Применение низкоомного резистивного заземления нейтрали в кабельных и воздушных электрических сетях 20 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия

Применение низкоомного резистивного заземления нейтрали в кабельных и воздушных электрических сетях 20 кВ

К.А. Осинцев

М.М. Зуев

В.С. Смирнов

В 60-х годах прошлого века на страницах журнала «Электричество» был опубликован цикл статей [1-4 и др.] о выборе оптимальных уровней напряжения в городских и сельских электрических сетях. В них была показана эффективность применения номинальной ступени напряжения 20 кВ, взамен традиционной 10 (6) кВ. В бывшем СССР сравнительно развитые электрические сети 20 кВ имелись в Латвии [5]. Кроме того, в 70-х - 80-х годах в Коми АССР введено в эксплуатацию ограниченное количество электроустановок 20 кВ не получившие в последующем должного развития.

Первое, по-настоящему массовое строительство электрических сетей 20 кВ в стране началось спустя без малого полувека, примерно пять лет назад в Москве. К настоящему времени введено в эксплуатацию более 1000 км кабельных линий (КЛ) соответствующего класса напряжения. Решения по строительству кабельных сетей 20 кВ интенсивно прорабатываются и внедряются в Санкт-Петербурге и Екатеринбурге.

В Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) ведется активное внедрение воздушных сетей 20 кВ, обусловленное необходимостью в передачи сравнительно высокой для сетей среднего напряжения мощности на относительно большие расстояния. Подобный вопрос исследуется и для условий Московской области.

На первых этапах принятия решений российскими специалистами во внимание принимался опыт западноевропейских стран (в первую очередь - Франции, где сети 20 кВ представлены широко со второй половины прошлого века [6]). Электрическая сеть 20 кВ имеет свои особенности, в частности, низкоомное резистивное заземление нейтрали. Это влияет на выбор номинальных параметров проводников, параметров срабатывания устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), а также сопротивлений заземляющих устройств (ЗУ), включая безопасность персонала.

Кроме того, принципы построения структуры сетей 20 кВ в России и западноевропейских странах различаются. Так, за рубежом в сетях среднего напряжения нет уровня питающей сети (только распределительные сети), а электрическая сеть низшего напряжения 0,4 кВ замкнутая [6, 7].

В результате такого подхода был упущен ряд важных причинно-следственных связей в структуре и параметрах сети сравнительно новой для нас ступени напряжения. При этом в полной мере не были учтены вопросы надежности и безопасности электроустановок.

Выбор тока однофазного замыкания на землю в городских кабельных сетях 20 кВ.

Как уже отмечалось ранее, сеть 20 кВ формировалась с низкоомным резистивным заземлением нейтрали. Общемировая практика режимов заземления нейтрали в сетях среднего напряжения подвергнута анализу в большом количестве публикаций, например [8-10] и многих других, поэтому описание преимуществ такого режима нейтрали опущено.

В настоящее время в Москве введено в эксплуатацию боле 20 подстанций 110-220/20 кВ. Они являются центрами питания (ЦП) сети рассматриваемого класса напряжения. Копируя схему построения сетей 20 кВ Парижа, на всех ЦП в нейтралях 20 кВ силовых трансформаторов 110 - 220/20 кВ были установлены резисторы сопротивлением Rр=12 Ом. При этом ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) (по сути - ток, протекающий через резистор):

(1)

где Uном - номинальное напряжение сети.

Наряду с этим никто не обратил внимания на зарубежную структуру сети 20 кВ (рис. 1) [6, 7]. Трансформаторные подстанции (ТП) 20/0,4 коммутируются к магистралям 20 кВ преимущественно на ответвлениях (наглухо) или выключателями нагрузки. Выключатели устанавливаются лишь на присоединениях собственно трансформаторов 20/0,4 кВ. При подобной архитектуре вся электрическая сеть считается распределительной.

Рис. 1. Схема электрических сетей 20 кВ Парижа

Еще со времен СССР, на протяжении десятилетий системы электроснабжения городов в нашей стране формируются по так называемой двухзвенной архитектуре (рис. 2). Первое звено - это питающие сети, т.е. КЛ от ЦП до распределительных пунктов (РП), а второе - распределительные сети, т.е. КЛ от РП до ТП. От них на напряжении 0,4 кВ запитаны конечные потребители.

При двухзвенной архитектуре появляется дополнительно три ступени селективности Дt устройств РЗА (рис. 2): на вводном и секционном выключателях РП, а также на выключателях, отходящих к ТП линий. В результате за рубежом для токовых защит, отходящих от ЦП, в схеме на рис. 1 достаточна выдержка времени 0,3 - 0,4 с, а для двухзвенной архитектуры - не менее 1,0 с. Последнее чрезвычайно ужесточает расчетные условия обоснования и выбора проводников, аппаратов и ЗУ электроустановок.

Рис. 2. Двухзвенная схема электрической сети 20 кВ

В России нет нормативной базы по формированию электрической сети 20 кВ. Согласно [11] работа сетей до 35 кВ может предусматриваться с различным режимом заземления нейтрали, в том числе через резистор. При этом требования к ЗУ электроустановок выше 1 кВ, являющихся одним из основных критериев электробезопасности, нормируются лишь для сетей с эффективно заземленной и изолированной нейтралью. Поэтому при решении вопросов электробезопасности в сети 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали остается принимать во внимание обеспечение норм по напряжению прикосновения и шаговому напряжению [12, 13].

Так, по приведенной в [13] известной кривой допустимого напряжения повреждения (при прикосновении) Uf(t) от времени повреждения (отключения) t, нетрудно оценить требуемое сопротивление ЗУ в зависимости от тока ОЗЗ, создаваемого резистором (табл. 1):

(2)

Из табл. 1 следует, что при принятом на всех ЦП Iр ? 1 кА (см. выше), двухзвенной архитектуре сети и выдержках времени отключения ОЗЗ 0,75 с сопротивление ЗУ для РП 20 кВ (рис. 2) должно быть чуть более 0,1 Ом, что недостижимо. При отсутствии в стране нормативных требований к ЗУ электроустановок 20 кВ проектные организации используют в качестве искомой величины минимально возможные из [11] 0,5 Ом для электроустановок с эффективно-заземленной нейтралью. При этом в городских условиях добиться даже таких сопротивлений у широко применяемых малогабаритных РП и ТП крайне сложно.

Из табл. 1 также следует, что требования к сопротивлению ЗУ смягчаются по мере снижения тока ОЗЗ. Последнее ограничивается надежной работой устройств РЗА, а именно минимально допустимым коэффициентом чувствительности Kч, который для кабельных сетей принимается [11] Kч>1,25, а для воздушных - Kч>1,5.

Защита от токов ОЗЗ I_ОЗЗ в кабельных сетях указанного выше региона выполнена ненаправленными токовыми защитами нулевой последовательности (ТЗНП). Методика выбора параметров их срабатывания известна (см., например [14]).

Значения допустимых сопротивлений ЗУ

Примечание: Оценка сопротивлений заземляющих устройств проведена при условии наложения на ток резистора емкостного тока значением до 200 А.

В ячейках комплектных распределительных устройств (КРУ) устанавливаются однофазные трансформаторы тока. На их базе конфигурируют фильтры тока нулевой последовательности (ФТНП). При этом ток срабатывания Iср устройств РЗА отстраивается от тока небаланса Iнб трансформаторов тока при КЗ (токи КЗ, как правило, ограничены 12 кА). Из табл. 2 видно, что обеспечить требуемую чувствительность ТЗНП здесь не представляется возможным.

Значения допустимых сопротивлений ЗУ

Условные обозначения: kодн - коэффициент однотипности трансформаторов тока; е - погрешность обмотки трансформатора тока; kн - коэффициент надежности; kбр - коэффициент броска емкостного тока; I_КЗ - ток КЗ.

Для обеспечения требуемой чувствительности защиты от ОЗЗ с токами Iр=400-1000 А может быть введена дополнительная выдержка времени, превышающая таковую для защит от междуфазных КЗ на ступень селективности (0,2-0,3 с). В этом случае производится отстройка ТЗНП от токов нагрузки Iнагр. Здесь при Iр=400-1000 А и теоретически возможном Iнагр=1000 А расчетный коэффициент чувствительности защит составит (табл. 2) Kч=6,7-16,7, что значительно превышает требуемое значение. Следовательно, для обеспечения нормируемого для кабельных сетей Kч?1,25 достаточно принять минимальный ток резистора Iрmin=90 А (130 Ом). При этом токе чувствительность ТЗНП обеспечивается с запасом. Однако введение дополнительной выдержки времени нежелательно вследствие ужесточения требований к сопротивлению ЗУ.

Для обеспечения чувствительности ненаправленной ТЗНП, реагирующей на основную гармонику тока 3I₀ с выделенным кабельным трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), в качестве условия выбора тока резистора принимается отстройка от наибольшего емкостного тока I_с присоединения. Для кабеля с сечением жилы 500-630 мм², емкостью Cф=0,42-0,46 мкФ/км и предельно возможной в условиях мегаполиса длине КЛ 15 - 17 км, I_c=68-85 А. Откуда требуемое значение Iрmin=230 А. Оно обеспечивается сопротивлением резистора всего лишь 50 Ом (табл. 2). Таким образом, для реальной схемы электрической сети 20 кВ значение тока резистора может быть в четыре раза меньше принятого в настоящее время. Последнее принципиально важно с позиций приемлемых сопротивлений ЗУ и обеспечения безопасности персонала.

В сетях среднего напряжения России широко применяют РП, а в западноевропейских странах - так называемые соединительные пункты (СП). Они отличаются от РП тем, что в них устанавливаются не выключатели, а выключатели нагрузки. В последнем случае любые КЗ в сети отключаются выключателями ЦП. Для быстрого восстановления схемы электрическая сеть должны иметь развитые средства телемеханики и каналы связи для ее дистанционной реконфигурации после аварий. На практике это не всегда достигается синхронно во времени. Поэтому технология СП не получила у нас широкого применения. Тем не менее, заслуживает внимания предложение по изменению подходов к формированию архитектуры сети 20 кВ [15] - использование главных СП. Это нечто среднее между РП и СП, когда выключатели устанавливаются только на вводах, а на отходящих линиях и секционной перемычке - выключатели нагрузки. Автоматический ввод резерва (АВР) отсутствует, тем более, что он обычно есть на стороне 0,4 кВ ТП. При этом выдержки времени защит от ОЗЗ снижаются на две ступени селективности (суммарно около 0,5 с).

Таким образом, лишь за счет схемных решений и выбора необходимого минимального тока ОЗЗ можно добиться приемлемых сопротивлений ЗУ и требуемой электробезопасности в кабельных сетях 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали.

Выбор тока однофазного замыкания на землю в воздушныз сетях 20 кВ

Последние годы строительство воздушных сетей 20 кВ велось в ХМАО. Причем за основу был взят финский опыт, где сети рассматриваемого класса напряжения имеют изолированную нейтраль [16]. Причина в том, что в этой стране удельное сопротивление грунтов более чем на порядок выше среднеевропейских значений. В нашем случае интерес представляет режим низкоомного резистивного заземления нейтрали, позволяющего селективно отключать поврежденное присоединение при ОЗЗ.

Методика выбора параметров срабатывания защит от ОЗЗ в воздушных и кабельных сетях имеет лишь некоторые отличия. В частности, для воздушных сетей: Kч?1,5, а не 1,25 как для кабельных; более низкие значения емкостных токов; для защиты силовых трансформаторов 20/0,4 используются преимущественно плавкие предохранители, а не выключатели; широко задействовано автоматическое повторное включение (АПВ) линий и др.

При выборе тока ОЗЗ в воздушных сетях необходимо принять во внимание их характерную предпочтительную конфигурацию (рис. 3) [17]. Она представляет собой известную петлевую схему с подключением от двух географически разнесенных ЦП 110/20 кВ, секционированную реклоузерами - автоматическими пунктами секционирования воздушной линии (ВЛ). Трансформаторные подстанции 20/0,4 подключаются к основной магистрали на ответвлениях с установкой разъединителя или реклоузера (на ответвлении длиной более 2 км). Защита трансформаторов 20/0,4 осуществляется предохранителями на стороне 20 кВ. В нормальном режиме схема сети разомкнута на одном из реклоузеров с использованием АВР. Устанавливаются преимущественно однотрансформаторные комплектные ТП (КТП) столбового (номинальная мощность Sном трансформатора 16-100 кВ•А), мачтового (Sном =160 - 250 кВ•А) и киоскового (Sном=400- 1000 кВ•А) типа.

Схема, приведенная на рис. 3, в реальных условиях бывает еще более громоздкой и имеет большее количество пунктов секционирования.

Рис. 3. Двухзвенная схема электрической сети 20 кВ

У терминалов РЗА современных реклоузеров минимальная ступень селективности по времени, гарантированная заводом-изготовителем, составляют всего 0,1 с. Последнее меньше, чем у устройств РЗА, устанавливаемых в ячейках КРУ ЦП и РП (0,2-0,3 с). Однако даже в простейшей схеме на рис. 3 в ремонтном режиме при отключении, допустим, выключателя Q5 (при этом должны быть включены Q1-Q4), выдержки времени защит от ОЗЗ на головных участках превысят 0,5 с с учетом времени перегорания предохранителей (плавких вставок). При этом стоимость ЗУ может заметно превысить затраты на саму КТП, что нерационально. Поэтому ступенчатая отстройка по времени устройств РЗА (как это принято для кабельных сетей) в воздушных сетях не применима.

Логика работы РЗА при ОЗЗ должна исходить из минимально возможного времени Дt неселективного отключения всех коммутационных устройств при ОЗЗ и далее их последовательного однократного АПВ с ускорением защит, начиная с выключателя ЦП. Время ускорения защит tу в воздушных сетях обычно принимается не менее 0,1 с. Минимально возможное время отстройки защит tотс ЦП и «нижестоящего» реклоузера - это 0,2 с, т.е. ступень селективности, гарантированная заводом-изготовителем устройств РЗА (см. выше). Откуда:

(3)

Вышесказанное иллюстрируется на рис. 4. На рис. 4, а приведен исходный фрагмент схемы, изображенной на рис. 3. Однофазное замыкание на землю происходит, допустим, на участке между реклоузерами Q2 и Q3. На рис. 4, б приведена схема после неселективного отключения ОЗЗ аппаратами Q1 и Q2 с выдержкой времени Дt=0,3 с. Восстановление схемы идет от ЦП в цикле однократного АПВ с ускорением защит (tу=0,1 с) выключателем Q1 после бестоковой паузы - рис. 4, в. Далее от АПВ включается реклоузер Q2 (рис. 4, г) на ОЗЗ с последующим отключением от защит с ускорением (рис. 4, д). Наконец, от АВР включается реклоузер Q3 (рис. 4, е) с последующим его отключением от защит с ускорением и локализацией замыкания на землю (на рис. 4 данный фрагмент опущен).

Рис. 4. Принцип локализации ОЗЗ в воздушных сетях 20 кВ

Времени Дt=0,3 с должно быть достаточно, чтобы в первую очередь перегорел предохранитель защищаемого присоединения (при повреждении последнего). Поэтому токи срабатывания устройств РЗА в схеме на рис. 3 следует отстроить от времятоковых характеристик плавления плавких вставок предохранителей следующим образом:

(4)

где, е=0,15 - коэффициент, учитывающий погрешности терминалов РЗА и трансформаторов тока (для реклоузеров достаточно 0,05); Iпр(t), - ток плавления плавкой вставки предохранителей, зависящий от времени t, с учетом стандартного 20%-ного разброса их времятоковых характеристик.

При выборе сопротивлений ЗУ КТП 10 (6) кВ, т.е. в сетях с изолированной нейтралью, более жесткие требования к их значениям предъявляет не сторона 10(6) кВ электроустановки (где Rз<250/Iозз, но не более 10 Ом [11]), а сторона 0,4 кВ. Для нее Rз=4 Ом. Выполнение такого ЗУ не обременительно, как с финансовой, так и материальной стороны. Было бы желательно, чтобы и для электрической сети 20 кВ сохранился порядок этих цифр, к примеру, пусть и не 4, а хотя бы 2 Ом.

В табл. 3 сведены взаимосвязи основных влияющих факторов (мощность трансформатора, ток плавления плавкой вставки предохранителя, сопротивление ЗУ с позиций электробезопасности, коэффициент чувствительности устройств РЗА) при изменении тока ОЗЗ от 100 до 400 А и неселективном его отключении при Дt=0,3 с.

Из табл. 3 для воздушных сетей 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали следуют важные выводы. Во-первых, при сохранении сопротивлений ЗУ электроустановок на уровне 4 Ом мощность трансформатора 20/0,4 должна быть ограничена менее 75 кВ•А при минимально возможном токе ОЗЗ, равном 100 А по критерию надежной работы устройств РЗА (Kч?1,5). Во-вторых, при снижении указанных выше сопротивлений до 2 Ом мощность трансформатора ограничена 250 кВ•А при токе ОЗЗ 200 А. Наконец, при использовании трансформаторов до 400 кВ•А включительно требуется сооружать контура заземления сопротивлением около 1,4 Ом при токе ОЗЗ 300 А. Трансформаторы мощностью более 400 кВ•А использовать нельзя. Практика построения воздушных сельских (пригородных) электрических сетей среднего напряжения в промышленно развитых странах, как известно, наглядно демонстрирует тенденцию к снижению мощности подстанций для разукрупнения и упрощения сети 0,4 кВ, максимально приближая их к потребителю. В частности, во Франции мощность типовой ТП 20/0,4 кВ - это 50 кВ•А. Справедливости ради отметим, что подобные тенденции стали принимать во внимание и отечественные ведущие сетевые организации.

Выбор сопротивления ЗУ при одновременном неселективном срабатывании устройств РЗА в течение 0,3 с

В итоге, по мнению авторов, на данном временном промежутке наиболее компромиссным для отечественных воздушных электрических сетей 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали является ток однофазного замыкания на землю на уровне 200 А.

Выводы

1. В последние годы в российских регионах идет внедрение электрических сетей сравнительно новой для нас ступени напряжения 20 кВ. Эти сети имеют низкоомное резистивное заземление нейтрали, что существенно влияет на выбор номинальных параметров проводников и аппаратов, параметров срабатывания устройств РЗА, а также сопротивлений заземляющих устройств, включая безопасность персонала.

2. При выборе режима нейтрали электрической сети 20 кВ (т.е. выборе сопротивления резистора заземления нейтрали или тока однофазного замыкания на землю) требуется гармонизация противоречивых влияющих факторов: надежности работы устройств РЗА, требуемых сопротивлений заземляющих устройств электроустановок, включая безопасность персонала. При этом основным влияющим фактором является структура и параметры электрической сети, а именно, ее конфигурация, схемы распределительных устройств электроустановок, параметры оборудования.

3. В России нет нормативной базы по формированию электрических сетей 20 кВ. Первые этапы их внедрения опирались на западноевропейскую практику. При этом во внимание не принималась специфика построения сетей среднего напряжения в нашей стране и за рубежом. В результате такого подхода был упущен ряд важных причинно-следственных связей в структуре и параметрах сетей, учитывающих вопросы надежности и безопасности электроустановок. В частности, принятый ток однофазного замыкания на землю в городских кабельных сетях на уровне 1 кА (как во Франции) является неоправданно завышенным с позиций обеспечения электробезопасности электроустановок.

4. Гармонизация основных влияющих факторов в кабельных сетях 20 кВ (с учетом необходимых ограничений по электробезопасности) не представляется возможной при сохранении исторически обусловленной двухзвенной архитектуры их построения. Необходим поиск приемлемых технических решений, позволяющих упрощать схему коммутации сети и сокращать количество ступеней селективности устройств РЗА. Констатируем, что положения документа [18] тридцатилетней давности об использовании в схеме сети распределительных пунктов лишь при наличии технико-экономических обоснований, так и не были реализованы.

5. Для воздушных электрических сетей 20 кВ с низкоомным резистивным заземлением нейтрали компромиссным значением тока однофазного замыкания на землю видится 200 А при следующих ограничениях: номинальная мощность трансформатора 20/0,4 кВ не более 250 кВ•А; сопротивление ЗУ не менее 2 Ом. При контурах заземления 4 Ом мощность трансформатора ограничена 75 кВ•А. Независимо от рассматриваемых значений, отключение замыкания на землю осуществляется неселективным действием устройств РЗА в течение 0,3 с. Последующее восстановление схемы и локализация повреждения реализуется в цикле последовательного однократного АПВ с ускорением защит, начиная с выключателя центра питания сети.

Список литературы

однофазный замыкание электрический сеть

1. Червоненкис Я.М., Фингер Л.М. Об оптимальной системе напряжений для городских и сельских электросетей // Электричество. - 1965. - № 7. - С. 11-15.

2. Бессмертный И.С. Применение напряжений 6-10-20 кВ в городских электрических сетях // Электричество. - 1965. - № 7. - С. 16-22.

3. Захарин А.Г., Канакин Н.С. О выборе напряжений сельских распределительных электрических сетей и применении напряжения 20 кВ // Электричество. - 1966. - № 7. - С. 6-10.

4. Коршунов А.П. Перспективная система напряжения для электроснабжения сельских районов // Электричество. - 1966. - № 7. - С. 10-12.

5. Могильницкий Н.А., Шулов Б.С. Применение напряжения 20 кВ в Латвийской ССР. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, 168 с.

6. Пелисье Р. Энергетические системы. - М.: Высшая школа, 1982, 568 с.

7. Козлов В.А. Электроснабжение городов. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, 264 с.

8. Титенков С.С., Пугачев А.А. Режимы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и организация релейной защиты от однофазных замыканий на землю // Энергоэксперт. - 2010. - № 2. С. 36-43.

9. Рыжкова Е.Н., Фомин М.А., Жармагамбетова М.С. О критериях выбора режима резистивного заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. - 2013. - № 11. С. 23-30.

10. Назарычев А., Титенков С., Пугачев А. Комплексные инновационные решения по заземлению нейтрали в сетях 6-35 кВ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. - 2016. - № 3. С. 40-46.

11. Правила устройства электроустановок. М.: КНОРУС, 2010, 488 с.

12. ГОСТ 12.1.038 - 82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. М.: ИПК Из-во стандартов, 2001, 7 с.

13. ГОСТ Р 50571 - 4 - 44 - 2011 (МЭК 60364 - 4 - 44:2007). Электроустановки низковольтные. Часть 4 - 44 Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех. М.: Стандартинформ, 2012, 48 с.

14. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001, 104 с.

15. Миридонов А., Ермаков А. Перспективы развития сетей 20 кВ в ПАО «МОЭСК» // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. - 2016. - № 3. С. 58-59.

16. Шаманов Д. Распределительные сети Финляндии. Особенности схемных решений // Новости электротехники - 2005. - № 6. / [Электронный ресурс]. URL:http://www.news.elteh.ru/arh/2005/36/03.php.

17. Вологин А. Концепция развития распределительной сети среднего напряжения в Московской области // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. - 2016. - № 4. С. 76-79.

18. Инструкция по проектированию городских и поселковых электрических сетей. М.: Минэнерго СССР, 1984. - 56 с.

Размещено на Allbest.ru