Оптимизация технологии замыканий на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью: роль дугогасящего реактора и низкоомного резистора

Введение. Распределительные сети 6-35 кВ (РС) являются наиболее протяженными среди сетей 0,4-110 кВ и занимают значительную часть в инфраструктуре передачи и распределения электроэнергии. Однако их эксплуатация сопряжена со значительными издержками, обусловленными аварийными перебоями в энергоснабжении и необходимостью проведения профилактических и ремонтных работ.

Изоляция линий электропередачи данного класса напряжения, подверженная электрическим перегрузкам, постепенно деградирует со временем, в связи с этим в ней образуются места с пониженной электрической прочностью. В этих местах как при электрических возмущениях в сети, так и при нормальном эксплуатационном режиме могут возникать замыкания на землю, немалая доля которых носит дуговой характер – однофазные дуговые замыкания (ОДЗ).

Особое внимание должно уделяться на производствах с непрерывным циклом, где возможно возникновение катастрофического ущерба в виде массового брака продукции и повреждения дорогостоящего технологического оборудования. В таких отраслях промышленности (например, объекты добычи и транспорта нефти и газа) перерывы в энергоснабжении должны быть кратковременными и подлежать устранению в кратчайшие сроки.

Объектом исследования являлись линии электропередач сельскохозяйственного назначения напряжением 6, 10 и 35 кВ. Электрические сети 6…35 кВ включают трансформаторы 35/10 (6) кВ или 110/35/10 (6) кВ, трехпроводные воздушные или кабельные линии электропередачи и потребительские трансформаторы. Реже всего в сельской местности питание потребителей осуществляется по кабельным линиям. В таких линиях фазы относительно земли имеют большую емкость, что приводит к достаточно тяжелым последствиям при замыканиях на землю. В сельской местности преимущественно чаще прокладывают воздушные линии электропередачи 6 – 10 кВ, выполненные неизолированными сталеалюминевыми или алюминиевыми проводами марки АС и А.

В сетях с изолированной нейтралью повреждение изоляции одной или нескольких фаз относительно земли не является аварийным режимом, но последствия от таких повреждений могут быть самые тяжелые.

Повреждения изоляции в электрических сетях возникают чаще всего по следующим причинам:

• естественное старение изоляции линий и аппаратов;
• загрязнение изоляции бытовыми и промышленными выбросами. Быстро выходит из строя загрязненная влажная изоляция, если не производится своевременная ее чистка.
• механические повреждения опор и изоляции.
• ошибочные действия оперативно-ремонтного персонала. Ошибки персонала наблюдаются при нарушении правил включения линий после ремонта, при выводе в ремонт, при умышленном нарушении блокировок от неправильных операций с аппаратами сетей;
• атмосферные перенапряжения. Грозовые перенапряжения приводят к авариям чаще всего в тех случаях, когда отсутствуют или вышли из строя средства грозозащиты;
• падение деревьев на провода линий электропередачи при сильном ветре и при лесорубных работах;
• ошибки монтажа. В процессе монтажа может быть нарушена технология соединения проводов и их крепления к изоляторам, не установлены виброгасители. При монтаже необходимо выдерживать расчетную стрелу провеса воздушных линий электропередачи.

Таблица

Процент повреждений, приходящихся на разные типы внешних воздействий

Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью практически не сказываются на работе потребителей, но вызывают усложнение работы самой электрической сети. На этом основании можно выделить последствия длительного протекания токов замыкания на землю:

• от выделяющегося тепла ослабляются крепления крюков на деревянных опорах, увеличивается вероятность возгорания;
• от увеличения напряжения на неповрежденных фазах выходят из строя трансформаторы напряжения на подстанциях, особенно при появлении резонансных напряжений, когда резко возрастают токи намагничивания;
• прикосновение или приближение к опоре с поврежденной изоляцией приводит к гибели людей и животных от воздействия шагового напряжения и напряжения прикосновения. Этого следует опасаться и при отыскании места замыкания на землю работниками электрических сетей;
• увеличение напряжения на неповрежденных фазах может привести к повреждению изоляции другой фазы в другой точке, при этом возникает двойное замыкание на землю. Двойные замыкания на землю вызывают протекание больших токов между двумя фазами через землю, тогда релейная защита отключает одну или две линии, и у потребителей нарушается электроснабжение;
• наличие высших гармонических составляющих в токе замыкания на землю отрицательно сказывается на работе радио и телефонной связи.

Возникновение емкостного тока

Энергетические сети с рабочим напряжением 6÷35 кВ создаются для работы на линиях электропередач с нейтралью, изолированной от земли. Значительная протяженность городских кабельных сетей приводит к образованию в них большой емкости, поскольку каждый кабель является своеобразным конденсатором. В результате однофазное замыкание в подобных сетях, может привести к увеличению тока на месте повреждения до нескольких десятков, а в некоторых случаях – и сотен ампер. Воздействие этих токов приводит к быстрому разрушению изоляции кабеля. Из-за этого, в дальнейшем, однофазное замыкание становится двух- или трехфазным, вызывая отключение участка и прерывая электроснабжение потребителей. В самом начале возникает неустойчивая дуга, постепенно превращающаяся в постоянное замыкание на землю.

При нарушении изоляции любой из фаз на контур земли создается замкнутая электрическая цепочка, через которую начинает стекать только емкостной ток. Он не создает короткое замыкание. Поэтому подобную неисправность допускается действующими документами устранять не мгновенно, а с выдержкой времени до двух часов. Она необходима оперативному персоналу как резерв на изменение схемы питания потребителей поврежденной линии без перерыва их электроснабжения.

Компенсация токов замыкания на землю предусматривается при следующих уровнях токов: 6 кВ – 30 А, 10 кВ – 20 А, 35 кВ – 10 А. При более низких уровнях токов однофазного к.з. считается, что дуга не загорается, или гаснет самостоятельно, применение компенсации в этом случае не обязательно.

Рис. Компенсация емкостных токов

Когда ток переходит через нулевое значение, дуга сначала пропадает, а затем появляется вновь. Одновременно на неповрежденных фазах возникает повышение напряжения, которое может привести к нарушению изоляции на других участках. Для погашения дуги в поврежденном месте необходимо выполнить специальные мероприятия по компенсации емкостного тока. С этой целью к нулевой точке сети подключается индуктивная заземляющая дугогасящая катушка.

Дугогасящий реактор: защита от коротких замыканий и перегрузок

Величина тока, протекающего в месте замыкания, находится в прямой пропорциональной зависимости от величины емкости линии и приложенного напряжения. Емкость линии зависит от ее протяженности и разветвленности. Этот ток имеет небольшие значения, однако опасность такого режима, заключается в периодическом зажигании перемежающейся дуги.

При горении дуги, во-первых, увеличивается фазное напряжение, во-вторых, появляются апериодические составляющие токов, которые негативно сказываются на состоянии изоляции воздушных и кабельных линий. Кроме того, емкостный характер дуги сопровождается выделением теплоты, что порождает благоприятные условия для перехода однофазного замыкания в междуфазное.

Повышение фазных напряжений «здоровых» фаз до уровня линейных напряжений, грозит пробоем ослабленной фазной изоляции других линий, подключенных к этим шинам. Поэтому, согласно правилам техники эксплуатации электрических сетей, к отысканию и отключению поврежденного фидера необходимо приступать незамедлительно.

Для ограничения токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью применяют дугогасящие реакторы (ДГР). Дугогасящий реактор, также известный как индуктивный реактор или дроссель. Главной целью дугогасящего реактора является ограничение тока в электрической цепи и снижение влияния коротких замыканий и перегрузок.

Когда в цепи происходит короткое замыкание или перегрузка, дугогасящий реактор ограничивает рост тока и создает дополнительное сопротивление. Это позволяет снизить риск повреждения проводов, компонентов и устройств в цепи. Благодаря дугогасящим реакторам удается предотвратить возможные аварийные ситуации и обеспечить безопасную работу электрической системы.

Подключение катушки осуществляется к нейтрали трансформатора, подключенного к шинам компенсируемой сети. Принцип гашения дуги основан на взаимной компенсации токов емкостного и индуктивного характера.

С этой целью релейные защиты ЛЭП настраиваются в работу на сигнал, а не на отключение питания. Однако в такой ситуации проявляется двойная опасность:

• попадания человека под действие шагового напряжения, оказавшегося в случайном месте возникновения неисправности;
• возникновения электрической дуги, когда емкостной ток станет превышать величину в 20 ампер.

Горение дуги разрушает изоляцию проводов и кабелей, переводит однофазное замыкание в двух- или трехфазное КЗ со всеми негативными последствиями. Ее действие ограничивают защитными устройствами.

Методы классификации

Дугогасящие реакторы могут создаваться под индивидуальные условия эксплуатации, не требующие специальных настроек для линий ограниченной длины или изготавливаться с возможностью регулировки индуктивного сопротивления катушки:

• ступенчато:
• плавно.

В первом случае изменение индуктивности осуществляется за счет переключения числа обмоток, подключенных к отпайкам.

Плавную регулировку выполняют:

плунжерные конструкции, регулирующие воздушный зазор магнитопровода;

реакторы с подмагничиванием постоянным током, использующие принципы магнитных усилителей.

Виды управления

Дугогасящие реакторы постоянной индуктивности создаются без систем управления.

Для регулирования индуктивности используются конструкции с:

• ручным переключением числа работающих витков. Этот процесс не только трудоемкий, но и требует снятия напряжения с реактора;
• приводом, работающим автоматически под нагрузкой сети;
• измерителем емкости, позволяющим автоматически подстраивать индуктивность под результат замера за счет плавного регулирования тока.

Емкости фаз воздушных линий различаются из-за расположения в пространстве, относительно друг друга. Линии, питающие потребителей с однофазными электроприемниками, могут быть загружены неравномерно, это приводит к нарушению симметричности системы и появлению потенциала в нулевом проводнике трансформатора катушки.

Такие несимметричные режимы могут привести к излишней работе дугогасящих реакторов, и даже к возникновению резонансных контуров. Для исключения подобных ситуаций допускается работа сети в недокомпенсированном режиме.

Взаимодействие между дугогасящим реактором и низкоомным резистором

Часто дугогасящие реакторы и низкоомные резисторы используются вместе в электрических цепях. Дугогасящий реактор может быть размещен перед низкоомным резистором, чтобы ограничить ток и предотвратить возможные повреждения при коротких замыканиях и перегрузках.

Кроме того, низкоомный резистор может использоваться для измерения напряжения на дугогасящем реакторе, что позволяет операторам контролировать его работу и обеспечивать бесперебойное функционирование системы.

Дугогасящий реактор и низкоомный резистор – это важные элементы в электронике и электротехнике, которые обеспечивают безопасность и стабильность работы электрических цепей. Их правильное использование и взаимодействие способствуют надежной и эффективной работе различных устройств и систем.

Да, дугогасящие реакторы и низкоомные резисторы могут использоваться вместе в электрических цепях. Они выполняют разные функции, и их комбинация может быть полезной в некоторых ситуациях.

Дугогасящий реактор используется для ограничения тока, особенно в случае коротких замыканий и перегрузок, чтобы предотвратить повреждение цепи и связанных с ней компонентов. Низкоомные резисторы, с другой стороны, имеют низкое сопротивление и используются для стабилизации тока и измерения напряжения.

Комбинируя их в цепи, вы можете добиться баланса между ограничением тока и измерением напряжения. Например, низкоомный резистор может быть размещен после дугогасящего реактора, что позволит измерять напряжение на выходе реактора и контролировать его работу. Это может быть полезно, чтобы обеспечить безопасность и надежность системы, особенно в приложениях, где важна стабильность тока и избегание аварийных ситуаций.

Тем не менее, конкретное применение и способ соединения этих компонентов зависит от конкретных требований и характеристик вашей электрической цепи.

1. Борковский С. О., Горева Т. С., Горева Т. И. Проблема диагностики однофазных замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю // Фундаментальные исследования. 2014. № 9. С. 954-959.
2. Борухман В. А. Об эксплуатации селективных защит от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. 2000. № 1. С.20-2
3. Козлов А. В., Шевцов И. С. Анализ аварийности сельских электрических сетей 0,38 кВ в ООО «АКС» «Амурэлектросетьсервис» // Инновационная наука. 2021. № 7. С. 50-54.
4. Лабуз И. В., Загороднев Я. А., Мусорина О. С. Моделирование аварийных режимов распределительной электрической сети 10/0,38 кВ с накопителями электроэнергии // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 33. С. 1391-140
5. Папков Б. В., Илюшин П. В., Куликов А. Л. Надежность и эффективность современного электроснабжения: монография. Нижний Новгород: Научно-издательский центр «XXI век», 2021. 160 с.
6. Патент на изобретение № RU 2733 202 С1. Устройство для отключения линии с размыканием на землю в сети с изолированной нейтралью [Текст] / Н. М. Попов, В. Л. Осокин, Е. А. Сбитнев Рос. Федерация: МПК H02H 3/16 (2006/01). Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 30 сентября 2020 года.
7. Попов Н. М. Электроснабжение. Рабочие режимы сетей 0,38…10 кВ: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». Кострома: КГСХА. 2010. 202 с.
8. Сбитнев Е. А., Жужин М. С. Анализ аварийности сельских электрических сетей 0,38 кВ Нижегородской энергосистемы // Вестник НГИЭИ. 2020. № 11 (114). С. 36–47. DOI: 10.24411/2227-9407-2020-10104.