Введение. Заземление нейтралей высоковольтных сетей

Важнейшей задачей функционирования электроэнергетических систем и сетей является обеспечение ими высокой надежности электроснабжения потребителей электрической энергией. Одним из факторов, определяющих возможность решения этой задачи с наименьшими затратами, является правильный выбор режима заземления нейтралей сетей – нейтралей, установленных в них силовых трансформаторов, автотрансформаторов и генераторов, так как от этого главным образом зависит поведение сетей при наиболее часто происходящих авариях – замыканиях фаз на землю.

Причины возникновения замыканий фаз на землю в воздушных и кабельных сетях, генераторах, трансформаторах и др. весьма разнообразны. Они возникают вследствие электрических и механических повреждений изоляции; в результате развития дефектов в изоляторах и изоляционных конструкциях; при загрязнении и увлажнении изоляции; в результате обрывов проводов и тросов; разрывов токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещениях почвы; в результате частичных повреждений изоляции при монтаже и строительстве; при развитии частичных разрядов, резко изменяющих напряженность электрического поля на границах между элементами изолирующих конструкций; а также в результате воздействия грозовых и внутренних перенапряжений. В связи с этим способы и средства повышения надежности работы высоковольтных сетей в первую очередь должны быть направлены на поддержание определенных эксплуатационных уровней электрической прочности изоляции и на предотвращение условий для развития аварий, которые, например, могут способствовать переходу однофазных замыканий на землю в междуфазные короткие замыкания.

Замыкание одной из фаз на землю является преобладающим видом повреждений в сетях всех классов напряжений. В распределительных сетях 6 – 35 кВ эти повреждения составляют не менее 75 % общего числа повреждений. В сетях 110 и 220 кВ однофазные замыкания на землю составляют соответственно 80 и 90 %. В сетях высших классов напряжений (330 – 1150 кВ) повреждения междуфазной изоляции вообще исключительно редки.

Опасность замыкания одной из фаз на землю зависит, прежде всего, от степени воздействия на токоведущие, изоляционные и магнитопроводящие конструкции электрооборудования тепловыделения и ионизации, сопровождающих горение в месте замыкания электрической дуги, а также от возможных в этом режиме повышений напряжений в сети и величин возбуждаемых перенапряжений.

Заземляющие дуги могут быть разделены на две категории: дуги, свободно горячие в открытой атмосфере, - растягивающиеся дуги; и дуги, горящие в какой-либо изолирующей или полупроводящей закрытой среде, - нерастягивающиеся дуги.

К первой категории относятся дуги, возникающие в результате перекрытий нормальной, а также ослабленной изоляции электрооборудования или изоляционных расстояний при грозовых поражениях высоковольтных линий, в результате воздействия на электрооборудование коммутационных, резонансных или феррорезонансных перенапряжений, при набросах или механических повреждениях. Появление растягивающихся заземляющих дуг возможно также при обрывах токоведущих элементов электрических установок, когда дуги токов нагрузки обуславливают значительную ионизацию окружающего пространства.

Ко второй категории относятся главным образом дуги, возникающие при повреждениях непосредственно в кабельной изоляции, в концевых или соединительных кабельных муфтах, в изоляции машин и трансформаторов, в дугогасительных камерах выключателей, отключающих замыкания на землю, а также в щелевых дефектах вводов и изоляторов.

В зависимости от режима нейтрали в высоковольтных сетях применяются два способа гашения заземляющих дуг. Один из них рассчитан на немедленное отключение места повреждения или на его отключение и, затем, после восстановления диэлектрических свойств изоляции за время бестоковой паузы, повторное включение (АПВ). Второй – на ограничение протекающего через место замыкания тока на землю, обеспечивающее самопогасание заземляющей дуги или ее безопасное горение. Эффективность указанных средств дугогашения для питающих (110 кВ и выше) и распределительных сетей (3 – 35 кВ) не одинакова.

Сети 110 – 1150 кВ согласно Правил устройства электроустановок (ПЭУ) работают с эффективно заземленной нейтралью: “глухое” заземление всех нейтралей автотрансформаторов и всех или части нейтралей силовых трансформаторов. Иногда нейтрали трансформаторов этих сетей могут быть заземлены через сравнительно малые индуктивные сопротивления. Количество заземленных нейтралей и величины сопротивлений, через которые они могут быть заземлены в этих сетях должны быть такими, чтобы при возникновении в любой точке сети однофазного или двухфазного коротких замыканий на землю отношение наибольшего фазного напряжения частоты 50 Гц на “здоровых” фазах в точке замыкания к фазным напряжениям на этих же фазах в этой же точке, появляющимся после устранения замыкания (коэффициент несимметрии ) не превышало 1.4. С другой стороны число заземленных нейтралей в этих сетях должно быть таким, чтобы величины токов при однофазных и двухфазных коротких замыканий на землю в них по возможности не превышали величин токов трехфазного к.з. (, ).

Ограничение напряжения несимметрии на здоровых фазах при замыканиях на землю в сетях с эффективно заземленной нейтралью позволяет создать в этих сетях более благоприятные условия для работы нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и вентильных разрядников и обеспечить лучшие (более эффективные) их защитные характеристики. Соответственно уровень электрической прочности изоляции электрооборудования в этих сетях, скоординированный с лучшими характеристиками ОПН и разрядников, может быть ниже, чем в сетях с изолированной нейтралью.

Однако в сетях с эффективно заземленной нейтралью замыкание одной из фаз на землю приводит к возникновению в месте повреждения однофазного короткого замыкания, сопровождающегося протеканием как в точке замыкания, так и по элементам сети больших токов, обуславливающих необходимость в немедленном отключении поврежденного участка, так как, в этих сетях где изоляционные расстояния достаточно велики, такое отключение, как правило, позволяет исключить переход однофазного в двух – или трехфазное короткое замыкание и обеспечить минимум повреждений электрооборудования, а также в большинстве случаев дает возможность после паузы, необходимой для деионизации канала дуги, осуществить АПВ поврежденного участка и восстановить нормальное электроснабжение потребителей.

Для оборудования и сооружений распределительных сетей 6 – 35 кВ характерны меньшие междуфазные расстояния (кабели, комплектные распределительные устройства, генераторы, двигатели, реакторы и т.п.). Воздействие на них токов короткого замыкания и мощных электрических дуг особенно опасно. Грозозащита этих сетей менее надежна. Внутренние перенапряжения более вероятны и разнообразны. Распределительные сети в большей степени, чем питающие, подвержены механическим повреждениям. Уровень эксплуатации их значительно ниже и поэтому замыкания одной из фаз на землю в этих сетях более часты, чем в сетях 110 – 1150 кВ. Вследствие этого для этих сетей ПЭУ предусматривает режим работы с изолированной нейтралью: нейтрали силовых трансформаторов и генераторов в этих сетях не должны присоединяться к заземляющим устройствам непосредственно. Они могут быть присоединены к последним только через устройства, имеющие большое сопротивление – приборы сигнализации, измерения, защиты, дугогасящие реакторы (резонансно заземленная нейтраль), высокоомные резисторы (резистивно заземленная нейтраль) и др.

В сетях с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не приводит к возникновению короткого замыкания и в большинстве случаев не требует отключения поврежденного участка. В этих сетях ток однофазного замыкания на землю определяется рабочим напряжением сети и емкостными проводимостями на землю всех ее элементов, электрически связанных с точкой замыкания. Чаще всего этот ток имеет небольшую величину и мало влияет на рабочие токи в токоведущих частях. Это дает возможность сохранять режим работы сети с однофазным замыканием на землю в течение нескольких часов. При этом оперативно или с использованием автоматики можно решать вопрос о поиске места замыкания и его устранении или о переводе потребителей электроэнергии аварийного участка на резервное питание.

В ряде случаев дуги малых емкостных токов однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью горят неустойчиво и способны к сомопогасанию, что может способствовать самовосстановлению нормальной работы этих сетей в таких режимах.

Однако, когда емкостные токи однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью сравнительно велики (десятки, сотни ампер), дуги замыканий могут гореть устойчиво длительное время, воздействуя на изоляцию, токоведущие и магнитопроводящие элементы сетей. Это создает условия для развития аварий – перехода однофазных замыканий на землю в двух – или трехфазные короткие замыкания. Предотвращение последствий длительного горения дуг емкостных токов может быть осуществлено переходом к режиму работы сетей с резонансно заземленной нейтралью. В этом случае включенное в нейтраль силового трансформатора или генератора высокоомное индуктивное сопротивление создает путь для протекания через точку замыкания фазы на землю также индуктивной составляющей тока. Накладываясь на емкостную составляющую, обусловленную проводимостями сети, индуктивная составляющая снижает суммарное значение тока замыкания и уменьшает его разрушающее воздействие, в том числе, создавая условия для самопогасания заземляющей дуги.

Таким образом, сети с изолированной и с резонансно заземленной нейтралью обеспечивают повышенную надежность электроснабжения потребителей без применения дополнительных средств автоматизации, локализующих поврежденный участок, но их работа сопряжена и с определенными недостатками. Электрооборудование, применяемое в этих сетях должно иметь более высокую электрическую прочность изоляции, так как рассчетный коэффициент несимметрии для них принимается равным 1,73. В этих сетях возможны более высокие кратности внутренних перенапряжений. ОПН и разрядники, разработанные для этих сетей в соответствии с , имеют худшие защитные характеристики, чем в сетях с эффективно заземленной нейтралью. Кроме того, в сетях с резонансно заземленной нейтралью значительную трудность представляет выявление и селективное отключение участка с замыканием одной фазы на землю.

2 Режим напряжений в сети с изолированной нейтралью

Как уже отмечалось, под сетью с изолированной нейтралью (рис.1) понимают сеть, все нейтрали силовых трансформаторов, генераторов, синхронных компенсаторов и двигателей в которой не имеют заземлений или заземлены через высокоомные сопротивления. При пофазной симметрии параметров элементов такой сети эта сеть ничем не отличается от сети с заземленной нейтралью, т.е. токи и напряжения ее фаз равны по модулю и сдвинуты на , а напряжение в нейтрали равно нулю. Действительно, пренебрегая малыми сопротивлениями питающего эквивалентного источника (в том числе силового трансформатора) и продольными сопротивлениями линий электропередачи по сравнению с проводимостями фаз сети на землю (рис.1) в соответствии со вторым законом Кирхгофа получим:

(1)

где , , - уравновешенная симметричная система фазных ЭДС эквивалентного источника питания (трансформатора); напряжения фаз сети; напряжение в нейтрали сети.

Рис.1. Сеть с изолированной нейтралью

Дополним уравнения (1) уравнением первого закона Кирхгофа для токов проводимостей на землю:

(2)

или

, (3)

где проводимости фаз сети на землю, в общем случае имеющие как активную , так и емкостную составляющие:

Будем считать, что представляют собой некоторые эквиваленты, отражающие потери в сети за счет утечки по изоляции, а также в активных сопротивлениях проводов трансформаторов и др.

Решая (1) и (3) совместно, определим в следующем виде:

. (4)

Выражения (1) и (4) полностью характеризуют режим напряжений в сети с изолированной нейтралью. Если , то в соответствии с (4) и сеть работает в симметричном режиме: и (рис.2, а). Если же в сети с изолированной нейтралью возникает пофазная несимметрия параметров (), то согласно (4), в ее нейтрали появляется напряжение несиммерии (напряжение “смещения нейтрали”), и фазные напряжения в общем случае оказываются неравными по величине (рис.2, б).

Рис.2. Режим напряжений в сети с изолированной нейтралью:

а) при ; б) при

В кабельных сетях фазные проводимости на землю практически одинаковы, поэтому искажений фазных напряжений в них можно ожидать лишь в связи с аварийными несимметричными режимами, связанными с неполнофазной работой выключателей, обрывом присоединений или несимметричными замыканиями как между фазами, так и на землю. В воздушных сетях, где ввиду специфичности подвески проводов фаз на опорах различных конструкций могут быть не равны емкостные проводимости фаз на землю () или при различной величине токов утечки фаз по изоляции, вызванной неодинаковой степенью ее загрязненности, могут быть не равны активные проводимости фаз (), может быть не равно нулю и в нормальных режимах, т.е. в сети может длительно существовать несимметрия фазных напряжений.

Длительно существующее напряжение несимметрии в нейтрали сети принято характеризовать относительной величиной – степенью относительной несимметрии сети:

, (5)

где фазное напряжение сети в симметричном режиме, когда и ; и относительные составляющие степени несимметрии сети соответственно по емкостным и активным проводимостям:

; (6)

; (7)

коэффициент, получивший название коэффициента демпфирования (успокоения) свободных процессов в сети:

; (8)

рад/с – круговая промышленная частота.

Для воздушных сетей с нормальным состоянием изоляции коэффициент демпфирования , выраженный в процентах, равен . При загрязнениях и увлажнениях изоляции этих сетей их коэффициент демпфирования может увеличиться до 10 %. Для кабельных сетей . Однако, при наличии в сети кабелей с состарившейся изоляцией величина может достигать 6 %.

Степень относительной несимметрии (5) главным образом зависит от несимметрии емкостных проводимостей сетей на землю. Например, в нормально работающих воздушных сетях она в основном обусловлена несимметричным расположением проводов на опорах линий электропередачи и может находится в пределах от 0,5 до 5 %. При неравномерном распределении по фазам конденсаторов высокочастотной связи, а также при неравенстве по фазам емкостей конденсаторов, устанавливаемых для защиты вращающихся машин от грозовых перенапряжений, она может иметь и большие значения. Тем не менее, во всех этих случаях, возникающая в воздушных сетях несимметрия фазных напряжений не представляет опасности для их изоляции.

В нормально работающих кабельных сетях степень относительной несимметрии практически равна нулю.

Следует отметить, что вектор напряжения несимметрии (рис.2, б) направлен в сторону фаз с увеличенными проводимостями фаз на землю. Поэтому по нему можно оценить, какие емкостные проводимости сети должны быть увеличены или уменьшены при перефазировке отдельных линий или перераспределении конденсаторов высокочастотной связи для того, чтобы снизить ее степень относительной несимметрии.

Как видно из анализа (1) и сравнения диаграмм рис.2, а и 2, б, наличие в сети с изолированной нейтралью напряжения несимметрии не изменяеттреугольник ее междуфазных напряжений.