Новини електротехніки №5 (23) - 4 режими заземлення нейтралі в мережах 6-35 кв

4 режиму заземлення нейтралі в мережах 6-35 кВ. Ізольовану нейтраль оголосимо поза законом

ізольована нейтраль
Режим ізольованою нейтралі досить широко застосовується вУкаіни. При цьому способі заземлення нейтральна точка джерела (генератора або трансформатора) не приєдналася до контуру заземлення. У розподільних мережах 6-10 кВУкаіни обмотки живлять трансформаторів, як правило, з'єднуються в трикутник (рис. 1), тому нейтральна точка фізично відсутній.
ПУЕ обмежує застосування режиму ізольованою нейтралі в залежності від струму однофазного замикання на землю мережі (ємнісного струму). Компенсація струму однофазного замикання на землю (використання дугогасильних реакторів) повинна передбачатися при ємнісних струмах:

• більше 30 А при напрузі 3-6 кВ;
• більше 20 А при напрузі 10 кВ;
• більше 15 А при напрузі 15-20 кВ;
• більше 10 А в мережах напругою 3-20 кВ, що мають залізобетонні і металеві опори на повітряних лініях електропередачі, і у всіх мережах напругою 35 кВ;
• більше 5 А в схемах генераторної напруги 6-20 кВ блоків «генератор-трансформатор».

Замість компенсації струму замикання на землю може застосовуватися заземлення нейтрали через резистор (резистивное) з відповідною зміною логіки дії релейного захисту.
Історично режим ізольованою нейтралі був першим режимом заземлення нейтрали, що використовувалися в електроустановках середньої напруги. Його перевагами є:

• відсутність необхідності в негайному відключенні першого однофазного замикання на землю;
• малий струм в місці пошкодження (при малій ємності мережі на землю).
• Недоліками цього режиму заземлення нейтралі є:
• можливість виникнення дугових перенапруг при переміжному характер дуги з малим струмом (одиниці-десятки ампер) в місці однофазного замикання на землю;
• можливість виникнення багатомісних ушкоджень (вихід з ладу кількох електродвигунів, кабелів) через пробоїв ізоляції на інших приєднаннях, пов'язаних з дуговими перенапруженнями;
• можливість тривалого впливу на ізоляцію дугових перенапруг, що веде до накопичення в ній дефектів і зниження терміну служби;
• необхідність виконання ізоляції електрообладнання відносно землі на лінійну напругу;
• складність виявлення місця пошкодження;
• небезпека електропоразки персоналу і сторонніх осіб при тривалому існуванні замикання на землю в мережі;
• складність забезпечення належного функціонування релейних захистів від однофазних замикань, так як реальний струм замикання на землю залежить від режиму роботи мережі (числа включених приєднань).

Крім того, значне число пошкоджень трансформаторів напруги типу НТМИ-6 (10), ЗНОЛ-6 (10), ЗНОМ-35 в вітчизняних мережах 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю при однофазних замиканнях на землю також пов'язано зі станом нейтрали мереж середньої напруги.
Недоліки режиму роботи з ізольованою нейтраллю вельми істотні, а таке гідність, як відсутність необхідності відключення першого замикання, досить спірно. Так, завжди є ймовірність виникнення другого замикання на іншому приєднання через перенапруг і відключення відразу двох кабелів, електродвигунів або повітряних ліній. Такий розвиток подій в експлуатації не так рідко, як здається на перший погляд. Саме з цієї причини в багатьох країнах, таких, як США, Канада, Англія, Австралія, Бельгія, Португалія, Франція та інші, відмова від режиму ізольованою нейтралі стався ще в 40-50-х роках минулого століття. Як видно з табл. 1, в даний час з промислово розвинених країн режим ізольованою нейтралі застосовують тільки Італія, Японія та Фінляндія. Причому в Італії зараз розглядається можливість переходу до роботи з заземленням через дугогасящий реактор, а в Японії - з заземленням через резистор.
ВУкаіни до останнього часу режим ізольованою нейтралі був закріплений в ПУЕ. Саме цим пояснюється цей стан справ, коли навіть в мережах з високовольтними електродвигунами, де захист від однофазних замикань виконана з дією на відключення без витримки часу, застосовується режим ізольованою нейтралі. Нейтраль, заземлена через дугогасящий реактор
Вона також досить часто застосовується вУкаіни. Цей спосіб заземлення нейтралі, як правило, знаходить застосування в розгалужених кабельних мережах промислових підприємств і міст. При цьому способі нейтральну точку мережі отримують, використовуючи спеціальний трансформатор (рис.2).
З точки зору історичної послідовності виникнення цей спосіб заземлення нейтралі є другим. Він був запропонований німецьким інженером Петерсеном в 20-х роках минулого століття (в європейських країнах дугогасильні реактори називають по імені винахідника «Petersen coil» - котушка Петерсена).
Перевагами цього методу заземлення нейтрали є:

• відсутність необхідності в негайному відключенні першого однофазного замикання на землю;
• малий струм в місці пошкодження (при точної компенсації - налаштування дугогасного реактора в резонанс);
• можливість самоліквідації однофазного замикання, що виник на повітряній лінії або ошиновке (при точної компенсації - налаштування дугогасного реактора в резонанс);
• виняток ферорезонансним процесів, пов'язаних з насиченням трансформаторів напруги та неповнофазного включеннями силових трансформаторів.

Недоліками цього режиму заземлення нейтралі є:

• виникнення дугових перенапруг при значній розладі компенсації;
• можливість виникнення багатомісних ушкоджень при тривалому існуванні дугового замикання в мережі;
• можливість переходу однофазного замикання в двофазне при значній розладі компенсації;
• можливість значних зсувів нейтралі при недокомпенсації і виникненні неповнофазних режимів;
• можливість значних зсувів нейтралі при резонансної налаштування в повітряних мережах;
• складність виявлення місця пошкодження;
• небезпека електропоразки персоналу і сторонніх осіб при тривалому існуванні замикання на землю в мережі;
• складність забезпечення належного функціонування релейних захистів від однофазних замикань, так як струм пошкодженого приєднання дуже незначний.

ВУкаіни режим заземлення нейтралі через дугогасящий реактор застосовується в основному в розгалужених кабельних мережах з великими ємнісними струмами. Кабельна ізоляція на відміну від повітряної не є самовідновлювальні. Тобто, один раз виникнувши, пошкодження не усунеться, навіть незважаючи на практично повну компенсацію (відсутність) струму в місці пошкодження. Відповідно для кабельних мереж самоліквідація однофазних замикань як позитивну властивість режиму заземлення нейтралі через дугогасящий реактор не існує.
При дуговому характер однофазного замикання шпаруватість впливу перенапруг на ізоляцію мережі нижче, ніж при ізольованій нейтралі, а й тут існує можливість виникнення багатомісних ушкоджень. В останні десятиліття мережі 6-10 кВ розрослися, а потужність компенсуючих пристроїв на підстанціях залишилася тією ж, відповідно значна частка мереж середньої напруги зараз працює з істотною недокомпенсацією. Це веде до зникнення всіх позитивних властивостей мереж з компенсованою нейтраллю. Відзначимо додатково, що дугогасящий реактор компенсує тільки складову промислової частоти струму однофазного замикання. При наявності в мережі джерел вищих гармонік останні можуть міститися в струмі замикання і в деяких випадках навіть посилюватися.
Застосування режиму з нейтраллю, заземленою через дугогасящий реактор, в таких країнах, як Фінляндія, Швеція, відрізняється від українського. У цих країнах він застосовується в мережах з повітряними лініями, де його застосування найбільш ефективно. Крім того, в цих країнах існує значний опір грунту, що складається в основному з скельних порід, і режим заземлення нейтралі через дугогасящий реактор дозволяє виявляти однофазні замикання через значні перехідні опори 3-5 кОм. Застосування режиму заземлення нейтралі через дугогасящий реактор в таких країнах, як Німеччина, Австрія, Швейцарія, носить в деякій мірі традиційний характер (вище вже говорилося онемецком інженера - винахідника цього способу). Проте і в цих країнах цей режим заземлення нейтралі застосовується в основному в мережах з повітряними лініями. У мережах середньої напруги зарубіжних промислових підприємств використовується резистивне заземлення нейтрали.

Нейтраль, заземлена через резистор (високоомний або низькоомний)
Цей режим заземлення використовується вУкаіни дуже рідко, тільки в деяких мережах власних потреб блочних електростанцій і мережах газоперекачувальних компресорних станцій. У той же час, якщо оцінювати світову практику, то резистивне заземлення нейтрали - це найбільш широко застосовуваний спосіб (див. Табл. 1).

Таблиця 1. Способи заземлення нейтрали в країнах світу

Спосіб заземлення нейтралі

Через дугогасящий реактор

Мал. 1. Схема двохтрансформаторної підстанції з ізольованою нейтраллю.

Мал. 2. Схема двохтрансформаторної підстанції з нейтраллю, заземленою через дугогасящий реактор.

Мал. 3. Схема двохтрансформаторної підстанції з нейтраллю, заземленою через резистор.

Мал. 4. Варіанти включення резистора в нейтраль мережі 6-10 кВ.

Мал. 5 *. Північноамериканський трансформатор споживача.

Відсутність дугових перенапруг при однофазних замиканнях і можливість організації селективної релейного захисту є незаперечними перевагами режиму резистивного заземлення нейтрали. Саме ці переваги сприяли значному поширенню такого режиму заземлення нейтрали в різних країнах.

глухозаземленою нейтраллю
Як вже було сказано, в вітчизняних мережах 6-35 кВ не використовується. Цей режим заземлення нейтралі широко поширений в США, Канаді, Австралії, Великобританії і пов'язаних з ними країнах. Він знаходить застосування в чотирьох провідних повітряних мережах середньої напруги 4-25 кВ. Як приклад на рис.5 наведено ділянку мережі 13,8 кВ в США. Як видно з рис.5, повітряна лінія на всьому своєму протязі і відгалуженнях забезпечена четвертим нульовим проводом. Концепція побудови мережі полягає в тому, щоб максимально скоротити протяжність низьковольтних мереж напругою 120 В. Кожен приватний будинок живиться від власного понижувального трансформатора 13,8 / 0,12 кВ, включеного на фаз-ве напруга. На рис.5 * показаний такий однофазний трансформатор споживача з заземленою середньою точкою обмотки НН. Основна повітряна лінія ділиться на ділянки секціонувальними апаратами - реклоузера. Трансформатори кожного окремого споживача і відгалуження від лінії захищаються запобіжниками. На отпайки від лінії використовуються отделители, що забезпечують відключення в бестоковую паузу.
Цей спосіб заземлення нейтралі не використовується в мережах, що містять високовольтні електродвигуни. Токи однофазного замикання в цьому випадку досягають декількох кілоампер, що неприпустимо з позицій пошкодження статора електродвигуна (виплавлення сталі при однофазному замиканні).

Мал. 5. Схема повітряної чьотирьох розподільної мережі 4-25 кВ США.

Застосування глухого заземлення нейтралі в мережах середньої напруги вУкаіни навряд чи необхідно і можливо в найближчому майбутньому. Всі вітчизняні лінії 6-35 кВ трипровідні, а трансформатори споживачів трифазні, тобто сам підхід до побудови мережі істотно відрізняється від закордонного. Зазначений вище випадок глухого заземлення нейтрали в кабельній мережі 35 кВ, що живить р Кронштадт, є винятком. Таке рішення було свідомо прийнято проектним інститутом в зв'язку з тим, що струм однофазного замикання в цій мережі становить близько 600 А. Компенсація в даному випадку малоефективна, а надійних високовольтних низькоомних резисторів на момент реалізації рішення вУкаіни не існувало.

Що вибрати?
На жаль, вУкаіни жорсткі нормативні вимоги ПУЕ щодо застосування тільки ізольованою нейтралі не дозволяли до останнього часу використовувати заземлення нейтрали через резистор. Навіть зараз, після внесення змін до ПУЕ, проектні інститути продовжують закладати в нові об'єкти стару ідеологію. Мабуть, потрібно об'єднати зусилля замовників, виробників обладнання та проектних інститутів для зміни існуючої ситуації.
На закінчення слід зазначити, що режим заземлення нейтралі в мережі середньої напруги повинен вибиратися в кожному конкретному випадку з урахуванням таких факторів:

• рівня ємнісного струму мережі;
• допустимого струму однофазного замикання, виходячи з руйнувань в місці пошкодження;
• безпеки персоналу та сторонніх осіб;
• допустимості відключення однофазних замикань з позицій безперервності технологічного циклу;
• наявності резерву;
• типу і характеристик використовуваних захистів.

Однак в будь-якому випадку вибір повинен робитися між заземленням нейтралі через дугогасящий реактор, високоомним або низькоомним заземленням, а режим ізольованою нейтралі повинен бути повністю виключений.