Режимы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и организация релейной защиты от однофазных замыканий на землю

Известно, что в кабельных и воздушных линиях питания трансформаторных подстанций действуют высокие напряжения, при передаче которых особо важно соблюдать меры предосторожности. Подобно системам энергоснабжения 380 Вольт высоковольтные линии (ВЛ) включаются по схемам, обеспечивающим эффективную защиту от поражения действующими в цепи напряжениями.

При этом в соответствии с требованиями ПУЭ нейтральная точка питающего трансформатора (нейтраль) чаще всего надёжно заземляется, то есть подключается к специально обустроенному для этих целей заземляющему устройству – ЗУ.

Способы включения нейтрали

Специфика работы высоковольтных (ВВ) систем состоит в том, что в случае обрыва или повреждения линии, сопровождающегося замыканием отдельного провода на землю, токи утечки могут достигать очень больших величин.

В соответствии с этим защитные меры, предпринимаемые в таких сетях, заметно отличаются от аналогичных действий в цепях конечного потребителя.

Для сетей 6-35 киловольт характерны перечисленные ниже режимы заземления нейтрали:

• прямое соединение с ЗУ, обустроенным непосредственно у подстанции или у высоковольтной опоры (глухозаземленная нейтраль заземления);
• подключение через специальный дугогасящий реактор или компенсатор;
• использование для этих целей системы заземления, при которой нейтраль подключается через резистор;
• без подключения к ЗУ в границах защищаемой линии или объекта (изолированная нейтраль).

Установка специальных компенсационных элементов в цепи включения нейтрального проводника способствует снижению емкостных составляющих токов замыкания.

В процессе работы такой цепочки эти токи удаётся нейтрализовать за счёт плавного изменения индуктивности катушки, напряжение в которой имеет обратную фазу.

При определённом значении индуктивности ток в точке замыкания заземлителя на землю снижается до нулевого значения. Для повышения эффективности действия такого заземления параллельно индуктивности включается резистор, обеспечивающий условия для стекания активной составляющей тока, используемой для срабатывания высоковольтного реле защиты. Остальные варианты включения нейтрали будут рассмотрены отдельно ниже.

Каждая из этих схем предполагает обязательное устройство на приёмной стороне отдельного ЗУ, обеспечивающего повторное заземление нейтрали и создающего безопасные условия эксплуатации ВЛ.

Без этого устройства используемые схемы включения не могут эффективно выполнять свои защитные функции, поскольку при случайном обрыве нейтрального проводника силовое оборудование подстанций останется незащищённым.

Возможен ещё один вариант, при котором заземление нейтрали в сетях 6-35 кВ осуществляется через включение общей точки в питающую сеть, называемый эффективным заземлением и реализуемый через создание практически идеальных условий для стекания тока в землю.

Однако он считается слишком дорогостоящим и применяется обычно лишь на питающих подстанциях с входными напряжениями 110 киловольт и выше.

Как выбрать оборудование?

Относясь к узкоспециализированному оборудованию, механизм должен выполнять специфические задачи. Способность гарантировать их реализацию является лучшим показателем соответствия прибора. Таковыми являются:

1. Значения сопротивления прибора, гарантирующие протекание тока (активного) в поврежденном присоединении с достаточным током. Он должен обеспечить отключение неисправного присоединения, либо же работоспособность релейной защиты на сигнал.
2. Соблюдение условий электробезопасности для людей, при ОЗЗ на распределительных пунктах и подстанциях. При этом учитываются действующие величины возможного напряжения прикосновения.
3. Снижение дуговых перенапряжений.

← Предыдущая статья Следующая статья →

Системы с изолированной от земли нейтралью

Режим работы сетей с изолированной нейтралью достаточно распространён в большинстве регионов России. При этом способе подключения нейтральная точка питающего генератора (трансформатора) с расположением обмоток по схеме «треугольник» остаётся незаземлённой.

Причём в таком аварийном режиме высоковольтная сеть может работать без особого ущерба в течение нескольких часов.

К другим достоинствам этой схемы следует отнести малые токи в месте замыкания одной фазы на землю (ОЗЗ) по причине незначительной ёмкости сети относительно грунта.

Токи ОЗЗ при данном варианте включения значительно меньше, чем в случае межфазных замыканий, что является ещё одним достоинством этих сетей.

В связи с этим такие системы не нуждаются в специальных быстродействующих средствах защиты от ОЗЗ, что значительно сокращает затраты на их эксплуатацию.

К числу существенных недостатков такого подключения следует отнести:

• возможность образования перенапряжений с дуговыми эффектами и относительно небольшими токами (до десятков ампер) в точке ОЗЗ;
• связанная с этим возможность повреждения кабельного или ВВ оборудования по причине разрушения изоляции вследствие дуговых перенапряжений;
• требование учёта повышенного (линейного 380 Вольт) напряжения при необходимости надёжно изолировать линейное электрооборудование;
• трудность выявления точного места повреждения.

Таким образом, перед выбором этого способа подключения нейтрали должны быть учтены все «за» и «против», а также просчитаны возможные последствия аварийных режимов.

Режимы заземления нейтрали

В России распределительные сети 6-35 кВ работают в режиме с неглухозаземленной нейтралью. При возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), ток в таких сетях замыкается обратно к источнику через емкости неповрежденных фаз (в силу отсутствия нейтрали) в отличие от сетей с заземленной нейтралью, в которых ток замыкается «накоротко», возвращаясь обратно к источнику через заземленную нейтраль. Таким образом, сопротивление на пути тока при ОЗЗ в сетях с неглухозаземленной нейтралью имеет большее значение, чем в сетях с глухозаземленной нейтралью.

Большим плюсом эксплуатации сетей с неглухозаземленной нейтралью являются малые значения токов замыкания на землю, но физика процессов ОЗЗ такова, что при металлическом ОЗЗ в таких сетях напряжение относительно земли на неповрежденных фазах повышается до уровня линейного, что является негативным фактором. По этой причине применение данного вида нейтрали ограничено (только до напряжения 35 кВ), так как при более высоком напряжении экономически невыгодно выполнять фазную изоляцию, способную выдерживать линейное напряжение.

Примерно 79% сетей 6-35 кВ в России – с изолированной нейтралью, 19% заземлены через ДГР. Также в последнее время внедряются решения с резистивным заземлением нейтрали.

Так как сети 6-35 кВ выполняются с фазной изоляцией, способной выдерживать повышения напряжения до линейного, а токи ОЗЗ имеют довольно малые значения, никак не влияющие на потребителей, то возникает идея вообще не отключать данный вид повреждения, пока не будут произведены необходимые операции по переключению потребителя на источник без ОЗЗ. После этого можно спокойно устранить данный вид повреждения. Такова идеология работы сетей с изолированным режимом нейтрали (когда нейтральная точка электрически никак не соединена с землей).

Но как показывает практика, последствия ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью могут быть следующими:

1. При ОЗЗ с таким типом нейтрали высока вероятность возникновения дугового перемежающегося замыкания на землю, при котором возможно повышение напряжения в 3,5 раза относительно номинального напряжения фазной изоляции. Таким образом, высока вероятность вторичного пробоя изоляции в любой другой точке сети и перехода однофазного замыкания на землю в двойные и многоместные замыкания, которые сопровождаются большим количеством отключений питающих линий. Также при дуговом замыкании на землю есть возможность существенных повреждений вследствие перенапряжений изоляции электрических машин;
2. Высокая степень опасности для человека и животных, находящихся вблизи места однофазного замыкания на землю;
3. Возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети, которые сопровождаются повреждениями трансформаторов напряжения.

По этим причинам возникло два подхода к устранению вышеперечисленных негативных последствий данного вида нейтрали, а именно:

1. Заземление нейтрали через подстраиваемый реактор;
2. Заземление через резистор.

Принцип заземления через реактор основан на выявлении значения емкости сети и последующей подстройки величины индуктивности в нейтрали так, чтобы свести ток ОЗЗ в месте повреждения к минимуму. Данное решение уменьшает вероятность дугового замыкания на землю и феррорезонансных процессов, а также повышает электробезопасность в месте ОЗЗ за счет уменьшения тока ОЗЗ.

Данное решение имеет следующие отрицательные последствия:

1. Дополнительные затраты на установку дорогостоящего оборудования;
2. Работа сети с ОЗЗ зависит от работы автоматики подстройки реактора, которая имеет низкую надежность, связанную с расстройкой компенсации;
3. Даже при идеальной компенсации тока ОЗЗ, все равно в сети присутствуют не скомпенсированные токи высших гармоник и активная составляющая тока ОЗЗ. Таким образом, наличие реактора в нейтрали хоть и уменьшает вероятность пробоев при ОЗЗ и феррорезонансных процессов, но все же наличие остаточного тока в месте ОЗЗ не исключает эти пробои и процессы (дуга может так и не погаситься) и негативно сказывается на электробезопасности применения данного вида нейтрали.
4. Ограничение на развитие сети, так как реактор рассчитан на то, что можно скомпенсировать только определенное значение емкостного тока, а при развитии сети ток ОЗЗ увеличивается и возможностей существующего реактора может быть недостаточно.

Альтернативой применения реактора в нейтрали является применение резистора.

Резисторы бывают:

• высокоомные (когда сопротивление резистора равно емкостному сопротивлению сети);
• низкоомные (когда устанавливаемый резистор имеет такое минимально возможное сопротивление, чтобы протекаемый ток замыкания на землю не оказывал серьезных повреждений за время действия защиты).

Таким образом, идея резистивного заземления нейтрали, в отличие от заземления через реактор, направлена на полное устранение дуговых замыканий и феррорезонансных процессов.

Недостатки высокоомного заземления нейтрали:

1. Дополнительные затраты на установку дорогостоящего оборудования (стоимость установки резистора ниже, чем стоимость установки реактора);
2. Уменьшается величина перенапряжений до 2,5 относительно фазного, но они устраняются не полностью;
3. Ограничение на развитие сети, так как резистор рассчитан только на определенный ток ОЗЗ;
4. Обязательное условие отключения ОЗЗ, так как резистор не способен долго работать в режиме ОЗЗ. Также необходимо иметь дополнительную термическую защиту резистора при ОЗЗ.

Недостатки низкоомного заземления нейтрали:

1. Дополнительные затраты на дорогостоящее оборудование (стоимость установки резистора ниже, чем стоимость установки реактора);
2. Возможность увеличения объема повреждений электрооборудования при ОЗЗ из-за увеличения тока ОЗЗ;
3. Ограничение на развитие сети, так как резистор рассчитан только на определенный ток ОЗЗ;
4. Резистор не способен долго работать в режиме ОЗЗ.

Так как применение заземления через резистор и реактор имеет свои плюсы и минусы, то существует решение по комбинированному заземлению нейтрали, то есть установление резистора и реактора в параллель в нейтрали. Данное решение компенсирует ток ОЗЗ до возможного минимального уровня и при этом устраняет дуговые и феррорезонасные процессы при ОЗЗ.

Таким образом, видно, что на данный момент окончательного решения какой именно режим нейтрали лучше, до сих пор нет. Выбирать определенный режим заземления нейтрали необходимо для конкретных сетей. Опираясь на технико-экономическое обоснование.

Повторное заземление

Повторным заземлением нулевого проводника является защита, установленная на определенных правилами ПУЭ промежутках на всей протяженности нейтрали. В задачи повторного заземления включается снижение силы напряжения в нулевом проводе и электроприборах, которые были занулены относительно грунта. Это свойство целесообразно в качестве защиты от обрыва нулевого провода и при пробое электрического напряжения на корпус электрических приборов.

Чтобы сделать повторное подключение, необходимо провести непрерывную нейтраль от щитка до нулевых проводников. В условиях многоэтажек для повторного заземления применяют различные системы.

TN

Трансформаторная нейтраль в электрике заземляется, а доступная часть присоединяются к ней через нулевые защитные проводники. В нормальном режиме электроприемник под напряжением не находится. Система TN бывает:

• TN-S – защитный и нулевой проводник разделяются по протяженности всей магистрали;
• TN-C-S – функции проводов РЕ и N совмещаются в одном части проводника, выведенного от трансформатора.

Если коммуникации подключаются в частном доме, используются естественные заземлители – металлические штыри в грунте. Нормативные документы не рекомендуют применять естественные проводники, поскольку невозможно рассчитать сопротивление, которое дает почва при растекании тока.

TN-С

TT

Заземление в домах, построенных до середины 90-х, для которой использовался четырехпроводной способ – 3 фазы и 1 нуль. Защитную и рабочую функции нейтрали выполняет общий проводник на протяжении всей магистрали. Запитка потребителей происходит от PEN-кабеля. Он же задействуется для заземления.

IT

Применяется для подачи электроэнергии в загородных и сельских условиях. Ток поступает по линиям электропередач на опорах. Установки разрешены в случаях, когда TN сделать невозможно или очень дорого. При подаче повышенного тока на приборы цепь питания выключается полностью через УЗО.

IT

Сеть с изолированной нейтралью трансформатора. Отводится от грунта или заземляется через приемник с большим сопротивлением. Линия земли проводится по отдельной шине, а на ней уже подключаются контакты розеток. Организация системы целесообразная для образовательных, медицинских учреждений.

Зачем заземлять нейтраль

Подключение общей точки выходных обмоток силовых трансформаторов с физической землей осуществляется с тремя целями:

1. Для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электроустановки, и их самих.
2. Для поддержания качества подаваемой электроэнергии в пределах отраслевых норм.
3. Получения напряжения бытового номинала 220 вольт.

Обеспечение безопасности людей

В нашей стране все электрические сети напряжением 0,4 кВ делаются четырехпроводными и с глухозаземленной нейтралью, причем дублирование соединения нейтрального проводника (он тянется от общей точки соединения трех обмоток трансформатора силовой подстанции) с физической землей, осуществляется на каждой третьей опоре. Это делается с той целью, чтобы сопротивление заземления всегда было не более единиц Ом.

При надежном соединении нейтрали с землей случайное прикосновение к одной фазе не приведет к поражению электрическим током человека, если на нем обувь с подошвой, имеющей диэлектрические свойства. По той причине, что общее сопротивление линии рука – нога равно не менее 1 кОм, а это в десятки раз больше, чем у проводника, соединяющегося с заземлителем. Ток через человека просто не пойдет.

Если нейтральный проводник заземлен, то однофазное замыкание на физическую землю сопровождается лавинообразным ростом силы тока, что сопровождается возникновением электрической дуги и выделением большого количества тепла, в результате чего аварийный проводник плавится и его контакт с землей прекращается.

Чтобы ускорить процесс отключения, в линии устанавливаются автоматические электромагнитные выключатели, которые обесточивают ее при возникновении сверхтоков (КЗ). Это снижает время действия электрического тока на людей или электроустановки. Что дает шанс на то, что первые останутся живы и относительно невредимы, а вторые – работоспособными.

Поддержание качества подаваемой электроэнергии

В общем для трех обмоток трансформатора проводнике сила тока равна нулю и нет напряжения электрического поля. Это является результатом сложения трех векторов сил тока, угол (фазный сдвиг) между которыми равен 120. Но так происходит только в том случае, если все три фазы симметричны друг другу по электрическим параметрам. В реальности они могут отличаться, что приведет к тому, что в нейтрали возникнет ток, а потребителю будет подано, например, не 380, а 320 или 450 вольт. Заземление нейтрали в трехфазной сети принудительно выравнивает фазы, благодаря тому, что паразитный ток стекает на землю.

Это особенно актуально в том случае, если электроэнергия подается для питания однофазных потребителей. Оно осуществляется прокладыванием трехфазной линии с общей нейтралью (четыре провода) и подключением групп потребителей к разным фазам. Поскольку уровень энергопотребления в квартирах существенно отличается – в одной, например, включен только телевизор, а в другой еще и стиральная машина, перекос фаз может достигать критического уровня.

Если соединение с заземлителем недостаточно надежно и имеет большое сопротивление, нейтральный провод, который обычно делают меньшего сечения, чем фазный, может отгореть. Это приводит к тому, что у кого-то напряжение на вводах будет почти 380 вольт, а у других около 110. Оба режима опасны для бытовых приборов и могут привести к электротравме людей или животных.

Бытовой номинал напряжения

Бытовое напряжение 220 вольт снимается между фазной линией и нейтралью, от линейного (между фазами) оно отличается в 1,7 раза. Для обеспечения стабильности его значения нейтраль заземляется.