Игорь Моисеевич СИРОТА,
Станислав Нестерович КИСЛЕНКО, Александр Михайлович МИХАЙЛОВ
РЕЖИМЫ НЕЙТРАЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ — Киев: Наук. думка, 1985.
В монографии показано влияние режимов нейтрали на важнейшие показатели работы электрических распределительных сетей различных напряжений. Изложены основные принципы работы сетей с изолированной, заземленной через активное сопротивление, эффективно заземленной нейтралью и с компенсацией емкостных токов замыкания на землю. Описаны принципы автоматического регулирования индуктивности реакторов. Представлены конструкции заземляющих устройств активных сопротивлений, дугогасящих реакторов с изменяющимся зазором, подмагничиванием, тиристорным переключением витков и др. Значительное внимание уделено теории, расчету и методам предотвращения феррорезонансных процессов, возникающих в сетях при неблагоприятном режиме нейтрали. Рассмотрены требования к селективной релейной защите и сигнализации замыканий на землю в электрических сетях в зависимости от режимов нейтрали.
Для научных и инженерно-технических работников, занятых в области электроэнергетики.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Многие важные технические и экономические показатели электрических сетей существенно зависят от того, работает ли сеть с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через сопротивление того или иного вида. Режимы нейтрали непосредственно влияют на стоимость изоляции линий и оборудования, а также заземляющих устройств; на возможность развития повреждений и износ оборудования сети при однофазных замыканиях на землю; на надежность электроснабжения потребителей; на возможность возникновения в сети опасных феррорезонансных и резонансных процессов; на условия безопасности обслуживания электроустановок; на выполнение и функционирование устройств защиты от замыканий на землю. При современных высоких требованиях, предъявляемых к показателям работы электрических сетей различного назначения всех напряжений, правильный выбор режима нейтрали и его осуществление в различных условиях имеют большое принципиальное и практическое значение.
Вопросы режимов нейтрали обсуждались на общих и специальных научно-технических конференциях [40, 42, 81, 82] и совещаниях.
За время существования электрических сетей режимы нейтрали в разных странах несколько раз пересматривались. В трехфазных сетях напряжением до 1000 В применялось как глухое заземление нейтрали, так и работа сети с полностью изолированной нейтралью. Еще в начале 30-х годов в нашей стране сети 220/127 В работали с изолированной нейтралью. При этом для предотвращения возникающей опасности в случае пробоя обмотки высокого напряжения питающего понижающего трансформатора на сторону низкого напряжения предусматривалось включение пробивного предохранителя между нейтралью обмотки низкого напряжения и землей. Однако в связи с трудностью контроля исправности этих предохранителей на многочисленных трансформаторах в протяженных сетях, а также в связи с переходом на повышенное напряжение 380/220 В в них перешли на глухое заземление нейтрали. Режим изолированной нейтрали сохранялся только в сетях, питающих установки с повышенной опасностью.
На протяжении многих лет сети высокого напряжения до 110 кВ, И иногда и до 220 кВ включительно работали с нейтралью, заземленной через активное сопротивление или ненастроенную индуктивную катушку. Иногда катушка и резистор соединялись параллельно.
В некоторых случаях при однофазном замыкании на землю применялось автоматическое замыкание на землю (шунтирование) поврежденной фазы (АЗФ). Однако оно не получило широкого распространения, по-видимому, из-за несовершенства существовавшей коммутационной аппаратуры.
В сетях напряжением 110 кВ и более применялось и широко применяется до настоящего времени глухое заземление нейтрали. Для ограничения токов однофазного короткого замыкания (к. з.) на землю обычно глухо заземляют нейтрали не всех, а лишь части трансформаторов, работающих в таких сетях. Широко применяется также так называемое аффективное заземление нейтрали через активное или индуктивное сопротивление. При эффективном заземлении напряжения относительно земли неповрежденных фаз в случае однофазного металлического (глухого) замыкания на землю не должны превышать 0,81ном, т. е. увеличиваются не более чем в 0,8-1,73≈1,38 раза по сравнению с нормальным режимом при номинальных напряжениях.
С начала 20-х годов (в нашей стране с начала 30-х годов) до настоящего времени в сети напряжением до 35 кВ, а в некоторых случаях (за рубежом) и до 110 кВ включительно широкое распространение получили дугогасящие реакторы (катушки), компенсирующие емкостный ток однофазного замыкания на землю. Вместе с тем в ФРГ и некоторых других странах 50—60-е годы были периодом отказа от дугогасящих реакторов (ДГР) и компенсации.
В США и частично в Великобритании в течение ряда лет практиковалось глухое заземление нейтрали в сетях всех напряжений. Однако начиная с 40-х годов и в этих странах все чаще стали переходить к компенсации емкостных токов замыкания на землю, а также к заземлению нейтрали через резисторы. Следует заметить, что в зарубежных странах обычно не встречало возражений получающееся в результате заземления через резистор наложение как в компенсированных, так и в некомпенсированных сетях довольно больших активных токов замыкания на землю (порядка нескольких десятков, а иногда и сотен ампер).
В последние годы за рубежом снова возникла тенденция к отказу от компенсации емкостных токов в сетях средних напряжений и к заземлению нейтрали через высокоомное сопротивление, при котором активная составляющая тока замыкания на землю ограничивается до небольших значений — порядка нескольких ампер [127, 128].
В нашей стране, начиная с послевоенных лет, сети 6, 10, 35 кВ при небольших емкостных токах замыкания на землю работают с полностью изолированной нейтралью, а при превышении определенный значений этих токов — с заземлением нейтрали через ДГР. Имеется также опыт заземления нейтрали (в сетях 6—10 кВ открытых горных разработок с емкостным током порядка нескольких ампер) через трансформаторы напряжения е замкнутой накоротко обмоткой, соединенной в треугольник.
В сетях напряжением 110 кВ и более обычно применяется глухое заземление всех или части нейтральных точек трансформаторов и автотрансформаторов. Иногда выполняется также эффективное заземление нейтрали через резисторы или реакторы. В сетях напряжением до 1000 В при отсутствии установок с повышенной электроопасностью нейтраль заземляется наглухо, а при наличии таких установок оставляется полностью изолированной или в некоторых случаях заземляется через ДГР. В некоторых сетях с полностью изолированной нейтралью (пока главным образом на опытных установках) проводится автоматическое замыкание на землю поврежденной фазы с помощью вакуумных выключателей, тиристоров н других коммутационных аппаратов.
В действующих нормативных материалах, вышедших в последние годы, требования к режимам нейтрали электрических сетей напряжением выше 1000 В и некоторые формулировки подверглись уточнениям. Следует заметить, что в этих материалах отсутствует применявшееся ранее понятие о сетях с большим и малым током замыкания на землю.
Согласно новому стандарту [19] трехфазные электрические сета в зависимости от их режима нейтрали разделяются на сети с изолированной и заземленной нейтралью. Сетью с изолированной нейтралью считается такая, в которой ни одна из нейтралей генераторов и силовых трансформаторов не имеет соединения с землей, за исключением соединений через приборы измерения, защиты, сигнализации, ДГР и другие аппараты с большим сопротивлением. Очевидно, согласно этому определению, сеть с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (компенсированная сеть) является частным случаем сети с изолированной нейтралью. Электрической сетью с заземленной нейтралью считается такая сеть, в которой хотя бы одна из нейтралей генераторов или силовых трансформаторов заземлена непосредственно или через устройство с малым сопротивлением по сравнению С сопротивлением нулевой последовательности сети.
В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [76] работа электрических сетей напряжением 3—35 кВ должна предусматриваться с изолированной или заземленной через ДГР нейтралью. Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в сетях напряжением 3—20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ — более 10 А; в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на воздушных линиях, при напряжении 3—6 кВ — более 30 А, при напряжении 10 кВ—более 20 А, при напряжении 15—20 кВ — более 15 А; в схемах напряжением 6—20 кВ блоков генератор—трансформатор (на генераторном напряжении)—более 5 А.
При токах замыкания на землю более 50 А рекомендуется применение не менее двух заземляющих ДГР.
К сетям с заземленной нейтралью относится сеть с эффективно заземлённой нейтралью, в которой нормируется так называемый «коэффициент замыкания на землю», под которым понимается наибольшее отношение разности потенциалов между неповрежденной фазой и землей в точке замыкания к разности потенциалов между фазой и землей в этой точке до замыкания. Следует заметить, что в ряде работ [8, 52, 64] указанное отношение не вполне удачна именовалось «коэффициентом заземления».
В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [76] электрической сетью с эффективно заземленной нейтралью называется трехфазная электрическая сеть напряжением более 1000 В, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. Эффективное заземление нейтрали является обязательным в сетях напряжением 110 кВ и выше. Согласно Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей [79] в таких сетях разземление нейтрали обмоток трансформаторов напряжением 110—220 кВ, а также выбор действия релейной защиты и системной автоматики должны осуществляться таким образом, чтобы при различных оперативных и автоматических отключениях не выделялись участки сети без трансформаторов с заземленными нейтралями. Согласно ПУЭ [77] в сетях с изолированной нейтралью предусматривается селективная защита от однофазных замыканий на землю, действующая на сигнал или, когда это необходимо по требованиям безопасности, на отключение без выдержки времени. Обычно при действии защиты на сигнал допускается работа сети с замыканием фазы на землю в течение не более двух часов.
В новых нормативных материалах остались без изменений существовавшие ранее требования к режимам нейтрали в сетях напряжением до 1000 В.
Накопленный в нашей стране и за рубежом многолетний опыт эксплуатации электрических сетей, а также проведенные в различных организациях исследования указывают на необходимость критического подхода к некоторым вопросам выполнения режимов нейтрали.
В главах I—VII настоящей книги рассматриваются особенности работы сетей при основных режимах нейтрали, а в главах VIII— XI — вопросы практической реализации этих режимов. В главе XII подводятся итоги всего рассмотрения и сделана попытка определить целесообразные режимы нейтрали.
Предисловие и гл. I—VII и XII написаны И. М. Сиротой, а гл. VIII—XI — совместно С. Н. Кисленко и А. М. Михайловым.
