режиме ОЗЗ без отключения поврежденного участка сети представляется возможным определенное время (до обнаружения и устранения повреждения) осуществлять электроснабжение потребителей. Однако это отмеченное преимущество всегда сопровождается негативными явлениями, основными из которых являются:
- значительные дуговые перенапряжения, которые способствуют увеличению вероятности перехода ОЗЗ в двухфазные и трехфазные замыкания, появлению многоместных повреждений для всей сети, питающейся от данной секции шин подстанции (доля таких однофазных дуговых замыканий на землю среди всех видов аварий весьма значительна - до 80%);
- феррорезонансные перенапряжения в цепи намагничивания измерительных трансформаторов, электродвигателей и другого оборудования;
- малые токи замыкания на землю в случае резонансной настройки ду-гогасящего реактора (ДГР) ОЗЗ, что исключает возможность создания простой, надежной и селективной защиты, способной выявить поврежденное присоединение;
- повышение опасности поражения людей и животных по причине длительного существования режима работы электрической сети в режиме ОЗЗ.
Именно наличие этих недостатков и послужило во многих странах мира причиной отказа от таких систем заземления нейтрали.
При замыкании на землю величина тока замыкания на землю определяет величины перенапряжений, которые воздействуют на изоляцию всей электрически связанной сети, и в конечном итоге режим нейтрали существенно влияет на исход «аварийного события». Основной задачей работы системы компенсации тока однофазного замыкания на землю является снижение тока через место повреждения до нуля (при строгой и точной настройке катушки в резонанс с емкостью сети). На практике через место замыкания протекает небольшой ток активных утечек, а также присутствуют высшие гармоники различной величины [6].
Длительный выход тока ДГР на режим требуемой компенсации увеличивают время существования значительной расстройки компенсации, что приводит к отсутствию положительных действий ДГР. Таким образом, должна осуществляться требуемая компенсация, близкая к резонансной, либо практически мгновенно, либо сразу после затухания апериодической составляющей тока ДГР.
Для проверки работоспособности системы заземления нейтрали проведены натурные исследования на предприятии «Городские электрические сети» в г. Улан-Батор. На рис. 1 представлена осциллограмма опыта однофазного замыкания на землю в сети 1 СШ 10 кВ ПС «Туул». Сеть 10 кВ ПС «Туул» работает в режиме компенсированной нейтрали, установлен ДГР типа WF-PXB-11/500. Составляющая тока замыкания на землю частотой 50 Гц, согласно натурным измерениям в сети с изолированной нейтралью, составляет 79,63 А. На осциллограмме ток WF-PXB - черный (СН5). При появлении однофазного замыкания на землю появляется существенная апериодическая составляющая, насыщенная третьей гармоникой (рис. 1, фрагмент 1). Как следует из рис. 1, время выхода катушки на установившийся режим компенсации составило 0,8 с. В процессе выхода тока компенсации на установившееся значение наблюдается значительное изменение уровней гармоник. График изменения пер-
вой и третьей гармоник во время опыта однофазного замыкания на землю в токе компенсации представлен на рис. 2 и 3, соответственно.
[250.0тэ/с1^]
250 мс/дел
_^ЛААА 11111 № ■ т шш
:
: :
1 2 3
Рис. 1. Осциллограммы фазных напряжений тока WF-PXB (черный канал) при ОЗЗ в сети 1 СШ 10 кВ ПС «Туул»
Опыт показывает, что настройка реактора WF-PXB в сети 10 кВ некорректна, величина остаточного тока через место замыкания в установившемся режиме составила 62,24 А. На рис. 1 (фрагмент 2) хорошо видно, что ток компенсации насыщен высшими гармониками. Гистограмма гармонического состава тока компенсации сети 1 СШ 10 кВ ПС «Туул» представлена на рис. 4. Остаточный ток гармонических искажений в токе ОЗЗ 11,14 А.
т50Гц _ 11 06 А
1 РУОМ - 11,06 А
т50Гц _ 62 24 А
т ОЗЗ, ост. - 62,24 А.
50
40
< 30
20
10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.2
1.4
Рис. 2. Характер изменения первой гармоники тока WF-PXB-11/500 в процессе ОЗЗ
15
10
0
0
0.2
0.4
1
1.2
1.4
0.6 0.8
г, с
Рис. 3. Характер изменения третьей гармоники тока WF-PXB-11/500 в процессе ОЗЗ
14
Рч
и
Й Я
К у
к
ч
т
12
10
I.
0
Номер гармоники
Рис. 4. Действующие значения величин гармоник тока компенсации в установившемся режиме работы WF-PXB-11/500 для сети 1 СШ 10 кВ ПС «Туул»
0
г. с
5
8
6
4
2
В результате натурных исследований был сделан вывод о неэффективной работе системы заземления нейтрали. Было принято решение о необходимости разработки дополнительных мер повышения надежности в части внедрения более совершенных алгоритмов управления дугогасящими устройствами на основе плавнорегулируемых ДГР [4, 5].
Кардинально решить проблемы дуговых перенапряжений и феррорезо-нансных явлений, сократить повреждения изоляции высоковольтного оборудования, обеспечить надежную селективную работу защиты от однофазных замыканий на землю можно переходом от режима изолированной нейтрали сети к резистивному либо комбинированному режиму заземления нейтрали.
В сетях 6-35 кВ для заземления нейтрали могут быть применены либо низкоомные, либо высокоомные резисторы. 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. Низкоомное резистивное заземление нейтрали характеризуется значительным снижением уровня перенапряжений в сети и возможностью организации простой и эффективной защиты от ОЗЗ.
Высокоомное резистивное заземление нейтрали либо комбинированное заземление нейтрали (при необходимости компенсации емкостного тока ОЗЗ согласно требованиям ПУЭ и ПТЭ - параллельное включение высокоомного резистора и ДГР) необходимо применять в случаях, когда сеть должна иметь возможность длительной работы в режиме ОЗЗ до обнаружения места ОЗЗ и устранения повреждения или имеются ограничения по величине тока в месте повреждения. При этом ток в нейтрали должен быть такой величины, чтобы исключить появление опасных негативных явлений, связанных с перенапряжениями и электробезопасностью, а также в большинстве случаев быть достаточным для определения поврежденного присоединения и работы релейной защиты на сигнал. Заземление нейтрали при использовании высокоомного резистора характеризуется снижением уровня перенапряжений в сети до допустимой величины, возможностью организации эффективной токовой защиты от ОЗЗ с действием на сигнал и возможностью продолжительной работы сети в режиме ОЗЗ.
Выводы. 1. Время выхода исследуемых систем заземления нейтрали на установившийся режим компенсации при ОЗЗ может составлять до 0,8 с и определяется характеристиками ДГР с подмагничиванием и системы автоматической настройки.
2. Реальная расстройка компенсации в сети с реактором может существенно превышать заявленную величину. Так, настройка реактора в исследованной сети 10 кВ оказалась весьма далека от резонансной.
3. Зафиксировано наличие явно выраженных в сигнале тока рассматриваемого реактора 3-й и 5-й гармоник. Измерения остаточного тока ОЗЗ в сети с включенным ДГР с подмагничиванием показали, что гармонический состав первого, а именно - наличие 3-й и 5-й гармоник - определяется главным образом влиянием дугогасящего реактора.
4. Для получения достоверной информации об эффективности работы системы заземления нейтрали необходимо проведение натурных измерений.
5. Принято решение о переводе сетей среднего класса напряжения предприятия «Городские центральные электрические сети» в г. Улан-Батор на низкоомное заземление нейтрали.
6. Необходима разработка внутреннего стандарта предприятия для выбора оптимального режима заземления нейтрали.
Литература
1. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 152 с.
3. Обабков В.К. Многокритериальность показателя эффективности функционирования сетей 6-35 кВ и проблема оптимизации режимов заземления нейтрали // Режимы заземления нейтрали сетей 3-6-10-35 кВ: доклады науч.-техн. конф. Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2000. С. 33-41.
4. Руководство по эксплуатации системы автоматической настройки компенсации САНК-4.2-УХЛ4/ ЮНИЯ.421.413.141Э. Тольятти, 2007.
5. Системы компенсации емкостных токов замыкания на землю с шкафами «ПРОЦИ-ОН» ШЭА 100Х. РЭ. Чебоксары, 2013. 16 с.
6. Ширковец А.И., Ильиных М.В. Методические подходы к осциллографированию процессов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях 6-35 кВ // Научные проблемы Сибири и Дальнего Востока. 2008. Спец. вып. № 1. С. 44-51.
References
1. Bazutkin V.V., Larionov V.P., Pintal' Yu.S. Tekhnika vysokikh napryazhenii. Izolyatsiya i perenapryazheniya v elektricheskikh sistemakh. 2-e izd. [High Voltage Engineering. Insulation and Surge in Electrical Systems. 2nd ed.] Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986.
2. Likhachev F.A. Zamykaniya na zemlyu v setyakh s izolirovannoi neitral'yu i s kompensatsiei emkostnykh tokov [Earth faults in networks with insulated neutral and compensation of capacitive currents]. Moscow, Energiya Publ., 1971, 152 p.
3. Obabkov V.K. Mnogokriterial'nost' pokazatelya effektivnosti funktsionirovaniya setei 6-35 kV i problema optimizatsii rezhimov zazemleniya neitrali [Multiobjective performance score of 6-35 kV network and the problem of optimization of neutral grounding modes]. Rezhimy zazemleniya neitrali setei 3-6-10-35 kV: doklady nauch.-tekhn. konf. Novosibirsk [Proc. of Sci. Conf. «Earthing networks 3-6-10-35 KW»]. Novosibirsk, 2000, pp. 33-41.
4. Rukovodstvo po ekspluatatsii sistemy avtomaticheskoi nastroiki kompensatsii SANK-4.2-UKhL4/YuNIYa.421.413.141E [Operation Manual for the System of Automatic Compensation Adjustment Sankey 4.2 UHL4 / YUNIYA.421.413.141E]. Togliatti, 2007.
5. Sistemy kompensatsii emkostnykh tokov zamykaniya na zemlyu s shkafami «PROTSION» ShEA 100Kh. RE [Systems of compensation of capacitive earth fault currents with «Procyon» ShEA 100Kh. RE cubicles]. Cheboksary, 2013, 16 p.
6. Shirkovets A.I., Il'inykh M.V. Metodicheskie podkhody k ostsillografirovaniyu protsessovpri odnofaznykh zamykaniyakh na zemlyu v elektricheskikh setyakh 6-35 kV [Methodological approaches to oscillography processes in single-phase earth faults in electric networks of 6-35 kV]. Nauchnye problemy Sibiri i Dal'nego Vostoka [Scientific problems of Siberia and the Far East.], 2008, special issue, no. 1, pp. 44-51.
КУЗЬМИН АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - аспирант кафедры техники и электрофизики высоких напряжений, Новосибирский государственный технический университет, Россия, Новосибирск ([email protected]).
KUZMIN ALEXEY - Post-Graduade Student, High Voltage Engineering and Electro-physics Department, Novosibirsk State Technical University.
БАЗАРРАГЧА АЛТАНДУУЛГА - начальник Департамента технической инспекции и инновационного развития, Улан-Баторская электросетевая компания, Монголия, Улан-Батор.
BAZARRAGCHA ALTANDUULGA - Head of Technical Policy & Innovation Department, UlaanBaatar Electricity Distribution Network Company, Mongolia, Ulaanbaatar.
