Заземление нейтрали в высоковольтных системах - Резонансное заземление в странах британского содружества

Великобритания

Резонансное заземление впервые было применено в 1934 г. на 11  кВ, в 1936 г. — на 33  кВ и в 1938 г. — на 66  кВ. В 1938 г. защищалось с помощью другогасящих катушек 1 900 км линий и кабелей 11  кВ, 210 км линий 33  кВ и 420 км линий 66  кВ.
Первая экспериментальная секция в Восточной Англии раньше работала с глухо заземленной нейтралью. В первом же году после включения катушек число отключений сразу снизилось на 75%. В сети 11  кВ, раньше работавшей с глухо заземленной нейтралью, после установки катушки число отключений снизилось на 69%. Опыт работы с резонансным заземлением в сети 35 кз той же области дал вполне удовлетворительные результаты. В кабельной сети имели место случаи работы с заземленной фазой без прекращения питания в течение времени 2,5—11      ч.
В сети 66  кВ, раньше заземленной через сопротивление, в течение первоначального периода наблюдалось необычно высокое количество случаев пробоя штыревых изоляторов. Однако мощность компенсационного устройства вскоре выросла на 14%.
Государственная система Грид, образованная в 1929 г., состояла из 7 300 км воздушных линий 132  кВ, 72 км кабельных линий 132  кВ, 600 км воздушных линий 66  кВ и 2 840 км воздушных линий 33  кВ.
В 1951 г. были введены в эксплуатацию 600 км (по трассе) воздушных линий 275  кВ.
Линии 132  кВ на металлических опорах с одним тросом, расположенным на высоте 1,2—2,1 м над верхним проводом. Условия для заземления обычно благоприятны, 60% измеренных сопротивлений заземления опер не превышали 5 Ом и 82% не превышали 10 Ом. 50% опор, на которых происходили перекрытия изоляции, имели сопротивление заземления менее 5 Ом (Л. 24]. Это является показателем недостаточно надежных углов защиты (см. § 3.1 гл. 7). Линии 66 и 33  кВ также были смонтированы на металлических опорах с одним тросом.
Все нейтрали сети 132  кВ были глухо заземлены по следующим причинам: наибольшая экономия в капитальных затратах; легкое селективное выделение пораженного участка; малая вероятность возникновения динамических перенапряжений.
66  кВ сеть Грид имела заземление во многих точках через активное сопротивление. Все трансформаторы на стороне низкою напряжения заземлялись через сопротивление. Эта установившаяся ранее практика была принята для ограничения тока замыкания на землю, что необходимо из-за наличия в системе медленно действующей защиты и маломощных старых выключателей. Таким путем была достигнута также защита оболочек кабелей от перегрева. Величины заземляющих сопротивлений были выбраны таким образом, чтобы ток в месте повреждения не превосходил номинального тока трансформатора. В системе применялись в основном водяные сопротивления.
Впоследствии, в период 1937—1944 гг., дугогасящие катушки были установлены в одной трети сети 33  кВ. В 1948 г. пришли к выводу, что, вероятно, около 80% грозовых перекрытий, а также все замыкания на землю вследствие прямого контакта провода с землей также были ликвидированы дугогасящими катушками.
Эксплуатационные показатели за 14 лет для системы Грид характеризуются следующими данными грозовых отключений на 100 км в году [Л. 24]: 132  кВ — 0,5, 66  кВ — 1,0, 33  кВ— 1,4.

3.2. Эйре

Электрическая система Эйре, как видно из табл. 53, в 1945—1946 г. состояла из четырех участков сети [Л. 25 и 26]. Резонансное заземление применялось в сетях 110 и 38  кВ, дугогасящие катушки были рассчитаны на 3-часовую работу. В сети 110  кВ в дополнение к оригинальному трехфазному устройству (трансформатору Бауха) были включены две дугогасящие катушки.

Таблица 53

В сети 35  кВ были установлены четыре трансформатора Бауха, к которым впоследствии были добавлены 13 дугогасящих катушек, так как сеть значительно выросла. Некоторые из последних катушек были на 80/10 а со ступенями регулировки 10 а, но при расширении также применялись катушки 50/100 а с непрерывной регулировкой.
Сеть 110  кВ имела 420 км одноцепных линий на деревянных опорах со стальными угловыми опорами. Деревянные опоры имели металлические незаземленные траверсы. Остальные линии сети были выполнены на металлических опорах. Грозозащитный трос отсутствует. Сеть 38  кВ, также без грозозащитного троса, имела 43% металлических опор; остальные опоры были деревянными с незаземленными металлическими траверсами. Линии 10  кВ на деревянных опорах также с незаземленными металлическими траверсами без тросов.
Специальных мероприятий по улучшению сопротивлений заземления опор не проводилось.
За 17-летний период эксплуатации имело место следующее число грозовых отключений: для 110  кВ — 0,59 на 100 км в году и для 38  кВ — 2,4 на 100 км в году, причем разница для линий на деревянных и металлических опорах несущественна. Инженеры, эксплуатирующие систему, считали применение катушек наиболее эффективным мероприятием, так как оно позволяло обходиться без других видов защиты (грозозащитные тросы, низкие сопротивления заземления опор). Время работы с заземленной фазой ограничивалось только нагревом катушек. Таким образом, имелась очевидная экономия средств за счет применения дугогасящих катушек.

Земляные реле применялись только для сигнализации. В системе сохранялась достаточно большая активная составляющая остаточного тока, для чего потери в катушках не должны были быть меньше определенной величины. Так как место замыкания определялось показаниями нескольких реле, ошибки в отдельных показаниях не имели значения.
Сети 10  кВ имеют сравнительно малую протяженность и эксплуатируются с изолированной нейтралью.

Южная Африка

В [Л. 27—29] опубликованы информации об опыте заземления нейтрали ряда систем.
Двухцепная линия 132  кВ с электростанции Вестбанк подсоединена к трансформаторам со ступенчатой изоляцией и оборудована противовесами для предотвращения многофазных замыканий. Нейтраль заземлена наглухо. Из всех замыканий в 41 % случаев повреждались одновременно две цепи (см.§ 3.6 гл. 7).
Компанией эксплуатируются также две системы 88  кВ.
Более крупная восточная часть состоит из 1 180 км воздушных линий с двухстоечными Н-образными опорами; нейтраль сети первоначально (1932 г.) была заземлена через сопротивление, позднее глухо заземлена и, наконец (в 1937 г.), сеть была компенсирована. Три катушки на ток 371 а имеют суммарную мощность 18 000  кВА. Было установлено, что при частых грозах не удастся работать с устойчивым замыканием на землю, так как быстро следующие один за другим удары молнии поражают разные фазы. Четыре автоматических шунтирующих выключателя включались через 1; 1,5; 1,5 и 6,5 сек соответственно, причем первые три выключателя затем автоматически отключались через 5 сек. Эти выключатели работали в четырех случаях за 3 года.
После первоначального периода эксплуатации 225 дней в 1937/38 гг. было обнаружено, что из 83 замыканий (в том числе 7 многофазных и 2 устойчивых однофазных замыкания) 88% были погашены при различных метеорологических условиях (75% в грозу, 98% в хорошую погоду). Сравнение показателей работы этой же сети, когда она имела глухое заземление нейтрали (см. § 2 гл.7), с последующей работой при резонансном заземлении убедительно доказывают преимущество последнего метода заземления нейтрали.
В последующие годы были вновь получены хорошие результаты работы.
Восточная и центральная части системы 88  кВ состоят из 9 линий 88  кВ, присоединенных к трансформаторной группе 55 Мва (на приемных концах выключатели отсутствуют); некоторые линии идут параллельно по трассе на расстоянии 15 м одна от другой. Сеть была признана негодной для резонансного заземления. Между отдельными линиями имеется большой коэффициент связи, часть линий не имеет транспозиций. Практические исследования показали, что в этом случае резонансное заземление дало бы больше усложнений, нежели преимуществ. Чтобы избежать поперечной компенсации, было сохранено глухое заземление нейтрали. Результаты работы сети резко отличаются от показателей работы другой части сети, где имеется резонансное заземление (см. § 2 гл. 7).
Сеть 40  кВ той же компании имела заземление нейтрали через сопротивление и глухое заземление; она состояла приблизительно из 800 км одноцепных и двухцепных линий, из которых первоначально 38% были полностью или частично смонтированы на штыревых изоляторах; линии имеют два грозозащитных троса. Территориально линии проходят по возвышенности с частыми грозами, почва каменистая, и вследствие высоких сопротивлений заземлений многофазные замыкания не могли быть предотвращены. Сеть электрически связана, но может быть разделена на 11 частей.
Характерная черта системы та, что около 40% линий по протяженности являются радиальными и оборудованы чувствительными реле направления мощности нулевой последовательности; остальная часть линий соединена в кольцо и оборудована защитой с контрольным кабелем. Для увеличения надежности питания и безопасности персонала была сделана попытка применить резонансное заземление. В 1934 г. были установлены пять катушек с общим током 157 а, рассчитанных на 15-минутную работу. Если время замыкания на землю превышало 1 сек, нейтраль заземлялась наглухо, так как могли иметь место многократные грозовые отключения.
Очевидно, что высокий процент многофазных замыканий (40—50%) в сетях во время гроз уменьшает преимущества, получаемые от применения дугогасящих катушек. Имели место три случая, когда работа дугогасящих катушек предотвратила несчастные случаи с персоналом. При дальнейшем расширении сети она будет иметь резонансное заземление.
Кроме того, все радиальные линии постоянно отключались чувствительной защитой направления мощности нулевой последовательности и, таким образом, эффект самопогасания дуги сводился к нулю.
Для линий, работающих в кольце, получились следующие данные за 343 дня (табл. 54).

Таблица 54

Следовательно, 93% всех однофазных замыканий были ликвидированы и, как можно было ожидать, доказаны преимущества резонансного заземления. Однако 48% грозовых замыканий (40% всех замыканий при любой погоде) были многофазными и тем самым снизили цифры успешной работы катушек до 50; 65 и 56,5% соответственно для грозовой, ясной и любой погоды. Если сюда добавить радиальные линии, то эти цифры будут 27,5; 52 и 36% соответственно. Эти результаты недостаточно привлекательны, что объясняется главным образом типом защиты, применяемой на радиальных линиях.
Очень интересный эксперимент был проведен с апреля 1936 г. до февраля 1938 г. Сеть попеременно работала 2 недели с глухо заземленной нейтралью и 2 недели с резонансно заземленной нейтралью, всего по 343 дня каждым способом. Было установлено, что применение резонансного заземления не привело к увеличению многофазных замыканий. Однако так как большинство замыканий были грозовыми, очевидно, что линии, которые могли быть отключены при глухом заземлении нейтрали, оставались в работе.
Обслуживание 11 секций только четырьмя катушками было найдено неудобным с точки зрения гибкости схемы и условий работы сигнализации. Так как сеть 40  кВ продолжала расти, а установленная мощность дугогасящих катушек и схема релейной защиты сводили на нет полезный эффект резонансного заземления, эксперимент был в феврале 1943 г. прекращен.
Компания Виктория Фоллз имеет также несколько систем 20  кВ, в самой большой из которых распределялась мощность 100 000 квт и была установлена дугогасящая катушка на 20,8 а. Во время грозы обычно наблюдался большой (и изменяющийся) процент многофазных замыканий. Полученные результаты показаны в табл. 55.

Таблица 55

Процент гашения

Среди других систем, работающих в Южной Африке, представляет интерес передача 88  кВ электростанция Орландо-Иоганесбург.
Число линий этой системы увеличилось с 3 до 14. Линии пересекают плато на высоте 1 800 м над уровнем моря, число грозовых дней—115 в году; сопротивления заземления отдельных опор достигали 650 Ом. Линии двухцепные, транспонированы на всем протяжении, оборудованы двумя тросами и противовесами; в системе установлено медленно действующее АПВ. Сеть имеет резонансное заземление с шунтирующими выключателями, включающимися через 3 сек. За 4 года эксплуатации произошло 8 замыканий, 7 погашено и 1 отключено.
В сети 33  кВ резонансное заземление применялось с 1930 г. В сельской сети Кейптауна это было сделано по требованию почтового ведомства, чтобы избежать акустических ударов в телефонной сети. На территории системы гроз было мало, но зато причиняло неприятность содержание соли в туманах и налетах. Катушка ликвидировала 85% замыканий.
Впоследствии почтовое ведомство по причине улучшения телефонной сети проявляло меньше интереса к влиянию на линии связи, и постепенно катушки были сняты. Другая катушка была установлена в Гленкое для линии передачи, питающей г. Ньюкасл в Натале. Это мероприятие превратило одну из наиболее поражаемых линий в самую надежную линию системы. Число отключений было снижено на 95%, стала возможной работа с устойчивым замыканием на землю. В другой сети этой компании дугогасящая катушка эксплуатировалась до тех пор, пока не появилось резервное питание. Катушка, установленная корпорацией Дурбан, оказалась неспособной дать удовлетворительные результаты при наличии солей в воздухе.

Таблица 56

Кабельная сеть 22  кВ (25 гц) [Л. 30] питается тремя трансформаторами и двумя генераторами. Емкостный ток замыкания на землю составляет 22 а. Семь кабелей от электростанции идут к туннелю и подземным подстанциям. Семь катушек Петерсена, установленные в 1932 г., соединялись параллельно на одну шину в нейтрали, но включались в соответствии с числом кабелей. Шунтирующее сопротивление на 3 а. активного тока служило для обеспечения селективной работы земляной защиты независимо от числа включенных кабелей. Специальное устройство применено для отключения замыканий в понижающих трансформаторах, которые не имели выключателей. Реле Бухгольца заставляет замыкаться разъединитель с пружинным приводом, тем самым создавая однофазное замыкание на землю через сопротивление 700 Ом, и поврежденная линия отключается направленной земляной защитой на питающем конце. Повреждения от замыканий на землю в кабелях оказывались настолько малыми, что трудно было определить его место.

Австралия

О практике заземления нейтрали в системах Австралии опубликовано немного материалов. Данные, собранные Дизендорфом, приведены в табл. 56.
Нейтраль системы 330  кВ эффективно заземлена. Передача 220  кВ государственной электрической компании Виктории имеет глухо заземленную нейтраль. Около 640 км линий 132  кВ расположены в Новом Южном Валие. Большинство опор — деревянные типа Н с двумя грозозащитными тросами. Возможен выбор между глухим и резонансным заземлением нейтрали, причем глухое заземление применяется при наличии резервных линий, а резонансное — для длинных одиночных передач. Протяженность сети 132  кВ NSW достигла 2 400 км по цепям.
В сети 132  кВ электрического треста Южной Австралии из-за налета соли и пыли было отдано предпочтение глухому заземлению с АПВ.
Сеть 110  кВ Городской электрической и световой компании Брисбэна имеет глухое заземление.
Обсуждение вопроса о заземлении привело к переходу от глухого заземления к заземлению через малое сопротивление в сетях 11 и 5  кВ, где имели место большие токи короткого замыкания.

Новая Зеландия

В Новой Зеландии эксплуатируются системы 50 и 100  кВ на севере и 66 и 110  кВ на юге, все с глухо заземленной нейтралью. Число грозовых дней колеблется от 20 на севере до 10—4 на юге. Опубликован опыт эксплуатации сетей 55 и 110 ко [Л. 31]. В системе 55  кВ было 4,1 отключения (0,93 грозовых) на 100 км в году, что немного больше, чем соответствующая цифра для сетей 110  кВ. Для увеличения надежности питания различными мероприятиями возможно снижение числа отключений, но это не оправдано экономически.
Опасность соединения с телефонными проводами была предотвращена увеличением габаритов и установкой специальных «линейных разрядников» на телефонных линиях (см. § 7.3 гл. 6). Линии 110  кВ имеют тросы только на подходах к подстанциям (см. § 3 гл. 7). Общее число грозовых отключений 0,46 на 100 км в году для 11 400 км/лет (по цепям) работы. 57% всех замыканий были грозовыми.
Сеть 220  кВ состоит из двух одноцепных линий длиной 1 000 км, пересекающих остров с юга на север. Эти линии имеют два троса на длине 0,8—1,6 км на подходах к подстанциям. Нейтраль глухо заземлена.

Канада

Системы, эксплуатировавшиеся в 1951 г. [Л. 32 и 33], имели линии трех напряжений со следующими протяженностями: 230  кВ— около 4 800 км по цепям, 115  кВ — около 7 400 км по цепям, 90—13  кВ около 8000 км.
Сопротивления заземления опор высоки: они достигают 3 000 Ом. Однако так как непрерывно проводятся работы по их улучшению, 89% сопротивлений опор были снижены до величины менее 25 Ом.
Рабочая частота в системе сначала была 25 гц. В 1949 г. был начат переход на частоту 60 гц.
Сеть 115  кВ была создана в 1910 г. С этого времени нейтрали питающих трансформаторов в пяти точках были заземлены через водяные сопротивления.
Результаты эксплуатации представлены в табл. 57.

Таблица 57

За период 10—15 лет распределение замыканий на нескольких линиях 115  кВ общей протяженностью 1 480 км следующее:

Земляная и междуфазная защиты полного сопротивления были установлены в 1931 г. на всех линиях, длина которых превышала 24 км; на коротких линиях применялась зашита с контрольным кабелем. Защита работала правильно в 85% случаев; для отдельных линий это число колеблется от 62,5 до 97,5.    Большое число двухцепных линий, отсутствие компенсации и ограниченное число заземленных точек привели к посредственным эксплуатационным показателям. Было высказано предположение, что большое число неправильных действий защиты связано с двухфазными замыканиями на землю.
Система 220  кВ была образована в 1928 г. из одной линии длиной 370 км и первоначально эксплуатировалась с глухим заземлением нейтралей всех трансформаторов.
Некоторые эксплуатационные показатели приведены в табл. 58.

Таблица 58

Анализ случаев для первых трех магистральных линий (за период 20 лет) и четвертой линии, проходящей по той же территории, показывает влияние сопротивления заземления на грозовые отключения. Четвертая линия имеет лучшие заземления и меньшие защитные углы троса.
Таблица 59

Интересная иллюстрация влияния сопротивления заземления опор на число и место грозовых отключений изображена на рис. 336 [Л. 34]; верхняя диаграмма дана для первых трех линий, нижняя — для четвертой.
Дистанционная защита от замыкании на землю применялась с 1927 г. Схема компенсации взаимной связи между двумя цепями линии и реле, реагирующие на линейные токи плюс составляющая нулевой последовательности, не применялись. Взамен была разработана упрощенная схема, разделяющая междуфазную и земляную защиты; для последней использовались нескомпенсированные токи замыкания на землю каждой отдельной секции, причем принималось среднее отношение сопротивлений нулевой и прямой последовательностей. Средний процент правильной работы защиты за период 9 и 13 лет в сети протяженностью 1 600 км был 90%. Часть случаев неправильной работы защиты приписывалась наличию двойных замыканий на землю.

Малайя

Центральный электрический департамент эксплуатирует две сети 33 и 66  кВ, обе с резонансно заземленными нейтралями. Вскоре начнется сооружение сети 132  кВ с глухо заземленной нейтралью.
Условия особенно суровы из-за сильной грозовой деятельности (порядка 200 грозовых дней в году), прохождения линий в области джунглей и разбросанного характера нагрузки.
Сеть 33  кВ — самая старая — состоит из 260 одноцепных линий.

Рис. 336. Влияние сопротивления заземления опор на число и место грозовых отключений двух линий 320  кВ в Канаде.
Верхняя диаграмма — для трех параллельных линий Чатс Фоллз Лесайд с секциями, имеющими низкие и высокие сопротивления заземления опор, 18 200 км по цепям.
Нижняя диаграмма — для части линий Беборис-Лесайд в Онтарио. 3900км по цепям. Непрерывные кривые — измеренные сопротивления заземления, отдельные столбики — грозовые отключения.
Сеть 66  кВ построена в середине 1930 г. и была эффективно заземлена до 1953 г.; затем, когда протяженность сети достигла 240 км, было применено резонансное заземление. Большинство линий на металлических опорах и оборудовано одним тросом.
Результаты эксплуатации были следующими: