Скачать

Комплекс заземления нейтрали сети 35 кВ

1. Общая характеристика способов заземления нейтрали в сетях 35 кВ

1.1 Анализ нормативной документации способов заземления нейтрали

Сегодня режим нейтрали в сетях 6-35 кВ регламентируется п.1.2.16 ПТЭ, в котором отмечено, что «работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и нейтралью заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:

- в сетях 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ – более10 А;

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

более 30 А при напряжении 6 кВ;

более 20 А при напряжении 10 кВ;

более 15 А при напряжении 35 кВ;

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

В России, согласно п.1.2.16 последней редакции ПУЭ, введенных в действие с 1 января 2003 г., «...работа электрических сетей напряжением 3-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор». Таким образом, сейчас в сетях 6-35 кВ в России формально разрешены к применению все принятые в мировой практике способы заземления нейтрали, кроме глухого заземления. Отметим, что, несмотря на это, в России имеется опыт применения глухого заземления нейтрали в некоторых сетях 35 кВ (например, кабельная сеть 35 кВ электроснабжения г. Кронштадта).

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. 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 однофазные замыкания на землю часто происходит при обрыве провода и падении 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. 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. 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.

Установлено что существует 4 вида заземления нейтрали- это:

изолированная (незаземленная);

глухозаземленная (непосредственно присоединенная к заземляющему контуру);

заземленная через дугогасящий реактор;

заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный).

Рассмотрим подробнее способы заземления нейтрали и дадим им общую характеристику.

1.1.1 Изолированная нейтраль

Режим изолированной нейтрали достаточно широко применяется в России. При этом способе заземления нейтральная точка источника (генератора или трансформатора) не присоединена к контуру заземления. В распределительных сетях 6-10 кВ России обмотки питающих трансформаторов, как правило, соединяются в треугольник (рис. 1.1), поэтому нейтральная точка физически отсутствует.

Рис. 1.1 Схема двухтрансформаторной подстанции с изолированной нейтралью.

Его достоинствами являются:

отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;

малый ток в месте повреждения (при малой емкости сети на землю).

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

возможность возникновения дуговых перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током (единицы–десятки ампер) в месте однофазного замыкания на землю;

возможность возникновения многоместных повреждений (выход из строя нескольких электродвигателей, кабелей) из-за пробоев изоляции на других присоединениях, связанных с дуговыми перенапряжениями;

возможность длительного воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений, что ведет к накоплению в ней дефектов и снижению срока службы;

необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

сложность обнаружения места повреждения;

опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;

сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как реальный ток замыкания на землю зависит от режима работы сети (числа включенных присоединений).

Недостатки режима работы с изолированной нейтралью весьма существенны, а такое достоинство, как отсутствие необходимости отключения первого замыкания, достаточно спорно. Так, всегда есть вероятность возникновения второго замыкания на другом присоединении из-за перенапряжений и отключения сразу двух кабелей, электродвигателей или воздушных линий.

1.1.2 Нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор

Она также достаточно часто применяется в России. Этот способ заземления нейтрали, как правило, находит применение в разветвленных кабельных сетях промышленных предприятий и городов. При этом способе нейтральную точку сети получают, используя специальный трансформатор (рис.1.2).

Рис. 1.2 Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.

С точки зрения исторической последовательности возникновения этот способ заземления нейтрали является вторым. Он был предложен немецким инженером Петерсеном в 20-х годах прошлого столетия (в европейских странах дугогасящие реакторы называют по имени изобретателя «Petersen coil» – катушка Петерсена).

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция из сшитого полиэтилена в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для этих кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.

Достоинствами этого метода заземления нейтрали являются:

отсутствие необходимости в немедленном отключении первого однофазного замыкания на землю;

малый ток в месте повреждения (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);

возможность самоликвидации однофазного замыкания, возникшего на воздушной линии или ошиновке (при точной компенсации – настройке дугогасящего реактора в резонанс);

исключение феррорезонансных процессов, связанных с насыщением трансформаторов напряжения и неполнофазными включениями силовых трансформаторов.

Недостатками этого режима заземления нейтрали являются:

возникновение дуговых перенапряжений при значительной расстройке компенсации;

возможность возникновения многоместных повреждений при длительном существовании дугового замыкания в сети;

возможность перехода однофазного замыкания в двухфазное при значительной расстройке компенсации;

возможность значительных смещений нейтрали при недокомпенсации и возникновении неполнофазных режимов;

возможность значительных смещений нейтрали при резонансной настройке в воздушных сетях;

сложность обнаружения места повреждения;

опасность электропоражения персонала и посторонних лиц при длительном существовании замыкания на землю в сети;

сложность обеспечения правильной работы релейных защит от однофазных замыканий, так как ток поврежденного присоединения очень незначителен.

В России режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор применяется в основном в разветвленных кабельных сетях с большими емкостными токами. Кабельная изоляция в отличие от воздушной не является самовосстанавливающейся. То есть, однажды возникнув, повреждение не устранится, даже несмотря на практически полную компенсацию (отсутствие) тока в месте повреждения. Соответственно для кабельных сетей самоликвидация однофазных замыканий как положительное свойство режима заземления нейтрали через дугогасящий реактор не существует.

1.1.3 Нейтраль, заземленная через резистор (высокоомный или низкоомный)

Этот режим заземления используется в России очень редко, только в некоторых сетях собственных нужд блочных электростанций и сетях газоперекачивающих компрессорных станций. В то же время, если оценивать мировую практику, то резистивное заземление нейтрали – это наиболее широко применяемый способ.

Резистор в отечественных сетях 6-10 кВ может включаться так же, как и реактор, в нейтраль специального заземляющего трансформатора (рис. 1.3).

Рис.1. 3 Схема двухтрансформаторной подстанции с нейтралью, заземленной через резистор.

Возможны два варианта реализации резистивного заземления нейтрали: высокоомный или низкоомный.

При высокоомном заземлении нейтрали резистор выбирается таким образом, чтобы ток, создаваемый им в месте однофазного повреждения, был равен или больше емкостного тока сети. Как правило, суммарный ток в месте повреждения при высокоомном заземлении нейтрали не превышает 10 А. То есть высокоомным заземлением нейтрали является такое заземление, которое позволяет не отключать возникшее однофазное замыкание немедленно. Соответственно высокоомное заземление нейтрали может применяться только в сетях с малыми собственными емкостными токами до 5-7 А. В сетях с большими емкостными токами допустимо применение только низкоомного заземления нейтрали.

При низкоомном заземлении нейтрали используется резистор, создающий ток в пределах 10-2000 А. Величина тока, создаваемого резистором, выбирается исходя из нескольких конкретных условий: стойкость опор ВЛ, оболочек и экранов кабелей к протеканию такого тока однофазного замыкания; наличие в сети высоковольтных электродвигателей и генераторов; чувствительность релейной защиты.

Достоинствами резистивного заземления нейтрали являются:

отсутствие дуговых перенапряжений высокой кратности и многоместных повреждений в сети;

отсутствие необходимости в отключении первого однофазного замыкания на землю (только для высокоомного заземления нейтрали);

исключение феррорезонансных процессов и повреждений трансформаторов напряжения;

уменьшение вероятности поражения персонала и посторонних лиц при однофазном замыкании (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);

практически полное исключение возможности перехода однофазного замыкания в многофазное (только для низкоомного заземления и быстрого селективного отключения повреждения);

простое выполнение чувствительной и селективной релейной защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на токовом принципе.

Недостатками резистивного режима заземления нейтрали являются:

увеличение тока в месте повреждения;

необходимость в отключении однофазных замыканий (только для низкоомного заземления);

ограничение на развитие сети (только для высокоомного заземления).      

Отсутствие дуговых перенапряжений при однофазных замыканиях и возможность организации селективной релейной защиты являются неоспоримыми преимуществами режима резистивного заземления нейтрали. Именно эти преимущества способствовали широкому распространению такого режима заземления нейтрали в разных странах.

1.1.4 Глухозаземленная нейтраль

Как уже было сказано, в отечественных сетях 6-35 кВ не используется. Этот режим заземления нейтрали широко распространен в США, Канаде, Австралии, Великобритании и связанных с ними странах. Он находит применение в четырехпроводных воздушных сетях среднего напряжения 4-25 кВ. В качестве примера на рис.1.4 приведен участок сети 13,8 кВ в США. Воздушная линия на всем своем протяжении и ответвлениях снабжена четвертым нулевым проводом. Концепция построения сети заключается в том, чтобы максимально сократить протяженность низковольтных сетей напряжением 120 В. Каждый частный дом питается от собственного понижающего трансформатора 13,8/0,12 кВ, включенного на фазное напряжение. Основная воздушная линия делится на участки секционирующими аппаратами – реклоузерами. Трансформаторы каждого отдельного потребителя и ответвления от линии защищаются предохранителями. На отпайках от линии используются отделители, обеспечивающие отключение в бестоковую паузу.

Этот способ заземления нейтрали не используется в сетях, содержащих высоковольтные электродвигатели. Токи однофазного замыкания в этом случае достигают нескольких килоампер, что недопустимо с позиций повреждения статора электродвигателя (выплавление стали при однофазном замыкании).

Рис. 1.4 Схема воздушной четырехпроводной распределительной сети 4-25 кВ США.

Применение глухого заземления нейтрали в сетях среднего напряжения в России вряд ли необходимо и вероятно в обозримом будущем. Все отечественные линии 6-35 кВ трехпроводные, а трансформаторы потребителей трехфазные, то есть сам подход к построению сети существенно отличается от зарубежного. Указанный выше случай глухого заземления нейтрали в кабельной сети 35 кВ, питающей г. Кронштадт, является исключением. Такое решение было сознательно принято проектным институтом в связи с тем, что ток однофазного замыкания в этой сети составляет около 600 А. Компенсация в данном случае малоэффективна, а надежных высоковольтных низкоомных резисторов на момент реализации решения в России не существовало.

1.2 Характеристика процессов при замыканиях на землю в сети 35 кВ

Замыкания на линиях, однофазные и междуфазные, можно подразделить на дуговые и металлические. При дуговых замыканиях соединение токоведущих частей между собой или землей происходит через малое сопротивление дугового канала. Такие замыкания могут возникать вследствие воздействия грозовых или внутренних перенапряжений (при сильном загрязнении гирлянд, изоляторов), либо вследствие механических воздействий.

Рассмотрим возникновение перенапряжений в трехфазной сети на примере изолированной нейтрали. На рис. 5а приведена расчетная схема трехфазной сети. На этой схеме показаны фазные ЭДС е_с, е_ь, е_а, индуктивности и сопротивления фаз L и R, а также емкости фаз на землю С и междуфазовые С_м.

Рис.1.5 Исходная (а) и преобразованная (б) схемы сети
с изолированной нейтралью источника при замыканиях одной из фаз на землю

Пусть на фазе А возникает однофазное замыкание через неустойчивую дугу. Тогда для расчета возникающих перенапряжений схему на рис. 1.5.а можно представить в виде схемы на рис. 1.5.б. После зажигания дуги на поврежденной фазе А емкости С и С_м неповрежденных фаз соединяются параллельно, как это видно из рис. 1.5.б и происходит перераспределение зарядов между емкостями. Перераспределение свободных зарядов на емкостях С и С_м приводит к снижению амплитуды свободных колебаний напряжения в соответствии с соотношением С/(С+ С_м). Примерные значения соотношения С/(С+ С_м) для линий электропередачи 35 составляют 0,744.

Значения перенапряжения при повторном зажигании дуги можно определить по формуле

                                                   (1.1)

где U_н – начальное значение напряжения на неповрежденных фазах в момент повторного зажигания;

U_к – значение установившегося напряжения колебаний;

 – коэффициент, учитывающий затухание высокочастотных колебаний, который принимается обычно равным 0,9.

Если принять, что при перовом повторном зажигании в момент максимума напряжения поврежденной фазы в сети нет остаточных зарядов, то максимальное перенапряжение на поврежденной фазе, достигаемое в переходном процессе, будет равно:

                                        (1.2)

Кратковременные перенапряжения порядка 3U_ф не опасны для нормальной изоляции при рабочих напряжениях до 35 кВ включительно. Однако длительные перенапряжения могут привести к тепловому пробою изоляции. Кроме того, на процесс развития перенапряжений в сетях часто действуют дополнительные факторы, повышающие кратность перенапряжений. Замечено, в частности, что при неустойчивых дугах на неповрежденных фазах часто срабатывают разрядники, имеющие пониженную кратность разрядного напряжения при рабочей частоте. Работа разрядников может привести к появлению перенапряжений, опасных для изоляции. Действительно, если происходит гашение дуги разрядником на неповрежденной фазе, а поврежденная фаза заземлена, то восстанавливающееся напряжение изменяется от нуля до 2U_л = 3,46U_ф. Поэтому каждый раз, когда происходит срабатывание разрядников, на изоляцию здоровых фаз воздействует перенапряжение 3,46U_ф.

При компенсации емкостных токов воздушные и кабельные сети могут длительно работать с замкнувшейся на землю фазой. В сети с изолированной нейтралью трансформаторов однофазное замыкание может существовать, если емкостной ток замыкания препятствует самопогасанию дуги в месте замыкания. При включении в нейтраль трансформатора реактора (рис.1.6) через место замыкания вместе с емкостным током проходит индуктивный ток, обусловленный индуктивностью реактора L_к.

Рис.1. 6. Схема сети с дугогасящей катушкой при однофазном замыкании на землю

Подбирая соответствующее значение индуктивности реактора L_к, можно добиться равенства емкостной и индуктивной составляющих тока замыкания (осуществить компенсацию емкостного тока замыкания). Компенсация наступит, если выполняется условие

                                                                                    (1.3)

где w = 314 рад^–1 – промышленная частота.

Реактор в сети играет двойную роль. При компенсации снижение тока до остаточного значения I_ост, обусловленного активными потерями в сети, способствует самопогасанию дуги в месте замыкания. Кроме того, реактор резко снижает скорость восстановления напряжения на дуге.

Значение остаточного тока I_ост можно определить по схеме замещения (рис. 1.7). В этой схеме L_к – индуктивность замыкающего реактора; g – активная проводимость, учитывающая активные потери в реакторе и сети; источник напряжения имеет значение фазного напряжения U_ф в трехфазной сети.

Рис. 1.7 Расчетная схема для определения восстанавливающегося напряжения  на дуговом промежутке при однофазном замыкании на землю
в сети с дугогасящей катушкой

Отношение токов в индуктивности L_к и емкости 3С₀ носит название настройки заземляющего реактора

                                               (1.4)

где .

Остаточный ток в дуге (рис. 1.7)

                                             (1.5)

где I_a = U_фg – активная составляющая тока в месте замыкания;

I_С = 3U_фwС₀ – емкостная составляющая тока, равная току замыкания в отсутствии заземляющего реактора.

Как видно из (1.5), остаточный ток I_ост тем меньше, чем ближе значение k_н к единице. При k_н = 1 (точная настройка реактора) через место замыкания протекает только малый активный ток (g » 0).

Погасание дуги происходит при прохождении тока I_ост через нулевое значение. Этому соответствует разрыв цепи между зажимами 1 и 2 (рис. 1.7), при котором потенциал точки 2 изменяется с промышленной частотой w; потенциал точки 1 с частотой w₀ собственных колебаний контура L_к – 3С₀. Напряжение, восстанавливающееся на поврежденной фазе, равно разности потенциалов точек 1 и 2 и описывается следующим соотношением:

                                           (1.6)

где j – фазовый угол напряжения в момент погасания дуги;

d – коэффициент затухания свободных колебаний.

Так как d мало и множитель  близок к единице, то при достаточно точной настройке (k_н » 1) напряжение u_в(t) нарастает медленно, так как w » w₀.

Малый остаточный ток и малая скорость восстановления напряжения способствуют гашению тока дуги замыкания на землю, что очень важно при грозовых перекрытиях изоляции на линиях электропередачи. Самоликвидация грозовых перекрытий улучшает электрозащитные характеристики линий. Однако в тех случаях, когда самоликвидация дуги невозможна, как, например, в случаях пробоя или разрушения изоляторов, падения проводов на землю и т.д., дуга замыкания на землю не гаснет и может приобрести неустойчивый перемежающийся характер с повторными гашениями и зажиганиями. В этих случаях на емкостях неповрежденных фаз при очередном гашении дуги могут сохраниться остаточные заряды, приводящие к появлению напряжения смещения U_см. Переход напряжения поврежденной фазы от нулевого значения к кривой U_смcos(wt)+ U_фcos(wt) происходит в результате колебаний, при которых формируется первый максимум напряжения на дуге:

                                                                                   (1.7)

Дальнейшее нарастание напряжения в силу резонансной настройки заземляющего реактора происходит сравнительно медленно.

Повторное зажигание на поврежденной фазе при больших мгновенных значениях напряжения возможно, однако вероятность его возникновения мала. Это обусловлено тем, что должно произойти совпадение достаточно редких условий: устойчивое нарушение изоляции (например, обрыв или падение провода) и повторное зажигание в самый неблагоприятный момент времени, что сопровождается большими перенапряжениями на неповрежденных фазах.

Из изложенного следует, что необходимо стремиться к точной резонансной настройке дугогасящей катушки.

По установившейся практике электрические сети напряжением до 35 кВ включительно имеют незаземленную нейтраль. Если в такой сети произойдет дуговое замыкание на землю, то через дугу будет протекать емкостной ток, величина которого определяется рабочей емкостью всех трех фазах по всей сети.

Как известно из курса ТОЭ, ток замыкания в любой линейной сети можно определить, включая в месте замыкания источник напряжения, равного напряжению фазы до замыкания, т.е. U_ф, и полагая все остальные источники напряжения нулевыми. Величины индуктивных сопротивлений, пренебрежимо малы по сравнению с емкостными. Емкостной ток замыкания на землю равен:

I_з = U_ф3wС_ф                                                                                    (1.8)

где С_ф – емкость фаз на землю.

Путем симметрирования фаз – транспозицией на линиях или на подстанциях добиваются равенства емкостей С_ф всех трех фаз системы. Для воздушных линий удельный емкостной ток замыкания на землю, т.е. ток на 1 км линии и 1 кВ номинального напряжения, равен в среднем

I_Cуд = 3 мА/км×кВ.                                                                        (1.9)

Удельный ток в кабельных линиях лежит в пределах 60…250 мА/км×кВ в зависимости от сечения и напряжения кабеля. Большие цифры относятся к кабелям большего сечения и меньшего напряжения.

Если I_С > I_Спред, то возникает устойчивая дуга однофазного замыкания на землю, которая ведет к термическому разрушению изоляторов, пережогу провода и обычно перебрасывается на междуфазные промежутки, т.е. ведет к междуфазным коротким замыканиям с автоматическим отключением участка сети. По этой причине дуговые замыкания на землю стремятся погасить в начале их возникновения. Для этой цели служит дугогасящая катушка, включаемая в нейтраль трехфазной сети (рис. 1.6). Катушка настраивается в резонанс на суммарную емкость сети на землю (3С_ф). Это означает, что индуктивность катушки должна примерно удовлетворять условию:

                                                                                    (1.10)

где w = 314 с^–1, а w₀ – круговая частота собственных колебаний;

С_ф – емкость фазы по отношению к земле.

По определенному значению емкостных токов для сети выбирается мощность реактора:

Q = nI_CU_ф                                                                                       (1.11)

где n – коэффициент, учитывающий развитие сети в ближайшие 5 лет (n = 1,25).

Выбор мощности с большими запасами может привести к неполному использованию дугогасящих катушек и затруднить установку наиболее целесообразных настроек. Малые запасы мощности могут привести к необходимости работы сети при режимах недокомпенсации, при которых возможно появление опасных напряжений смещения нейтрали.

Мощности дугогасящих катушек выбираются такими, чтобы ступени токов компенсации ответвлений позволили устанавливать возможно полную компенсацию емкостного тока сети при возможных конфигурациях сети и отключениях отдельных линий.

При резистивном заземлении нейтрали ограничение перенапряжений при дуговых замыканиях осуществляется за счет разряда емкости здоровых фаз и снижения напряжения на нейтрали до значений, исключающих последующие пробои ослабленной изоляции аварийной фазы. Кроме того, практически исключаются опасные феррорезонансные явления, что в свою очередь так же приводит к повышению надежности рассматриваемых сетей.

Теоретические исследования показывают, что уменьшить величину дуговых перенапряжений и число замыканий на землю без значительного искусственного увеличения тока замыкания на землю можно за счет включения в нейтраль сети высокоомного резистора величиной от нескольких сотен Ом до нескольких кОм.

Высокоомный резистор с сопротивлением R_N в нейтрали сети (как правило, в нейтрали специального вспомогательного трансформатора) обеспечивает стекание заряда за время, равное полупериоду промышленной частоты (Т=0,01 сек).

Включение резистора в нейтраль сети позволяет получить в месте повреждения активную составляющую тока, примерно равную емкостной:

I_RN ≈ I_С                                                                                                                                                        (1.12)

При этом суммарный ток замыкания на землю возрастает в √2 раз.

Емкостная составляющая тока замыкания на землю имеет вид:

Ic = 3ωCUф,                                                                                   (1.13)

где ω — круговая частота равная 2πf,

С — фазная емкость сети на землю,

Uф — фазное напряжение сети

Активная составляющая тока замыкания на землю равна:

I_RN = Uф/R_N,                                                                                   (1.14)

где R_N — сопротивление резистора

Uф/R_N = 3ωCUф                                                                             (1.15)

R_N ≈ 1/(900 С)

Однако, выбор резистора для конкретной сети производится индивидуально. При этом в одних случаях по условию ограничения кратности дуговых перенапряжений до уровня (2,6-2,7)Uф активная составляющая замыкания на землю может быть в 1,5÷2 раза меньше емкостной составляющей. В других случаях для повышения селективности работы токовой защиты от замыкания на землю активная составляющая тока замыкания на землю может несколько превысить емкостную составляющую.

Что выбрать?

В России жесткие нормативные требования ПУЭ в отношении применения только изолированной нейтрали не позволяли до последнего времени использовать заземление нейтрали через резистор. Даже сейчас, после внесения изменений в ПУЭ, проектные институты продолжают закладывать в новые объекты старую идеологию. По-видимому, необходимы совместные усилия заказчиков, производителей оборудования и проектных институтов для изменения существующей ситуации.

В заключение следует отметить, что режим заземления нейтрали в сети среднего напряжения должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом следующих факторов:

уровня емкостного тока сети;

допустимого тока однофазного замыкания, исходя из разрушений в месте повреждения;

безопасности персонала и посторонних лиц;

допустимости отключения однофазных замыканий с позиций непрерывности технологического цикла;

наличия резерва;

типа и характеристик используемых защит.

Выводы

Для различных режимов нейтрали необходимо очертить границы их применения.

Для определения преимуществ того или иного режима заземления нейтрали необходимо собрать достоверный статистический материал об уровнях перенапряжений при дуговых замыканиях на землю.

В сетях с компенсацией емкостного тока замыкания на землю необходимо применять плавнорегулируемые реакторы с микропроцессорными автоматическими регуляторами.

Необходимо предусмотреть резистивное заземление нейтрали электрических сетей 3-35 кВ.

2. Разработка рекомендаций по выбору режима нейтрали заданной сети 35 кВ.

2.1 Общая характеристика сети 35 кВ и её конструктивного исполнения.

На рисунке 2.1 представлена принципиальная однолинейная схема электроснабжения электроприемников 35 кВ первой и второй очереди литейно-прокатного завода.

Электроприемниками напряжением 35 кВ являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и сталеплавильные агрегаты «печь-ковш» (АПК). Структурно схема электроснабжения разделяется на 3 ступени:

1) главная понизительная подстанция (ГПП) с установленными трансформаторами типа ТДНМ 63 МВА напряжением 110/35 кВ

2) закрытое распределительное устройство 35 кВ (ЗРУ-35) выполненное ячейками с элегазовой изоляцией и вакуумными выключателями. В ЗРУ-35 установлены фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ2-ФКУ4) и статический тиристорный компенсатор реактивной мощности (СТК).

3) Печные подстанции дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и агрегатов «печь-ковш» (ПС АПК).

Распределительная сеть напряжением 35 кВ выполнена кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена марки ПвВнг с медной токоведущей жилой (одножильные).

Сеть от трансформаторов ГПП до ЗРУ-35 кВ (линии Л1, Л2 на рис 2.1) выполнена двухцепной кабельной линией с использованием кабелей ПвВнг 1х185 с включением трех параллельных кабелей на фазу с прокладкой их в кабельном канале уложенных в треугольник как показано на рисунке 2.2. Иначе говоря, на одну кабельную линию необходимо 9 одножильных кабелей длиной L1 или L2 (обозначение кабельной линии ПвВнг-3Х3 (1х185)).

Сеть от ЗРУ-35 до подстанций дуговых сталеплавильных печей (ПС ДСП) также выполняется кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена марки ПвВнг с медной токоведущей жилой (линии L3-L6 рис 2.1).

Рис 2.2 Вид прокладки кабелей в земле

2.2 Определение емкостных токов замыкания на землю

Аналитический расчет величины токов замыкания «на землю» в разветвленных сетях не дает большой точности и чаще применяется как вспомогательный метод для получения , например, величин тока по каждому фидеру отдельно или по всей сети. При этом задача разбивается на ряд ступеней, каждая из которых может в последствии корректироваться.

Токи можно рассчитать если располагать емкостью сети, которая зависит от её конструкции и параметров:

В распределительных сетях используют 2 типа кабелей:

1) трехжильные кабели с поясной изоляцией.

2) трехжильные с заземленной металлической оболочкой вокруг каждого провода.

Емкость в плече эквивалентной звезды (рабочая емкость) для нормального режима для кабелей первого типа определяется по следующему уравнению

С_э=С_1э+3С₁₂                                                                                    (2.1)

Где С_1э-емкость на землю одной фазы; С₁₂-емкость между проводами (междуфазная емкость)

Эти параметры определяются из решения системы уравнений описывающих емкостные связи в многопроводной системе.

Сумма трех статических емкостей на землю составляет 1,5-1,7 емкости эквивалентной звезды, то есть

3С=(1,5-1,7)С_экв ,мкФ/км                                                               (2.2)

С=^.С_экв=(0,5-0,57)С+3(0,5-0,57)С_м, мкФ/км                       (2.3)

С=(3,0-3,97)С_м , мкФ/км                                                                (2.4)

Откуда: См=С=0,33С См=0,25С мкФ/км

Зарядный ток кабеля определяется следующей зависимостью:

I_зар=^.ω^.С_экв^.L^.10^-6                                                                                                                            (2.5)

Где L-длина кабельной линии, км.

Емкостной ток замыкания на землю

I_c=10^-6..ω^.3С^.L=10^-6..ω^.(1,5-1,7)С_экв^.L , А/км или                 (2.6)

I_c=U_н^.(272-308)С_экв^.L, А/км                                                            (2.7)

Однако, для воздушных ЛЭП можно воспользоваться формулами 2 для расчета емкостных токов замыка