Режим работы нейтрали задаёт фундаментальные свойства работы сетей при их эксплуатации, к которым относятся:

• Бесперебойное питание потребителей в режиме однофазного замыкания на землю (далее – ОЗЗ);

• Величина тока замыкания и кратность переходных перенапряжений на неповрежденных фазах;

• Электробезопасность людей;

• Уровень необходимой изоляции оборудования;

• Вид применяемой релейной защиты и автоматики (далее – РЗА) и значения её уставок;

• Прогнозируемый уровень повреждений электрооборудования при возникновении режима ОЗЗ;

• Допустимые значения сопротивлений заземляющих устройств.

На сегодняшний день в мировой практике сети среднего напряжения работают на основе нескольких режимов заземления нейтрали:

Изолированная – нейтраль источника питания электрически не связана с землей впервые была предложена в 1891 году русским инженером М.О. Доливо-Добровольским. Её единственными достоинствами являются: возможность сохранить в работе фидер, на котором возник режим ОЗЗ (данный вид составляет приблизительно 77% от общего числа всех повреждений) [5], а также сравнительно малый IЗЗ при не очень больших значениях емкости сети по отношению к земле. Однако этот режим является достаточно устаревшим вариантом реализации работы нейтрали, в силу чего обладает определенными весомыми недостатками, которые часто перевешивают имеющиеся плюсы, а именно:

— В случае затяжной работы фидера с повреждением повышаются риски перехода ОЗЗ в междуфазное повреждение (до 70 % всех ОЗЗ), что для данной конфигурации сети является аварийным режимом из-за возникновения больших значений протекающих токов, требующих немедленного отключения фидера средствами РЗА и как следствие недопущения повреждения оборудования под действием термических и динамических свойств токов короткого замыкания (далее – КЗ).

— В отличии от сетей с глухо заземлённой и эффективно-заземленной нейтралью, изоляция электрооборудования должна быть рассчитана на длительную работу в установившемся режиме под напряжением в √3 больше Uфm т.е. Uлm, где Uфm – амплитудное фазное значение напряжения сети, Uлm – амплитудное линейное значение напряжения сети.

— При дуговых ОЗЗ с малым емкостным током (единицы – максимум десятки ампер), дуга имеет так называемые перемежающиеся свойства (обрывистый характер горения) и в момент переходного процесса возникают дуговые перенапряжения, значения которых по различным источникам в неповрежденных фазах может достигать при определенных условиях до 4,0 — 4.5 кратных значений от Uфm [6][7]. Данное явление обуславливается накоплением зарядов в емкостях фаз и невозможностью их разряда «стекания в землю» через нейтральную точку источника питания (синхронного генератора, силового трансформатора).

В результате чего в местах с ослабленной изоляцией (что обуславливается накоплением дефектов, эксплуатацией старых кабельных линий (далее – КЛ), загрязнением изоляторов, неблагоприятными погодными явлениями, производственным браком и т.д.) может произойти пробой. Стоит отметить, что данный вид перенапряжений охватывает всю гальванически (электрически) связанную сеть, в которой возник аварийный режим, этот факт существенно повышает риски перехода ОЗЗ в многофазное КЗ.

— При реализации данной конфигурации сети необходимо организовывать для оперативно-диспетчерского персонала постоянный контроль за состоянием изоляции каждой фазы относительно земли.

— Сложности построения селективной РЗА на простых токовых принципах.

— При достаточно большой емкости сети у дуговых ОЗЗ дуга носит стабильный характер горения, что оказывает на изоляцию сильное термическое действие, разрушающее её с последующим переходом в междуфазное КЗ, этот минус требует особого внимания по отношению к КЛ. Кроме того, дуга может вызвать перекрытие проводов воздушной линии (далее – ВЛ) из-за её растяжения электродинамическими усилиями.

— Вероятность появления феррорезонансных явлений в сети, когда емкость сети при определенных условиях может войти в резонанс с нелинейной индуктивностью измерительных трансформаторов напряжения (далее – ТН), что может повлечь за собой необратимые конструкционные повреждения некоторых их типов, таких как НТМИ -6(10), ЗНОЛ-6(10), ЗНОМ-35, по имеющимся данным [9] выход из строя ТН при возникновении феррорезонанса наступает в течении 3-10 минут.

— Достаточно длительное существование ОЗЗ сопровождается такими явлениями, как шаговое напряжение в месте пробоя [1], что безусловно повышает риски поражения электрическим током людей и животных, так как, в отличии от оперативного персонала предприятия, они не осведомлены о безопасных приемах техники безопасности (далее – ТБ) в зоне повреждений. Данному недостатку нужно уделять особое внимание, при повреждениях на ВЛ и КЛ проходящих вблизи густонаселенных местностей.

Резонансно-заземленная (компенсированная) – данный способ является частным случаем «изолированной нейтрали», единственным отличием является подключение к нейтральной точке сети (на электростанциях к началу обмоток синхронных генераторов, соединенных в звезду; на подстанции (ПС) через специально установленный для этого заземляющий трансформатор) дугогасительных реакторов (далее – ДГР) (рис.1).

Рис.1. Схема резонансно-заземленной нейтрали через ТЗ в сети 10кВ

Система электроснабжения стремительно и неизбежно развивается, появляются новые потребители электрической энергии, в связи с чем вводятся в работу новые мощности, следовательно, и новые распределительные сети (КЛ, ВЛ, подстанции (далее – ПС), по которым передаётся мощность до точки потребления.

Неизбежно начинает расти и емкость сети по отношению к земле, что прямо пропорционально увеличивает и ёмкостную составляющую IЗЗ. В связи с чем широкое применения нашли ДГР (катушка Петерсена). Значения токов замыкания на землю, при которых необходимо применение данного режима работы, чётко регламентируется Правилами устройства электроустановок (далее – ПУЭ), в которых сказано, что компенсация емкостной составляющей замыкания на землю должна применяться при значениях [2]:

— в сетях напряжением 3–20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на ВЛ электропередачи от 10А;

— во всех сетях напряжением 35 кВ – от 10А;

— в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях электропередачи:

• от 30А при напряжении до 6кВ;

• от 20А при напряжении 10кВ;

• от 15А при напряжении 15–20кВ;

• в схемах генераторного напряжения 6–20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5 А.

К достоинствам этой разновидности заземления можно отнести следующие факторы:

— Резонансная настройка ДГР положительно сказывается на кратностях перенапряжений, которые ограничиваются значениями до 2.5 Uфm, возникающие только в момент от переходного процесса до установившегося.

— При точной настройке, когда индуктивная составляющая, имеющая векторный сдвиг по отношению к емкостной на 180 о полностью её компенсирует – ток в месте замыкания условно не протекает, фактически он ограничивается лишь активной составляющей утечки в изоляции электрооборудования, т.к. в реальных условиях диэлектриков с бесконечным значением Rиз не существует, всегда имеется какое-то конечное значение. Следовательно, резкое снижение IЗЗ ликвидирует развитие дуги при пробое воздушных промежутков на ВЛ, а в КЛ существенно замедляет процесс разрушения изоляции кабеля, тем самым снижая риски перехода ОЗЗ в междуфазное.

— Повышается безопасность людей и животных от опасных значений шагового напряжения вблизи ОЗЗ [3].

На рис.2 [8] приведен пример ОЗЗ в сети 6 кВ с включенным в нейтраль ДГР при точной резонансной настройке. В котором отчётливо видно, что в отличии от изолированного режима имеется: только один пробой с последующим самопогашением, затухающий процесс снижения напряжения смещения нейтрали, а также невысокая кратность перенапряжений на неповрежденных фазах, которая в данном примере составила 2,22Uфm.

Рис.2. Пример осциллограмм в резонансно-заземленной сети 6кВ с ОЗЗ при точной настройке ДГР

Однако, несмотря на положительные свойства ДГР, присутствует и определенная «ложка дёгтя». Все выше рассмотренные качества имеют место только при настройке ДГР по отношению к сети в резонанс либо максимально близкой к нему в отношении некоторых факторов [10]. Как известно, емкость сети явление далеко не постоянное и её нельзя считать = const в каждый момент времени.

Для более четкого понимания данного факта сеть можно представить на схеме замещения в виде конденсатора (рис.3.), а его ёмкость будет зависеть от следующих параметров [11]:

1) напряжение, приложенное к конденсатору ;

2) диэлектрическая проницаемость диэлектрика ;

3) площадь обкладок ;

4) расстояние между обкладками.

В реальной системе первый пункт определяет номинальное напряжение сети; второй пункт диэлектрическая среда между цепочкой «фаза-фаза», «фаза-земля» это воздушный промежуток для ВЛ, материал оболочки и междуфазной изоляции для КЛ; третий определяет длина линий электропередач (далее – ЛЭП) и сечение токопроводящих жил; четвертый пункт характеризуется исполнением ЛЭП – КЛ, ВЛ, КВЛ.

Рис.3. Схема замещения сети среднего напряжения

Если факторами под пунктами 1, 2, 4 (для уже введенной в эксплуатацию системе электроснабжения) в принципе можно пренебречь, ввиду слабо оказываемого воздействия на емкость, т.к. напряжение сети, диэлектрическая проницаемость изоляционных сред – параметры с достаточно жёстко регламентированными значениями и изменяются в очень небольших диапазонах, не оказывающих существенного влияния, а исполнение ЛЭП не меняется в принципе, то с характеристиками пункта 3 все обстоит иначе.

Ни для кого не секрет, что в электроэнергетике существуют графики планово-предупредительных ремонтов (далее – ППР), которые требуют отключения оборудования для его обслуживания и восстановления эксплуатационных характеристик, также неизбежны аварийные отключения ЛЭП и разделения сети на части.

Под действием этих событий меняется и емкость сети, а, следовательно, и емкостной ток, причем только ступенчато. А, следовательно, оперативно-диспетчерскому персоналу необходимо регулярно следить за точностью настройки ДГР, что вызывает определенные трудности, т.к. с помощью ступенчатых ДГР практически невозможно в режиме реальной эксплуатации произвести полную компенсацию емкостного тока, а в результате свести на нет все положительные свойства данного режима. Плюс ко всему это накладывает эксплуатационные сложности – при каждом переключении анцапфы реактора необходимо отключать его от сети, что оставляет сеть на период оперативных переключений в чисто изолированном режиме работы.

Выходом из данной ситуации является внедрение плунжерных ДГР, индуктивность которых регулируется за счёт изменения воздушного зазора магнитопровода, с автоматизированной системой мониторинга реального емкостного тока и последующей настройкой под фактический режим. Причём характеристики реакторов должны соответствовать всему диапазону конфигурирования сетей.

Ещё одной существенной проблемой применения ДГР является несимметрия фазных емкостей, это связано с тем, что проводимость сети по отношению к земле сильно изменяется. При настройке в резонанс реактивная слагающая проводимостей очень незначительна, в результате может произойти сильное смещение нейтрали до 70 % [10], что в условиях нормальной эксплуатации недопустимо.

Явление несимметрии характерно для ВЛ из-за неодинакового расположения фаз относительно земли и может достигать порядка 3 % в сетях 6-10кВ и до 8 % в сетях 35кВ [13]. Для борьбы с данным явлением на практике применяют, как правило, два основных способа – транспозиция проводов и диссонансная настройка ДГР. В связи с тем, что добиться нулевой несимметрии в сетях с существенным преобладанием ВЛ очень трудновыполнимая задача, даже с реализацией транспозиции, применяют чаще всего второй метод.

Диссонанс ДГР имеет обратно пропорциональную зависимость с емкостной проводимостью – чем больше расстройка, тем меньше несимметрия. Опираясь на данный факт источник [12] допускает настройку ДГР +-5% с приоритетом в сторону перекомпенсации, для ликвидации данной проблемы. Однако считаю, что данная рекомендация является устаревшей и необоснованной, опираясь на более свежие исследования [14] при расстройке уже в 1-1,5 % ухудшаются переходные процессы при ОЗЗ, что существенно снижает положительные свойства резонансно-заземленного режима нейтрали.

Что касается организации работы релейной защиты в данном типе сетей, также возникают трудности. В режиме полной компенсации ток в месте замыкания не протекает, он ограничивается лишь активными утечками в изоляции, которые обладают очень незначительными значениями, которые не удаётся отследить РЗА, следовательно, организация защит на принципах, которые применяются в сети с чисто изолированным режимом малоэффективна.

Возможным путём решения данной проблемы является шунтирование ДГР высокоомным резистором (рис.4). Защита будет реагировать на ток нулевой последовательности, то есть на активную составляющую тока ОЗЗ, которая присутствует лишь в поврежденном присоединении и не зависит от режима работы ДГР, данное решение позволяет увеличить селективность РЗА.

Рис.4. Комбинирование заземление нейтрали ДГР+R через ТЗ в сети 10кВ

Резистивно-заземленная – данный вид основан на включении в нейтраль источника питания резистора, обладающего активным сопротивлением. Данный вид подразделяется на два подтипа – высокоомное и низкоомное заземление.

Высокоомный режим – характеризуется применением резисторов с большим активным сопротивлением. К основным достоинствам относятся:

• Сохранение работоспособности сети при возникновении ОЗЗ, как и в случае чисто изолированного режима.

• Снижение дуговых перенапряжений переходных процессов до достаточно безопасных значений для изоляции порядка 2.0-2.5 Uфm.[4] за счёт чисто активной составляющей омического сопротивления.

• Меньшие экономические затраты при производстве в отличии от ДГР.

• Селективная работа сигнализации за счёт наличия в месте замыкания активного тока.

К недостаткам можно отнести:

• Увеличение результирующего IЗЗ примерно на 40 %, для реализации положительных свойств резистора.

• Применение в сетях с небольшими емкостными токами, так как при большом значении, накладывающаяся активная составляющая, которая, как было сказано выше, приводит к еще большему росту итогового значения IЗЗ, в результате термическое действие дуги может привести к значительному увеличению масштабов повреждения.

• Низкоомный режим характеризуется использованием резисторов с низким активным сопротивлением.

К плюсам можно отнести:

• Еще лучшее снижение дуговых перенапряжений до значений порядка 1.5-2.0 Uфm [4].

• Конфигурирование РЗА на простых токовых принципах.

• Малое напряжение смещения нейтрали.

• Высокая селективность РЗА, что позволяет верно определять и отключать поврежденные участки.

К недостаткам относятся:

• Увеличение тока КЗ в месте замыкания.

• Невозможность сохранить работоспособность присоединения при возникновении ОЗЗ.

• Повышенные требования к резервированию питающих присоединений.

Рис.5. Резистивное заземление нейтрали через ТЗ в сети 10кВ

Далее рассмотрим реальную практику применения различных способов заземления нейтрали в сетях среднего уровня напряжений, на примере различных стран мира.

Таблица.1. Режимы заземления в сетях 3-69кВ различных стран мира [15]

В настоящее время в мире наработан значительный опыт по эксплуатации различных видов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения. Но, к сожалению, в решении вопроса выбора того или иного режима в России порой до сих пор опираются на морально устаревшие нормативно-технические документы. В то же время в Европе и США активно применяется практика проведения реальных испытаний в процессе эксплуатации сетей с проведением последующего математического анализа, результатом чего становится внесение корректировок в актуальные нормативные документы, касающиеся данной темы.

Однако, несмотря на некоторые тормозящие факторы, Россия имеет не сильное отставание от зарубежья. На сегодняшний день также проводятся активные исследования, и разрабатывается новая нормативно-техническая документация, но, к сожалению, это носит частный характер, в формате внутренних документов в дополнение к основным государственным, в таких организациях как АО «МРСК Волги», АО «Газпром». АО «Транснефть», «МРСК Сибири». [16]

Как видно из таблицы 1, чисто изолированный режим применяется на сегодняшний день только в двух странах – России и Финляндии. Однако в отличии от России, в Финляндии применение данного способа является скорее вынужденной мерой, так как удельное сопротивление грунта на её территории в 20-50 раз превышает среднеевропейские значения, и обеспечить чувствительность защит методом глухого или резистивного заземления не представляется возможным. Стоит отметить, что РЗА в этих сетях работает на отключение, а не на сигнал, т.е. основной задачей изолированной нейтрали в Финляндии является повышение чувствительности защит, а не повышение бесперебойности электроснабжения, как в России.

В нашем государстве режим изолированной нейтрали, согласно данным источника [15], используется в порядка 80 % сетей класса напряжения 6-35кВ, примерно 20 % реализованы на основе ДГР. Однако в большинстве стран, согласно таблице 1, применяется резистивный и чуть менее чаще резонансный режим. В силу всех описанных недостатков изолированной нейтральной точки, многие страны начали активно отказываться от применения данных методов еще в 50-ых годах прошлого века.

В России также применяется режим резистивного заземления, но его внедрение на смену устаревшим методам осуществляется крайне замедленно. Скорее всего в силу того, что в единой нормативно-технической базе России отсутствуют узконаправленные рекомендации для его реализации, в отличии от изолированного и компенсированного режима, относительно которых имеется наработанная база руководящих документов (далее – РД). В то время как для резистивного режима имеется всего две выдержки: в которых сказано [2] «работа электрических сетей напряжением 3–35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». [12] «В сетях собственных нужд 6 кВ блочных электростанций допускается режим работы с заземлением нейтрали сети через резистор».

Глухозаземленный режим, согласно российской нормативно-технической документации, запрещен. Однако он распространен в небольшом числе стран.

Кроме описанного выше опыта, также есть опыт применения комбинированного заземления через ДГР шунтированного резистором, который встречается на ЛЭП 20кВ в Германии, где ДГР гасит кратковременные пробои, а резистор включается в работу с помощью специального однофазного силового выключателя, только в случае если ОЗЗ имеет устойчивый характер для обеспечения селективного определения линии.

В заключение данной статьи можно сделать вывод, что из-за большого числа недостатков от изолированной нейтрали отказалось большинство стран мира. До сих пор самое большое число сетей среднего напряжения, эксплуатируемых с данным режимом, наблюдается только на территории России. На сегодняшний день стоит обратить внимание на наиболее перспективные режимы – резистивно-заземленные, которые позволяют нивелировать недостатки других типов заземления, а также дополнить их положительные свойства в случае комбинированного исполнения.

Считаю, что в настоящее время в нашей стране требуется уделить особое внимание внесению соответствующих корректировок в регламентирующие документы, на основе которых ведется проектирование вновь строящихся объектов электроэнергетики, более конкретизировано отразить рекомендации и требования к применению различных вариаций резисторов. Следующим этапом необходимо активно организовывать модернизацию уже эксплуатируемых объектов с целью снижения рисков повреждения оборудования, повышения надежности электроснабжения, а самое главное обеспечения должной электробезопасности персонала и простых граждан.

Литература

А.А. Филатов. Обслуживание электрических подстанций оперативным персоналом, М.: Энергоатомиздат, 1990-304 с.

Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 648 с.

Файбисович Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. – 4-е изд., М.: ЭНАС, 2012. – 376 с.

Лыков Ю.Ф. Режимы нейтрали, перенапряжения, пожарная и электробезопасность в электроустановках. Самара. СГТУ, 2014. 100 с.

Дударев Л.Е., Зубков В.В. Проблемы защиты от замыканий на землю в сети 6-35кВ// Электричество. – 1979. — №2. – с.8 – 12.

Назаров В.В. Защита электрических сетей от однофазных замыканий. К.: — Либiдь, 1992. – 124 с.

Джуварлы Ч.М. Вечхайзер Г.В. Защита от внутренних перенапряжений в сетях с изолированной и резонансно-заземленной нейтралью.В кн.: Проект руководящих указаний по защите от перенапряжений электрических сетей 6-750кВ. – Л.,1975. – вып.21-22. Гл.10.1. с. 139-154.

Базылев Б.И. и др. Дугогасящие реакторы с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю. Петербург, 1999. Зихерман М.Х., Левсковский А.И. Резонансные процессы в сетях 35кВ с трансформаторами напряжения// Электрические станции. – 1996. — №5. с. – 54-56.

Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. Издательство. М.: Энергия. 1974. 96 с.

Школа электрика. От чего зависит емкость конденсатора. 2019 [Электронный ресурс] URL: http://electricalschool.info/main/osnovy/2193-ot-chego-zavisit-emkost-kondensatora.html (дата обращения 18.03.2020)

Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Утв. приказом Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. № 229 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей/ М-во энергетики и электрификации СССР. — 14-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 288 с.

Виштибеев А.В. О необходимости перевода на резистивное заземление нейтрали. – Проблемы энергетики. №3 – 2002.

Петров О.А., Левковский. О допустимой расстройке компенсации в электрических сетях. 6-35кВ. // Электрические станции. 1992. №1.

Титенков С.С. Четыре режима заземления нейтрали // Новости электротехники. 2003. — №5(23).

Телегин А.В., Ширковец А.И. Проблематика замыканий на землю и режим заземления нейтрали в сетях среднего напряжения стран Европы и Америки.// Наука. Новосибирск. 10 с.