СЕТИ 6-35 кВ: режимы заземления нейтрали

Все способы и средства повышения надёжности работы высоковольтных сетей направлены на предотвращение электро- и пожароопасных ситуаций, вызванных однофазными замыканиями на землю.

Эксплуатационные качества электрических сетей, способы локализации аварийных повреждений и условия бесперебойного электроснабжения потребителей в значительной мере определяются режимом заземления нейтрали. Это обусловлено тем, что не менее 75 % всех аварийных повреждений в электрических сетях 6-35 кВ связаны с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ).

Все способы и средства повышения надёжности работы высоковольтных сетей направлены на предотвращение электро- и пожароопасных ситуаций, вызванных однофазными замыканиями на землю.

Эксплуатационные качества электрических сетей, способы локализации аварийных повреждений и условия бесперебойного электроснабжения потребителей в значительной мере определяются режимом заземления нейтрали. Это обусловлено тем, что не менее 75 % всех аварийных повреждений в электрических сетях 6-35 кВ связаны с однофазными замыканиями на землю (ОЗЗ).

Причины возникновения ОЗЗ в воздушных и кабельных сетях весьма многообразны. Это электрические и механические разрушения изоляции, дефекты в изоляторах и изоляционных конструкциях, их увлажнение и загрязнение, обрыв проводов и тросов, разрывы токоведущих частей и фаз кабелей в соединительных муфтах при смещениях почвы, частичные повреждения изоляции при строительных и монтажных работах, воздействие грозовых и внутренних перенапряжений.

Замыкание фазы на землю в сетях такого напряжения могут привести к следующим неприятным последствиям.

В сети появляются перенапряжения порядка 2,4 – 3,5 кратных по сравнению с фазным, что может привести к пробою изоляции неповреждённых фаз и переходу ОЗЗ в «двухместное» или двойное замыканий на землю по своим характеристикам близкое к двухфазным коротким замыканиям (КЗ). Риск возникновения таких двойных замыканий заметно вырос в последнее время в связи со старением изоляции электрических машин и аппаратов многих энергетических объектов и отсутствием средств на их модернизацию и замену.

Возможны явления феррорезонанса, от которых в рассматриваемых сетях чаще всего выходят из строя трансформаторы напряжения. Иногда повреждаются и слабо нагруженные силовые трансформаторы, работающие в режиме, близком к холостому ходу.

На воздушных ЛЭП ОЗЗ часто происходит при обрыве провода и падению его на землю. При этом возникает опасность поражения людей и животных электрическим током. Особенно велика такая опасность, если ЛЭП проходит по густонаселённым районам, например, по городу. Такие случаи известны на Российском Севере.

Пробои изоляции статорной обмотки двигателей на металл статора часто происходят через дугу и могут привести к значительным повреждениям не только самой обмотки, но и железа статора (вызвать «пожар железа»). «Пережог» изоляции приводит к появлению опасных витковых или междуфазных коротких замыканий. Неоднократно отмечалось, что «вторичные» пробои изоляции, возникающие после появления в сети 3-10 кВ ОЗЗ происходят именно на двигателях поскольку качество их изоляции обычно уступает качеству изоляции ЛЭП и другого оборудования.

Как известно, характер процессов, протекающих в сети при ОЗЗ, в большой степени зависит от режима заземления нейтрали. В настоящее время в России используются три способа заземления нейтрали в рассматриваемых сетях: изолированная, компенсированная и резистивно-заземлённая, начинает применяться и четвёртый – с резистором и дугогасящим реактором в нейтрали.

Из практики известно, что эксплуатируемые в российских сетях с изолированной и компенсированной нейтралью защиты далеки от совершенства. Требуется разработка новых, более совершенных защит от ОЗЗ.

Введение резистивного заземления нейтрали сети снижает уровень перенапряжений, исключает явления феррорезонанса и даёт хорошие предпосылки для построения эффективной релейной защиты от ОЗЗ. Эта защита может действовать на отключение повреждённой линии или на сигнал, если такое неожиданное отключение невозможно или нежелательно.

Эффективная защита от ОЗЗ позволяет снизить опасное влияние на аппаратуру сетей 6-35 кВ тех воздействий,
которые возникают при ОЗЗ. Это, в свою очередь, повысит надёжность работы двигателей, кабелей и других элементов сети и позволит продлить срок их эксплуатации. Повышается также безопасность для людей и животных, которые могут оказаться в зоне падения провода воздушной ЛЭП.

Концепция защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в сети с резистивным заземлением нейтрали (РЗН) базируется, главным образом, на отключении поврежденного присоединения релейной защитой (РЗ). Это означает, что ОЗЗ приравнивается к короткому замыканию (КЗ), требующего, как известно, немедленного отключения. И это не смотря на то, что замена глухозаземленной нейтрали на изолированную тем и мотивируется, чтобы не отключать поврежденное или повреждаемое присоединение.

Преимущества резистивного заземления нейтрали по сравнению с изолированной нейтралью сводятся к следующим положительным моментам.

1. Обеспечивается или повышается при исправной работе РЗ от ОЗЗ надежность ее срабатывания при замыканиях на элементах изоляции собственно сети.
2. Снижаются перенапряжения со стороны питающего трансформатора.
3. Обеспечивается защита от феррорезонанса трансформаторов напряжений.
4. Возникает возможность компенсации токов ОЗЗ в пределах четверть периода напряжения поврежденной фазы при определенных значениях высокоомного резистора и емкости С сети и связанная с ней возможность самоликвидации ОЗЗ.

К основным недостаткам относятся:

1. усиление аварийного состояния сети при несрабатывании РЗ от ОЗЗ при замыканиях на элементах нагрузки (двигателей, трансформаторов и т.п.);
2. необходимость контроля исправности РЗ от ОЗЗ;
3. увеличение времени деионизации места дуги при токах ОЗЗ, существенно больших, чем при естественном токе сети, и, как следствие, к снижению процента самоликвидирующих замыканий без отключения присоединения ОЗЗ;
4. большие перенапряжения в присоединениях со стороны нагрузки, не снижаемых резистором в нейтрали при разумных величинах сопротивлений.

В качестве общих рекомендаций для выбора той или иной сети можно указать следующее:

1. Сети ТN-C и ТN-C-S не следует использовать из-за низкого уровня электро- и пожаробезопасности, а также возможности значительных электромагнитных возмущений.
2. Сети TN-S рекомендуются для статичных (не подверженных изменениям) установок, когда сеть проектируется «раз и навсегда».
3. Сети ТТ следует использовать для временных, расширяемых и изменяемых электроустановок.
4. Сети IT следует использовать в тех случаях, когда бесперебойность электроснабжения является крайне необходимой.