Сеть с компенсированной нейтралью: режимы работы, достоинства и недостатки

режимы работы, достоинства и недостатки

Пример HTML-страницы

Сети 6-35 кВ в РФ в основном выполняются с изолированной нейтралью. За счет этого минимизируются токи короткого замыкания на землю. Это повышает надежность работы сети, так как некоторые «земли» самоустраняются. А с другими сеть может работать длительное время, необходимая для поиска места КЗ, его локализации, производства необходимых переключений. В результате можно сохранить работоспособность электрооборудования потребителей, грамотно выводя из строя линию с повреждением, заменив ее резервной.

Малые токи КЗ на землю позволяют занизить и требования к заземляющим устройствам. Наличие всего трех проводов и режимов работы сети со сверхтоками только при междуфазных замыканиях между ними позволяет упростить и устройства РЗА. Достаточно установить два трансформатора тока для регистрации любых замыканий между фазами. Традиционно они ставятся в фазы «А» и «С».

Содержание

1. Недостатки сети с изолированной нейтралью.
2. Емкостные токи замыкания на землю.
3. Компенсация емкостных токов
4. Работа установки компенсации
5. Недостатки сети с компенсированной нейтралью

Но за простоту всегда приходится платить.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Сеть с изолированной нейтралью допускает работу с землей на одной фазе длительное время. Но при этом фазные напряжения становятся равны линейным. Это происходит на двух оставшихся без замыкания на землю фазах.

Для того, чтобы электрооборудование выдерживало этот режим, оно изначально рассчитывается на линейное напряжение сети. Но и этого оказывается мало. Всегда существуют участки с ослабленной изоляцией, на которые резкое повышение напряжения может подействовать губительно. Возникает двойное замыкание, ток его возрастает. Нередко в случаях КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью происходят повреждения электрооборудования в местах, достаточно далеких от места КЗ.

Добавим к этому и тот факт, что при замыканиях, происходящих через дугу, регулярно погасающую в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, фазное напряжение возрастает далеко не в корень из трех раз. Оно становится больше линейного. Считается, что в этих случаях напряжение может подскакивать в 2,5 раза, и даже более.

Еще один недостаток, связанный с замыканиями на землю: в трансформаторах напряжения при этом происходят феррорезонансные процессы. Это приводит к выходу их из строя за счет перегрева первичной обмотки резонансными токами, во много раз превышающими номинальный. С этими процессами борются, усложняя конструкцию ТН и их цепей, но стопроцентной защиты пока достичь не удается.

Емкостные токи замыкания на землю.

Но и токи замыкания на землю не всегда бывают такими уж и небольшими. За счет чего они образуются? Ведь очевидного пути для их распространения нет – нейтраль-то изолирована.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Токи утечки на землю в сети с изолированной нейтралью, в отличие от глухозаземленной, носят емкостной характер. Они есть всегда, наибольшая их величина – у кабельных и воздушных линий электропередачи. Поэтому получается, что в эквивалентной схеме трехфазной сети с изолированной нейтралью между каждой из фаз и землей включен конденсатор. Чем больше в сети кабельных линий, тем больше емкость этого конденсатора.

При КЗ на землю одной из фаз ее емкость выпадает из общей картины. Но в точке замыкания она через землю и эквивалентные емкости соединяется с другими фазами сети. Через эту цепь и протекает ток замыкания, носящий емкостной характер.

Ток этот можно рассчитать, и даже измерить. При превышении им определенных значений замыкание уже не будет таким безобидным, его действие будет довольно разрушительным.

Компенсация емкостных токов

При превышении емкостными токами замыкания на землю величин, указанных в таблице, сеть должна быть снабжена установками компенсации.

Установка компенсации емкостных токов состоит из двух элементов. Первый из них – трансформатор, задача которого – выделить из трехфазной сети потенциал нейтрали. Это почти обычный силовой трансформатор, у которого первичная обмотка соединена в звезду с нулевым выводом. Нейтраль звезды соединяется с землей через дугогасящую катушку.

Второе ее название – катушка Петерсона. Она бывает также похожа на силовой трансформатор с маслонаполненным баком, а иногда имеет и другую конструкцию. Но основная ее особенность в том, что ее индуктивность регулируется, плавно или ступенчато.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При отсутствии замыкания ток через катушку минимален. Предварительно ее настраивают в резонанс с общей емкостью сети. На устройствах со ступенчатой регулировкой это выполняется довольно приближенно и грубо. Если суммарное емкостное сопротивление сети больше, чем индуктивное сопротивление катушки, этот режим работы называется недокомпенсацией. Если ситуация противоположная – перекомпенсацией. Режим с перекомпенсацией для электроустановок является предпочтительным.

Но емкостное сопротивление сети постоянно изменяется в зависимости от подключенных к ней кабельных линий. В результате режим установки компенсации требует постоянной корректировки. Наиболее эффективным является применением плавной регулировки индуктивности катушки Петерсона. Он производится за счет изменения зазора в ее магнитопроводе с помощью специального электропривода. За этим следит автоматика.

Помимо основного электрооборудования в состав установки компенсации емкостных токов, входят и вспомогательные элементы. Это трансформатор тока, служащий для измерения тока замыкания на землю, специальная обмотка для выделения 3Uo.

Работа установки компенсации

При замыкании на землю в точку КЗ течет емкостной ток сети. При наличии установки компенсации туда же отправляется и ток через дугогасящую катушку. В точке КЗ они взаимно компенсируют друг друга, снижая или сводя к минимуму ток в поврежденной фазе.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При этом дуговое замыкание при переходе синусоидального напряжения КЗ через ноль гаснет. Для ее повторного зажигания напряжения оказывается недостаточно. Так минимизируются все вредные воздействия замыкания на землю на всю сеть целиком.

Составляющей тока, оставшейся нескомпенсированной, достаточно для срабатывания земляной защиты присоединения. Тем не менее, ее рано вводить на безусловное отключение линии, так как ошибки в действиях защиты все же случаются.

Чтобы сделать работу ОЗЗ максимально эффективной, современные катушки Петерсона содержат в своем составе резистор с заранее рассчитанной величиной сопротивления. В момент замыкания контактором он подключается в цепь катушки на ограниченное время, достаточное для срабатывания защиты. Так нейтраль кратковременно приобретает резистивное заземление.

За счет ввода активной составляющей тока замыкания на землю произойдет отключение только линии, подпитывающей КЗ.

Основной недостаток, связанный с применением установок компенсации, как ни странно, вытекает из их достоинства. Снижая величину емкостного тока, они минимизируют повреждения в точке КЗ и не дают ему развиться до междуфазного.

Если речь о кабельной линии, то найти потом это повреждение достаточно сложно.

К тому же компенсированная нейтраль не излечивает полностью сети с изолированной нейтралью от их собственных недостатков, описанных выше.

2. Компенсированная сеть

Режимы
нейтрали

3амыкание
на землю токоведущих частей электрических
уста­новок является преобладающим
видом повреждения в сетях . всех
напряжений. В распределительных сетях
6-35 кВ эти поврежде- ; ния составляют не
менее 75 % от общего числа повреждений.
В сетях 110 и 220 кВ однофазные повреждения
изоляции составляют соответственно 80
и 90 %.

Степень
опасности замыканий на землю в основном
зависит от со­стояния нейтрали сети,
которое имеет непосредственное отношение
к проблеме борьбы с авариями, а
следовательно, к надежности обеспе­чения
потребителей электроэнергией.

Нейтраль
сети определяют как совокупность
соединенных между собой нейтральных
точек и проводников.

Состояние
нейтрали обусловливает всю техническую
и организа­ционную структуру сетей.
Выбор того или иного режима нейтрали .
электроустановок является результатом
учета многих технико-экономических
факторов конкретной системы
электроснабжения, При выборе способа
заземления нейтрали должны учитываться
следующие . требования: надежность
работы сетей; бесперебойность
электроснаб­жения приемников
электроэнергии; экономичность системы:
возможность устранения опасных
перенапряжений; ограничение
электромаг­нитного влияния на линии
связи; безопасность системы; возможно:
дальнейшего развития системы без
значительной реконструкции.

В
зависимости от режима нейтрали
электрические сети разделяют на следующие
группы: сеть с изолированной нейтралью;
сеть с компенсированной нейтралью; сеть
с глухозаземленной нейтралью; сеть с
эффективно заземленной нейтралью, а
также сеть с резистивным за­землением
нейтрали.

НЕКОМПЕНСИРОВАННАЯ
СЕТЬ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Изолированная
нейтраль — нейтраль трансформатора или
генерато­ра, не присоединенная к
заземляющему устройству или присоединен­ная
к нему через большое сопротивление
приборов сигнализации, из­мерения,
защиты и других аналогичных им устройств.

В
нормальном режиме в каждой фазе протекает
небольшой емко­стной ток, обусловленный
равномерно распределенной емкостью
фаз. Рассмотрим режим однофазного
замыкания на землю в трехфазной системе
с изолированной нейтралью на примере
сети напряжением выше 1000 В. В большинстве
случаев емкостные проводимости фаз
относительно земли можно полагать
равными, т.е.

где
— емкость фазы относительно земли.

Расчетная
схема замещения системы в нормальном
режиме пред­ставлена на рис. 7.1,
а:

;
U0=0;

;

;

В
случае повреждения изоляции и последующего
за этим полного металлического замыкания,
например фазы А на землю (рис 7. 1, б), через
место аварии
К
проходит ток, который замыкается как
зарядный через емкостные проводимости
относительно земли неповрежденных
(здоровых) фазных проводов, т.е.
Y_CB
и
Y_CС
.
Емкостная проводимость поврежденной
фазы шунтируется рассматриваемым
замыканием, и ток 1_СА
в фазе
А
справа от места замыкания равен нулю,
если пренебречь очень малым током,
который наводится токами
1_СВ
и
1_СС
на данном участке линии. Режим однофазного
замыкания на землю в трехфазной системе
можно представить как результат двух
налагающихся друг на друга состояний:
первое — нормального режима работы;
второе — об­ратного по знаку напряжению
поврежденной фазы в нормальном режиме,
т.е. —
U_A
(обращающее
в нуль напряжение в точке замыкания,
является как бы следствием приложения
в месте замыкания ко воем фазам напряжения,
равного по величине). Это вызывает
емкостный ток, который, стекая в землю
у места аварии, тремя ветвями распреде­ляется
между емкостями
С_А,
С_В,
С_С
и возвращается по неповреж­денным
проводам через обмотки трансформатора
или генератора. Таким образом, ток 1_С0,
налагаясь на нормальные емкостные токи
системы, усиливает последствие в
неповрежденных фазах и компенси­руется
в поврежденной, создавая однофазную
перегрузку трансформа­торов и
генераторов и, следовательно, резкую
асимметрию системы токов и напряжений.

U_CI_CC
С U’_CI’_CCC

U_BI_CBB
U’_BI’_CBB

U_A I_CA A
U’_A
I’_CC
I’_CB KA

C_A

C_B

C_A U₀
C_A
C_B
C_C

I_CA
I_CB

I_CA I_3A
I’_CB
I’_CC

I_C0

Рис.
1.1. Система напряжением выше 1000 В с
изолированной нейтралью:

а-
расчетная
схема замещения в нормальном режиме;
б- расчетная схема замещения в аварийном
режиме

Изложенное
можно представить по векторной диаграмме
напряже­ний и токов при замыкании на
землю фазы
А
(рис. 7.2). Напряжения всех фаз относительно
земли
U‘_A,
U‘_B,
U‘_c
при
замыкании на землю фазы А определяются
геометрической суммой напряжений фаз
относительно земли
в
нормальном режиме работы
U_А,
U_В,
U_С
и
напряжения смещения нейтрали

;

;

;

Согласно
векторной диаграмме
,
,
и
,
а угол между векторамиU‘_B

и
U‘_C
равен
60°.

U_A

U_CA I_CB U_AB

I’_CB

I_3a I_CA 0 I’_CB+I’_CC

I’_CC

U_C U_BC U_B

-U_A U’_C=U’_CA
U’_B=U’_AB -U_A

0’U₀=-U_A

U’_BC

Рис.
1.2. Векторная
диаграмма токов и напряжений в системе
с изолированной нейтралью.

Следовательно,
напряжения неповрежденных фаз
В и С
относительно земли увеличиваются враз
и становятся равными междуфазному
напряжению установки, а напряжение
поврежденной фазы А относи­тельно
земли — нулю.

Емкостные
токи фаз I‘_CA,

I‘_CB
, I‘_CC
при замыкании на землю фазы /’ также
определяются геометрической суммой
емкостных токов фаз в нормальном режиме
_СА,
_СВ,
_СС
к током смещения нейтрали

;

;

.

Из
векторной диаграммы
I‘_CB=
I_CB,
I‘_CC=
I_CC
и
I‘_CB=
I‘_CC=

I_C,
а угол между векторами
‘_CB
и
‘_CC
равен 60°. Ем­костный ток замыкания
на землю
_зА
равен геометрической сумме ем­костных
токов неповрежденных фаз
‘_CB
и
‘_CC
в аварийном режиме

,

так
как
.

Таким
образом, емкостный ток однофазного
замыкания на землю в системе с изолированной
нейтралью равен тройному току на землю
«здоровой» фазы при нормальном режимеC

(1.1)

и
зависит от напряжения установки, частоты
и емкости фаз относи­тельно земли.

Аварийный
режим в трехфазной системе до 1 000 В
аналогичен. Токи однофазного замыкания
на землю в системе с изолированной
нейтралью малы по сравнению с токами
нагрузки и сами по себе не­опасны для
системы. Кроме того, в аварийном режиме
работа прием­ников электроэнергии
не нарушается, так как треугольник
линейных напряжений остается без
изменений и лишь перемещается параллельно
самому себе в соответствии с перемещением
его центра тяжести в по­ложение..
определяемое напряжением смещения
нейтрали
(рис
7,2). Однако напряжение фаз B
и С относительно земли увеличилось в
раз. Если изоляция сети ослаблена, то
пробой ее может произойти в любом месте
электрической сети, что приводит иногда
к неизбира­тельному действию защиты.
При этом отключаются неповрежденные
участки сети и нарушается нормальная
работа системы электроснаб­жения.

В
связи с этим в системах электроснабжения
с изолированной ней­тралью время
нахождения неповрежденных фаз под
повышенным на­пряжением ограничивают.
Допускается не отключать возникшее
замы­кание в течение двух часов для
отыскания повреждения и принятия мер
по обеспечению электроснабжения
потребителей по другой цепи.. Длительная
работа (более двух часов) установок с
замкнутой на землю фазой недопустима,
так как может привести к двухфазному
КЗ на зем­лю, которое вызывает протекание
большого тока КЗ, могущего при­вести
к значительным повреждениям
электроустановок. Поэтому в системах
с изолированной нейтралью предусматривают
устройства контроля изоляции и специальные
сигнальные или защитные устрой­ства,
работающие на сигнал или даже на
отключение поврежденного участка.

В
сетях, работающих с изолированной
нейтралью, возможно наи­более опасное
замыкание на землю через возникшую
электрическую дугу, которая попеременно
зажигается и гаснет, что вызывает
резо­нансные явления и повышение
напряжения до (2,5…3,5)
U_Ф.
Вероят­ность возникновения перемежающейся
дуги тем больше, чем больше емкостный
ток в рассматриваемой сети.

Возникновение
электрической дуги в месте замыкания,
на землю может повредить электрооборудование
и вызвать двух- и трехфазные КЗ, а
перенапряжения могут привести к пробою
изоляции и образова­нию КЗ в частях
установок с ослабленной изоляцией.
Следствием это­го является неизбирательное
действие релейной защиты, что влечет
за собой увеличение числа аварийных
отключений (в том числе и непо­врежденных
участков), приводящих иногда к полному
«развалу» сис­темы электроснабжения.
Кроме того, возникает опасное
электромаг­нитное влияние на линии
связи, значительно возрастают градиенты
напряженности вблизи места повреждения
и, следовательно, напряжения прикосновения
и шага, на что система : изолированной
нейтралью обычно не рассчитывается.

Возможность
бесперебойного электроснабжения
приемников в аварийном режиме однофазного
замыкания на землю является основ­ным
преимуществом системы с изолированной
нейтралью. Однако это преимущество
можно использовать без ущерба для срока
службы изо­ляции лишь в тех случаях,
когда работа установок с замыканием
огра­ничена сравнительно небольшим
периодом времени (не более двух часов).

Очевидным
преимуществом этой сети является
простота реализа­ции такого режима,
поскольку при этом отпадает необходимость
в специальных устройствах для заземления
нейтрали.

Малый
ток однофазных замыканий на землю
позволяет увеличить ресурс выключателей
(поскольку однофазные замыкания достигают
90 % от общего числа замыканий).

Основными
недостатками систем с изолированной
нейтралью яв­ляются: повышенные
капитальные вложения; возможность
замыкания фазы на землю через электрическую
дугу и появления перемежающих­ся дуг;
неудовлетворительные селективность и
помехоустойчивость- устройств релейной
защиты от однофазных замыканий;
недостаточно высокие чувствительность
и быстродействие автоматических
уст­ройств замыкания на землю
поврежденной фазы. Увеличение капи­тальных
затрат объясняется повышенным уровнем
изоляции электро­установок из-за
роста напряжения неповрежденных фаз
относительно земли до линейного
напряжения при однофазном замыкании
на землю. Перемежающаяся дуга в месте
замыкания на землю сопровождается
значительными перенапряжениями на
неповрежденных фазах, превос­ходящих
в 2,5 — 3 раза нормальное фазное напряжение,
а также боль­шой вероятностью развития
однофазных замыканий в более тяжелые
повреждения. Длительное воздействие
на изоляцию дуговых перена­пряжений
ведет к накоплению в ней дефектов и к
снижению срока службы.

Рассмотренные
недостатки, в значительной мере
усложняющие эксплуатацию систем с
изолированной нейтралью, ограничивают
об­ласть их применения системами, где
емкостный ток замыкания на зем­лю не
может привести к появлению устойчивых
перемежающихся дуг.В соответствии с
этими нормами рекомендуется системы с
изолиро­ванной нейтралью применять
в сетях 6-35 кВ при емкостных токах
замыкания на землю не более: 30 А при
напряжении 6 кВ; 20 А при напряжении 10 кВ;
15 А при напряжении 20 кВ: 10 А г< сетях
налряже- кием 6-20 кВ„ имеющих железобетонные
и металлические опоры на воздушных
линиях электропередачи, и во всех сетях
напряжением 35 кВ; 5 А в схемах генераторного
напряжения 6-20 кВ блоков «гене­ратор
— трансформатор», а также в сетях с
напряжением до 1000 В при наличии в них
электроустановок с повышенной опасностью
обслужи­вания.

Одним
из способов повышения надежности
электроснабжения в распределительных
сетях является компенсация емкостных
токов од­нофазных замыканий.
Использование компенсации емкостных
токов позволило не только решать задачу
гашения дуг неустойчивых одно­фазных
замыканий, но и, существенно снизив ток
в месте повреждения, ограничить число
переходов однофазных замыканий в
междуфазные.

Для
уменьшения емкостных токов однофазного
замыкания на зем­лю между нейтралью
источников или приемников электроэнергии
и землей включаются компенсирующие
устройства. Наибольшее рас­пространение
получили дугогасящие реакторы (ДГР).
Индуктивность катушки L_K
регулируется
изменением числа витков или величины
за­зора сердечника. Активное
сопротивление катушки r_к
по сравнению с индуктивным мало.

Рассмотрим
аварийный режим в системе напряжением
выше 1000 В с компенсацией емкостных токов
однофазного замыкания на землю при
помощи ДГР. Расчетные схемы замещения
систем в нормальном и аварийном режимах
показаны на рис. 7.3 .Условия нормального
режи­ма аналогичны рассмотренным
выше для изолированной нейтрали, ток в
реакторе равен нулю ( I_к
= 0).
При полном замыкании на землю фазы
(например,
А)
напряжения поврежденной и «здоровых»
(В и С)
фаз от­носительно земли и емкостные
токи в фазах изменяются так же, как в
системе с изолированной нейтралью, т.е.

;

;

;_,

U_C I_CC C U’_C ‘_CC C

U_B U_B I_CB B U’_B
I’_CBI B

r_k U_A I_CA A r_kU’_A
I_K
I’_CC
K I’_CB \A

L_k C_A
C_B
C_C I_K I_3A С_A
C_B
C_C

_ICA
ICB I_CA L_kI_K I_3AрезI’_CB
I’_CC

r₃ r₃ I_C0

Рис.
1.3. Система напряжения выше 1000 В с
нейтралью, заземленной через дугогасящую
катушку:

а
— расчетная схема замещения в нормальном
режиме; б — расчетная схема замеще­ния
в аварийном режиме

а
углы между векторами
U‘_B
и
U‘_С,

I‘_CB=
I‘_CC
равны 60°. При этом дугогасящая катушка
оказывается под фазным напряжением (U₀
=
—U_А)
и через место замыкания на землю протекают
токи: индук­тивный ток катушки
I_L
и
емкостный ток замыкания на землю
I_зА,
ко­торые отличаются по фазе на. 180°
и, следовательно, компенсируют друг
друга. Настроить ДГР можно в резонанс
(когда
I_L
=
), в режим недокомпенсации (когда
I_L
<
I_зА)
и в
режим перекомпенсации (когда I_L
>
I_зА).

Дугогасящие
аппараты должны иметь резонансную
настройку. До­пускается настройка с
перекомпенсацией, при которой реактивная
со­ставляющая тока замыкания на землю
должна быть не более 5 А, а степень
расстройки — не более 5 %. Работа с
недокомпенсацией емко­стного тока,
как правило, не допускается.

Поэтому
при резонансной настройке катушки (jωL_K
=
1 /
j3ωC)
теоретически результирующий ток в месте
замыкания I_3Aрез
должен быть равен нулю

Однако
выполнить условие I_3A
= 0 практически очень сложно, так как,
во-первых, даже при полной компенсации
емкостного тока замы­кания на землю
через место аварии течет так называемый
остаточный ток (I_0к
), обусловленный активной проводимостью
катушки, актив­ными токами утечки и
другими факторами, который изменяется
глав­ным образом в зависимости от КПД
катушки и состояния изоляции сети;
во-вторых, периодические включения и
отключения отдельных линий приводят к
постоянным изменениям величины емкостного
тока сети I_С,
что требует постоянной регулировки
индуктивности катушки для выполнения
условия полной компенсации; в-третьих,
для четкого срабатывания устройств
релейной защиты, реагирующей на
однофаз­ные замыкания на землю,
необходимо, чтобы величина I_зрез
была не

менее
величины тока срабатывания защиты.

U_A

I_K0 I_3aрез I’_CB I_K

I_3a 0 I_L

I’_CB+I’_CC

U_C I’_CC U_B

0’

U₀=-U_A

U’_C U’_B

Рис.
1.4. Векторная
диаграмма токов и напряжений в системе
с компенсированной нейтралью.

Результирующий
ток замыкания на землю фазы
Л
в системе с ней­тралью,, заземленной
через дугогасящий реактор, можно
определить из следующего выражения:

=
U_Ф

а
при условии резонанса, полагая, что r_K<<
ωL_k

При
хорошей (резонансной или близкой к ней)
настройке катушки результирующий ток
однофазного замыкания на землю не
превосходит предельных значений с точки
зрения устойчивой дуги, т. е. исключает­ся
возможность существования устойчивой
дуги, что является основным преимуществом
рассматриваемого способа заземления
нейтрали по сравнению с изолированной
нейтралью. В связи с этим предотвращается
повышение напряжения на поврежденной
фазе выше нормального фазного.
Перенапряженияна неповрежденных фазах,
обусловленные высокочастотными
колебаниями, имеют существенно меньшие
значения, чем в сети с изолированной
нетралью. Благодаря снижению перенапряжений
резко уменьшается вероятность перехода
однофазных замыканий в двух- и трехфазные
короткие замыкания.

Кроме
того, системы с компенсацией емкостных
токов при однофазном замыкании на землю
характеризуются следующими положи­тельными
факторами: при развитии замыкания на
землю предупрежда­ется на ранней
стадии развивающийся пробой изоляции
электроустановок; переходящие замыкания
на землю подавляются, причем 70…90% таких
замыканий ликвидируются без отключения;
медленно возрастает напряжение до U_Ф,
что способствует восстанов­лению
диэлектрической прочности изоляции;
при устойчивых замыка­ниях на землю
ток, проходящий через место замыкания,
снижается до нескольких процентов
емкостного, что улучшает условия
электробезо­пасности в месте замыкания,
хотя полностью не устраняет возможиость
электропоражения в сетях с воздушными
линиями, режим одно­фазного замыкания
на землю в компенсированной сети не
является аварийным, а расценивается
как нормальный и может продолжаться
несколько часов, следовательно,
разрешается работа приемников на период
отыскания и устранения повреждения,
т. е. число отключений и потери питания
у потребителей минимальны, что обеспечивает
беспе­ребойное электроснабжение;
градиенты напряженности вблизи места
повреждения значительно снижены, что
обеспечивает безопасность людей. Однако
следует отметить, что все перечисленные
преимущест­ва компенсации имеют место
только при резонансе или небольшой
расстройке (1…3 %).

К
недостаткам систем с нейтралью,
заземленной через дугогася- щую катушку,
можно отнести: повышенные капитальные
затраты, вызываемые повышенными
требованиями к уровню изоляции
элек­троустановок; сложность
эксплуатации систем с компенсированной
нейтралью из-за необходимости вести
постоянное наблюдение за со­стоянием
компенсации и трудности в определении
места поврежде­ния, если оно не
развилось; возможность повышения
напряжения «здоровых» фаз относительно
земли более линейного и существова­ния
перенапряжений, если нет точной настройки
и дуга устойчива; возможность возникновения
многоместных повреждений при дли­тельном
существовании дугового замыкания в
сети; увеличение капитальных вложений
и эксплуатационных расходов в связи с
уста- . новкой дугогасящих аппаратов по
сравнению с системой с изолиро­ванной
нейтралью; сложность обеспечения
правильной работы ре- . лейных защит от
однофазных замыканий, так как ток
поврежденного ( присоединения очень
незначителен и, следовательно, повышенные
I затраты. Отметим дополнительно, что
дугогасящий реактор компен- j
сирует
только составляющую промышленной
частоты тока однофаз- ного замыкания.
При наличии в сети источников высших
гармоник ; последние могут содержаться
в токе замыкания и в некоторых случа­ях
даже усиливаться.

Компенсация
тока однофазного замыкания на землю
(использова­ние дугогасящих реакторов)
должна предусматриваться при емкост­ных
токах: более 30 А при напряжении б кВ; 20
А при напряжении 10 кВ; 15 А при напряжении
20 кВ; 10 А в сетях напряжением 6-20 кВ,
имеющих железобетонные и металлические
опоры на воздушных ли­ниях электропередачи,
и во всех сетях напряжением 35 кВ; 5 А в
схемах генераторного напряжения 6-20 кВ
блоков «генератор- трансформатор»

В
России этот режим нейтрали применяется
в основном в раз­ветвленных кабельных
сетях промышленных предприятий и
горо­дов с большими емкостными токами.
Кабельная изоляция в отличие от воздушной
не является самовосстанавливающейся,
т. е. 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. При
дуговом характе­ре однофазного
замыкания скважность воздействия
перенапряжений на изоляцию сети ниже,
чем при изолированной нейтрали, но и
здесь существует возможность возникновения
многоместных по­вреждений. В последние
десятилетия сети 6-10 кВ разрослись, а
мощность компенсирующих устройств на
подстанциях осталась той же, соответственно
значительная доля сетей среднего
напряжения сейчас работает с существенной
недокомпенсацией. Это ведет к ис­чезновению
всех положительных свойств сетей с
компенсированной нейтралью.

Решение задач защиты от замыканий на землю в сетях с компенсированной нейтралью | NOJA Power

NOJA Power расширяет возможности защиты в своей системе реклоузера OSM для обеспечения защиты от замыканий на землю для сетей с компенсированной нейтралью

Установка реклоузера NOJA Power OSM

Защита от замыканий на землю является основным методом защиты в современных распределительных сетях. Приблизительно 80% сбоев в подаче электроэнергии в распределительной сети относятся к этому классу сетевых отказов, поэтому неудивительно, что для решения возникающих проблем были предприняты значительные исследования и усилия. Традиционные методы резистивного или сплошного заземления были щедры на подачу тока короткого замыкания для работы защиты, но эти конструкции сети выходят из моды вместо более безопасных альтернатив. Схемы компенсированного заземления нейтрали становятся все более популярными, поскольку они обеспечивают меньшую энергию повреждения в месте повреждения и, таким образом, представляют собой более безопасную альтернативу. Недостатком является то, что они уменьшают токи короткого замыкания, которые используются для работы традиционных схем защиты. В последней версии микропрограммы реклоузера NOJA Power OSM производитель распределительного устройства представил новый класс защиты, направленный на обеспечение специфичности и селективности замыкания на землю в условиях уменьшающихся токов замыкания.

В качестве краткого примера на рис. 1 показаны фундаментальные различия между резистивными и компенсированными нейтральными сетями. Замыкания на землю являются результатом замыкания одной или нескольких фаз на землю. В электричестве ток протекает только по замкнутой цепи, и замыкания на землю не являются исключением.

Рисунок 1.1 – Сеть среднего напряжения с резистивным заземлением Рисунок 1.2 – Сеть с компенсированной нейтралью

В традиционных сетях с резистивным или глухозаземленным заземлением ток короткого замыкания просто протекает через место повреждения, через землю и обратно через точку звезды трансформатора. Ключевая сложность здесь заключается в том, что линии электропередачи также действуют как конденсатор. Проще говоря, линии электропередач изолированы от земли, и эффект поля в линиях электропередач вызывает токовые эффекты в земле под ними. Хотя на коротких линиях электропередач эффект невелик, он линейно растет с увеличением длины линий. Защита от замыканий на землю обычно достигается путем считывания тока нейтрали или его виртуализации путем суммирования трех фаз. Исправные линии имеют очень небольшую утечку на землю, в то время как в традиционных схемах заземления замыкания на землю могут иметь значительную величину. Классические реле замыкания на землю просто работают на этом токе дисбаланса.

Однако эта традиционная схема заземления обеспечивает намного больший ток, чем требуется для мест повреждения. Поскольку величина замыкания на землю зависит от импеданса схемы заземления, инженеры модифицировали эту конструкцию, чтобы уменьшить величину тока замыкания на землю при сохранении безопасного рабочего напряжения.

Простым классическим нововведением стало добавление «катушки Петерсена». Поскольку ток замыкания на землю был полностью комбинацией резистивного и емкостного тока, теория гласила, что замыкания на землю можно смягчить, удалив резистивную землю трансформатора и заменив ее настроенной катушкой индуктивности. Теоретически, при условии, что индуктивность соответствует емкости линии, ток короткого замыкания будет равен нулю.

На практике это не совсем достижимо, так как реальные катушки индуктивности обладают реальным сопротивлением, и никакая линия не может быть идеально скомпенсирована, но эффект все равно впечатляющий. Токи замыкания на землю можно уменьшить до нескольких процентов от того, что можно было бы ожидать для схемы с глухим заземлением, что повышает безопасность, но снижает чувствительность. Именно в этой области должны быть реализованы инновации в схемах защиты. Дополнительным усложнением является последнее добавление схем активной компенсации, в соответствии с которыми компенсация достигается за счет подачи энергии в нейтральную точку трансформатора подстанции, чтобы вернуть векторы подачи энергии обратно в линию. Эта новейшая технология является более точной, чем классические катушки Петерсена, и обеспечивает еще большее снижение реального тока замыкания на землю.

При уменьшении токов замыкания на землю в первую очередь необходимо обеспечить эффективное обнаружение. Когда токи короткого замыкания настолько малы, соседние фидеры также могут проявлять признаки замыкания на землю, просто вызванные емкостным эффектом их собственных линий (Рисунок 1-2). Ключевым моментом является точное определение того, какие фидеры имеют «реальный» ток КЗ, а какие имеют «реактивный/емкостный» ток.

В последней версии микропрограммы контроллера реклоузера OSM NOJA Power компания NOJA Power представила обновления стандартной функции защиты от замыканий на землю для повышения чувствительности и селективности в топологиях сети с компенсированной нейтралью. Эти функции включают в себя:

• Блокировка отключения и координация на основе смещения напряжения нейтрали
• Модификации расчета тока нейтрали (методы Io cos Ф и Io sin Ф)
• Изменчивость рабочего диапазона для характеристического угла реле (RCA) или угла крутящего момента реле

«Сетевые схемы с компенсацией нейтрали имеют как преимущества, так и проблемы», — сообщает управляющий директор NOJA Power Group Нил О’Салливан. «Уменьшение величины замыкания на землю обеспечивает большую безопасность и помогает снизить риск лесных пожаров, но устраняет величину замыкания на землю для работы защиты. Мы ответили на вызов, который это поставило перед инженерами по защите, внедрив новые функции в нашу прошивку версии 1.20 для продуктов RC10 и RC15. Если эта новая функция используется в сочетании с согласованными трансформаторами тока, которые обеспечивают чувствительную защиту от замыканий на землю вплоть до уставки срабатывания 200 мА, то можно разработать высокочувствительные схемы защиты от замыканий на землю».

Достижение точной защиты от замыканий на землю является сложной задачей в сетях с компенсированной нейтралью, но с прошивкой NOJA Power Relay 1.20.0.0 в их системе реклоузера OSM эта проблема больше не является непреодолимой. Дополнительные функции позволяют пользователям сетей с компенсированной нейтралью обнаруживать замыкания на землю с высокой степенью достоверности, обеспечивая безопасность и надежность для конечного пользователя.

Адмиттерная защита для реклоузеров OSM

Адмиттерная защита предоставляет инженерам значительно расширенные возможности обнаружения замыканий на землю с высоким импедансом, предоставляя альтернативное решение для достижения более высокой чувствительности, чем обычная защита от замыканий на землю. Новый пакет защиты Noja доступен для всех пользователей контроллера RC10 посредством обновления встроенного ПО и реализуется путем оценки характеристик полной проводимости нейтрали фидеров, подключенных к реклоузору.

Защита от полной проводимости предоставляет инженерам значительно расширенные возможности обнаружения замыканий на землю с высоким импедансом, предоставляя альтернативное решение для достижения более высокой чувствительности, чем обычная защита от замыканий на землю. Новый пакет защиты Noja доступен для всех пользователей контроллера RC10 посредством обновления встроенного ПО и реализуется путем оценки характеристик полной проводимости нейтрали фидеров, подключенных к реклоузору.

Дополнительные функции повышают чувствительность защиты реклоузера, особенно в сетях с компенсацией и заземлением с высоким сопротивлением, где резистивный ток утечки на землю обычно ниже разумных уровней срабатывания защиты. Изучая активную и реактивную составляющие проводимости нейтрали, можно установить назначенные зоны защиты для реклоузеров, обеспечивая дополнительную чувствительность и надежность для всех установок.

Цель защиты проводимости

За последние несколько десятилетий популярность проектирования сетей с глухим заземлением в целом снизилась. Основная причина заключается в том, что замыкания на землю в сетях с глухозаземленным заземлением характеризуются высокими токами замыкания на землю. Несмотря на снижение безопасности при больших замыканиях на землю, большая величина замыкания на землю означает, что реле, подключенные к этой сети, будут испытывать заметное увеличение тока нейтрали в условиях неисправности. Это сделало релейную защиту от замыканий на землю очень простой.

Однако, принимая во внимание последствия для безопасности сети, безопасности и риска лесных пожаров, часто выгодно реализовать схемы для ограничения тока замыкания на землю на фидере. Существует несколько методов снижения замыканий на землю, от заземления с высоким импедансом до катушек Петерсена и активной компенсации. При реализации методов ограничения замыкания на землю часто уровни замыкания на землю устанавливаются ниже уровней обнаружения для обычных реле, и для обнаружения наличия замыкания требуются дополнительные методы.

Это уменьшение величины замыкания на землю означает, что инженерам по защите необходимо использовать новые методы обнаружения замыканий на землю с достаточной чувствительностью в сетях с высоким импедансом. Ответом на этот вызов является защита допуска.

Как это работает

Адмиттерная защита является мерой того, насколько легко току «выйти» из системы нагрузки. Чем выше значение полной проводимости нейтрали, тем легче току уйти из рассматриваемой цепи нагрузки. Устанавливая предел того, насколько высоким может быть это значение, защита полной проводимости обеспечивает алгоритм, по которому срабатывает даже при низком токе замыкания на землю. Полное сопротивление относительно земли уменьшается в случае замыкания на землю, что противоположно большинству других элементов защиты, в то время как, наоборот, полная проводимость по отношению к земле увеличивается. Большинство элементов защиты срабатывают, когда показатель сети становится слишком высоким (слишком большой ток, слишком большое напряжение и т. д.), поэтому проводимость легче рассчитать и понять с точки зрения защиты сети. По мере того, как неисправность становится более серьезной, пропускная способность также увеличивается. Установив предел того, насколько высоким может быть это значение полной проводимости, можно обеспечить защиту от замыканий на землю, даже когда отдельные отклонения напряжения или тока малы.

Распознавание неисправности

Также возможно путем изолированного изучения реактивного и резистивного эффектов сделать вывод о наличии неисправности, даже если на первый взгляд отдельные компоненты замыкания на землю кажутся небольшими.

Защита по проводимости традиционно была доступна только на уровне напряжения передачи. С улучшением стабильности и баланса сетевого напряжения в распределительных сетях стало возможным использовать характеристики полной проводимости в качестве более точного метода обнаружения неисправностей. Говорят, что последняя реализация защиты доступа в Noja Power RC10 обеспечивает доступ к защите уровня передачи в среде распределительной сети, обеспечивая большую чувствительность и эффективность реализации защиты.