2. Влияние режима заземления нейтрали на перенапряжения в электроэнергетических системах

Для развития перенапряжений существенное значение имеет режим нейтрали системы. Системы могут иметь эффективно заземленную, изолированную или резонансно-заземленную нейтраль. В системах с эффективно - заземленной нейтралью (рис. 2 а) ток однофазного короткого замыкания практически полностью проходит через заземленные нейтрали трансформаторов, имеет индуктивный характер и сравним по величине с током трехфазного короткого замыкания.

Рис. 2. Прохождение тока однофазного замыкания в системах с эффективно - заземленной (а), изолированной (б), с резонансно-заземленной нейтралью (в) и векторная диаграмма напряжений и токов (г)

В системах с изолированной нейтралью (рис. 2 б) ток однофазного замыкания на землю проходит через емкость фаз (в основном линий электропередачи) на землю, имеет емкостный характер и по величине – порядка десятков, максимум, сотен ампер. В системах с резонансно заземленной нейтралью емкостный ток однофазного замыкания на землю компенсируется дугогасящими катушками, настроенными в резонанс с емкостью сети, и через место замыкания проходит малый остаточный емкостный или индуктивный ток, рис. 2 в.

Каждый из видов заземления нейтрали (режима нейтрали) имеет свои преимущества и недостатки.

В системе с эффективно заземленной нейтралью однофазное короткое замыкание приводит к автоматическому отключению поврежденного участка сети. Напряжение на неповрежденных фазах кратковременно, до отключения поврежденного участка, повышается примерно до (1,2…1,4) U_ф.

В большинстве случаев автоматическое повторное включение отключившегося элемента сети оказывается успешным и восстанавливается нормальная схема работы сети. Вследствие больших токов на землю усложняется выполнение заземлителей, но, с другой стороны, автоматическое отключение поврежденного участка снижает опасность поражения от напряжения прикосновения и шагового напряжения для обслуживающего персонала. Большие токи, проходящие по контуру «провод линии – земля», создают значительные помехи для линий связи, но эти помехи кратковременные. Вследствие кратковременного существования дуг однофазного короткого замыкания эти наиболее частые и легкие виды коротких замыканий не переходят в междуфазные, но, с другой стороны, при очень больших токах возможен пережог дугой проводов и тросов.

В системах с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к автоматическому отключению поврежденного участка, но напряжение на здоровых (неповрежденных) фазах повышается до линейного. При дуговом замыкании на землю дуга не гаснет, если I_c>10…30 А. Релейная зашита от замыканий на землю, действующая на отключение или сигнал, существенно усложняется вследствие небольших токов. Требования к заземляющим устройствам облегчены, но практика показывает, что в сетях с изолированной и резонансно заземленной нейтралью велика опасность для населения при падении проводов на землю. При дуговых замыканиях на землю могут возникать длительные перенапряжения, связанные с неустойчивым горением дуги. Эти перенапряжения, охватывающие всю сеть, могут привести к однофазному замыканию на землю в другой точке сети. Возникающее двухфазное короткое замыкание на землю в разных точках сети приводит к отключению других участков и часто осложняется неселективной работой релейной защиты. Мешающие влияния на провода связи слабые, но длительные.

Компенсация емкостных токов в системах с резонансным заземлением нейтрали осуществляется посредством дугогасящих катушек, включаемых в нейтрали одного или нескольких трансформаторов. Компенсация служит для гашения дуги замыкания на землю. Тем самым компенсация предотвращает возникновение перенапряжений дугового замыкания на землю и снижает вероятность замыкания на землю в другой точке сети. Таким образом, компенсация нейтрали, сохраняя достоинства изолированной нейтрали, устраняет в то же время многие ее недостатки. Но и в сети с резонансным заземлением нейтрали устойчивое (металлическое) однофазное замыкание на землю приводит к повышению напряжения на неповрежденных фазах до линейного.

В России принято, что сети до 35 кВ включительно имеют изолированную или резонансно заземленную нейтраль, а сети 110 кВ и выше – эффективно заземленную нейтраль (см. табл. 1). Такая практика объясняется следующим: сети до 35 кВ имеют невысокую электрическую прочность изоляции, и в этих сетях замыкания на землю относительно часты; чтобы предотвратить частые автоматические отключения и повреждения от больших токов целесообразно разземлять нейтрали этих сетей. С другой стороны, возможны длительные повышения напряжения на оставшихся фазах до линейного, указанное повышение напряжения изоляции не приводят к существенному удорожанию сетей.

Примечание 1. Длительная работа сетей 6…35 кВ с изолированной нейтралью допускается при токах замыкания на землю (I_c ), не превышающих следующие значения:

Uн, кВ	6	10	35
Ic, А	30	20	10

При I_c, превышающих вышеприведенные значения, предусматривается установка ДГК.

В табл. 2 приведены значения коэффициента запаса (К_З) уровня изоляции в зависимости от кратности воздействующих перенапряжений для различных классов напряжений электроустановок (ЭУ).

В сетях 110 кВ и выше стоимость изоляции резко возрастает с ростом номинального напряжения, и в этих сетях проблема изоляции диктует необходимость всемерно ограничивать возможные повышения напряжения, т. е. применять эффективно заземленную нейтраль. В некоторых европейских странах еще недавно повсеместно использовалось резонансное заземление нейтрали. Но с внедрением напряжений 220 кВ и выше выгоды заземленной нейтрали оказались столь явными, что область резонансно заземленной нейтрали была ограничена напряжением 110 кВ. В США сети всех напряжений, за редким исключением, имеют эффективно-заземленную нейтраль.

Таблица 2 - Кратности воздействующих перенапряжений в СЭС.

Uном, кВ	10	35	110	220	330	500	750
Кп	4,5	3,5	3	2,8	2,7	2,5	2,1
Кз	5,9	4,2	3,4	3,3	2,9	2,4	2,2

В сетях переменного тока с эффективно заземленной нейтралью сколь угодно длительно может воздействовать наибольшее рабочее фазное напряжение U_ф (см. табл. 1). В переходных режимах возникают кратковременные (длительностью от десятых долей секунды до минут) повышения напряжения рабочей частоты. Обычно эти повышения напряжения не превышают (1,2…1,4)U_ф, но в резонансных схемах возможны и существенно большие перенапряжения. В частности, возможны резонансные перенапряжения на высших и низших гармониках.