Сети 35 кВ работают в режиме изолированной нейтрали, что позволяет сохранять работоспособность присоединений при длительных однофазных замыканиях (ОЗ) на землю.
Однако работа сети в режиме изолированной нейтрали сопровождается возникновением специфических для этого режима перенапряжений, к основным из которых относятся дуговые перенапряжения. Их доля среди всех видов аварий значительна (до 80%). Такие перенапряжения часто существуют в виде переходных процессов при перемежающейся дуге и опасны для электроустановок высокими кратностями перенапряжений, продолжительностью и широтой охвата сети, электрически связанной с местом повреждения. Во многих сетях 6-35 кВ дуговые перенапряжения в основном определяют уровни коммутационных перенапряжений и соответствующие минимальные уровни изоляции в эксплуатации. [1]
В нашей стране исторически сложилось (и нормативно закреплено [3]), что сети напряжением 6-35кВ работают с изолированной нейтралью, или нейтралью, заземленной через большое сопротивление. В качестве такого сопротивления до последнего времени использовались дугогасящие реакторы (ДГР), предназначенные для решения задач компенсации емкостных токов замыкания на землю. Эффективность компенсации емкостных токов замыкания на землю путем применения ДГР доказана весьма убедительно. Основными целями применения ДГР являются – снижение тока однофазного замыкания, повышение уровня безопасности и сохранение в работе поврежденного элемента. Тем не менее, в случае применения ДГР остается опасность возникновения больших кратностей перенапряжений, возникающих при замедленной работе или отказе фаз выключателя и неточной настройке ДГР. В настоящее время, ряд организаций выпускает активные сопротивления, способные заменить ДГР, устанавливаемые в нейтрали трансформаторов.
Кроме того, в настоящее время, главным вопросом остается вопрос целесообразности сохранения работоспособности присоединений при длительных ОЗ на землю [2]. В случаях разветвленной, труднодоступной для ремонта сети с отсутствием резервирования поврежденного элемента и т.п., немедленное отключение поврежденного элемента нецелесообразно. Если же сеть является короткой, доступной для ремонта, основные питающие элементы резервированы, к электроснабжению или к ограничению перенапряжений в сети предъявляются особые требования и т.п., то в этом случае селективное отключение поврежденного элемента является целесообразным. Таким образом, вопрос выбора способа заземления нейтрали должен решаться отдельно в каждом конкретном случае.
С целью обеспечения селективного отключения поврежденного присоединения в сети 6-35 кВ также может применяться резистивное заземление нейтрали [4]. Различают низкоомное и высокоомное заземление нейтралей. Низкоомный резистор, включенный в нейтраль, допускает протекание токов ОЗ в течение короткого времени, за это время (1-10 сек.) должно быть обеспечено селективное срабатывание защиты, отключающей поврежденный фидер. Высокоомный резистор, подобно ДГК, может функционировать в длительном режиме до устранения аварии, что позволяет демпфировать перенапряжения в течении времени существования ОЗ и обеспечить непрерывность электроснабжения. На базе высокоомных резисторов также может быть построена селективная защита от ОЗ, подобное проектное решение было реализовано при выполнении проекта электроснабжения о. Ольхон.
Наиболее целесообразным считается применение высокоомного/низкоомного резистивного заземления нейтралей в сетях 6-35 кВ с кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ). Воздействие перенапряжений на «здоровые» фазы СПЭ-кабеля приводит к увеличению средней напряженности электрического поля в СПЭ-изоляции и созданию благоприятных условий для развития триинингов в электрически ослабленных местах, локально распределенных по толщине изоляции и длине кабеля [5], в данном случае, необходимо либо снизить величину перенапряжений, либо, как можно быстрее, отключить поврежденный элемент.
С точки зрения выполнения проектных работ, наибольший интерес представляет вопрос моделирования дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях на землю в сетях 6-35 кВ с целью оценки величины возникающих перенапряжений и выбора оборудования для выполнения высокоомного резистивного заземления нейтралей.
Расчет дуговых перенапряжений требует подробного исследования электромагнитных переходных процессов в сетях 6-35 кВ. В данном случае, такие программы, как АРМСРЗА и ТКЗ-3000 не подходят, так как они используют крайне упрощенные инженерные методы. В качестве инструмента для исследования процессов, протекающих в сети при возникновении ОЗ на землю, можно использовать пакет Simulink системы Matlab. На следующем рисунке приведена схема сети, используемая для моделирования дуговых перенапряжений в сети 35 кВ.
П-образная схема замещения ВЛ-35 кВ содержит продольные фазные и поперечные емкостные сопротивления. Изменяя величину сопротивления резистора R, возможно оценить величину перенапряжений и их влияние на работу оборудования. На следующем рисунке даны осциллограмма перенапряжений трех фаз в точке ОЗ при R=∞ (режим изолированной нейтрали), и осциллограмма напряжения смещения нейтрали.
В сети с изолированной нейтралью при быстром погасании дуги происходит заряд емкостей здоровых фаз и сдвиг напряжения нейтрали, приводящий к возрастанию максимального напряжения в поврежденной фазе. Первое зажигание может возникнуть в любой момент времени, однако наиболее высокие перенапряжения возникают при зажигании дуги в момент максимума напряжения на поврежденной фазе. Последующие зажигания дуги происходят при ненулевом значении напряжения нейтрали, в результате чего перенапряжения на здоровых фазах могут достигать (3-4)Uф. На приведенном рисунке напряжение фазы В относительно земли в переходном процессе при первом зажигании дуги возрастает до величины 2.25Uф. Варьируя время возникновения и погасания дуги в переходном процессе, можно получить бóльшую величину перенапряжений на здоровых фазах.
На следующем рисунке даны осциллограмма перенапряжений трех фаз в точке ОЗ при R=2000 Ом (режим резистивного заземления нейтрали через высокоомный резистор), и осциллограмма напряжения смещения нейтрали. Ограничение перенапряжений при дуговых замыканиях в случае резистивного заземления нейтрали осуществляется за счет ускорения разряда емкостей здоровых фаз за время бестоковой паузы и снижения напряжения смещения нейтрали до значения, исключающего перенапряжения при последующих пробоях аварийной фазы.
Из осциллограмм видно, что включение резистора в нейтраль трансформатора позволило ограничить перенапряжения до допустимого уровня. Кроме того, использование резистора позволяет подавить высокочастотные перенапряжения, которые крайне негативно влияют на изоляцию СПЭ-кабелей. Сшитый полиэтилен, в отличие от бумажно-масляной изоляции, более чувствителен к воздействию высокочастотных перенапряжений.
Выводы
Сети напряжением 6-35кВ работают с изолированной нейтралью, или нейтралью, заземленной через большое сопротивление. В качестве такого сопротивления до последнего времени использовались дугогасящие реакторы (ДГР), предназначенные для решения задач компенсации емкостных токов замыкания на землю. Однако, ДГР обладают рядом недостатков. В настоящее время, ряд организаций выпускает активные сопротивления, способные заменить ДГР, устанавливаемые в нейтрали трансформаторов.
Кроме того, в настоящее время, главным вопросом остается вопрос целесообразности сохранения работоспособности присоединений при длительных ОЗ на землю.
С целью обеспечения селективного отключения поврежденного присоединения в сети 6-35 кВ также может применяться резистивное заземление нейтрали. Различают низкоомное и высокоомное заземление нейтралей. Низкоомный резистор, включенный в нейтраль, допускает протекание токов ОЗ в течение короткого времени, за это время должно быть обеспечено селективное срабатывание защиты, отключающей поврежденный фидер. Высокоомный резистор, подобно ДГК, может функционировать в длительном режиме до устранения аварии, что позволяет демпфировать перенапряжения в течении времени существования ОЗ и обеспечить непрерывность электроснабжения.
Наиболее целесообразным считается применение резистивного заземления нейтралей в сетях 6-35 кВ с кабелями из сшитого полиэтилена.
С точки зрения выполнения проектных работ, наибольший интерес представляет вопрос моделирования дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях на землю в сетях 6-35 кВ.
Результаты проведенных расчетов показали, что включение резистора в нейтраль трансформатора позволило ограничить перенапряжения до допустимого уровня. Кроме того, использование резистивного заземления позволяет подавить высокочастотные перенапряжения, которые крайне негативно влияют на изоляцию СПЭ-кабелей.
Литература:
1.Техника высоких напряжений. Под ред. М.В. Костенко. Учебное пособие для ВУЗов. М., «Высш. школа», 1973.
2.Фишман. Способы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ. Точка зрения проектировщика.// Новости Электротехники. – 2008ю -№2.
3.Правила устройства электроустановок, 7-е издание, глава 1.7.
4.Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Влияние электрической дуги на направленные защиты.// Новости Электротехникию – 2006. – №1.
5.Ширковец, Сарин, Ильиных, Подъячев, Шалин. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ с СПЭ-кабелями. Подходы к выбору резисторов и принципам построения защиты от ОЗЗ.// Новости Электротехники. – 2008. – №2.
