Анализ выбора режима заземления нейтрали для солнечных электростанций

Аннотация. В статье рассмотрены возможные режимы заземления нейтрали для солнечных электростанций (СЭС). Проанализированы достоинства и недостатки режима заземления нейтрали: через дугогасящий реактор (ДГР), изолированного и глухозаземленного режимов и заземления через резистор. По результатам анализа выбран наиболее эффективный для СЭС способ из предложенных.

Abstract. The article considers possible modes of neutral grounding for solar power plants (SES). The advantages and disadvantages of neutral grounding mode are analyzed: through an arc-quenching reactor( DGR), isolated and de-grounded modes, and grounding through a resistor. Based on the results of the analysis, the most effective method for SES was selected from the proposed ones.

Ключевые слова: релейная защита, заземление, короткое замыкание.

Keywords: relay protection, grounding, short circuit.

Выбор режима заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ это очень важный и необходимый вопрос при проектировании и эксплуатации. Режим заземления нейтрали влияет на значительное число технических решений, которые реализуются в конкретной сети. Всего в мире в сетях среднего напряжения, в отличие от сетей высокого напряжения (110 кВ и выше), используются четыре возможных варианта заземления нейтральной точки сети: изолированная (незаземленная); заземленная через дугогасящий реактор (ДГР); заземленная через резистор (низкоомный или высокоомный); глухозаземленная (в России не применяется). В сетях 6–35 кВ в России разрешены все режимы заземления нейтрали, кроме глухого заземления. Четкого определения и рекомендаций, в каких случаях должен использоваться тот или иной режим заземления нейтрали, в ПУЭ [1] нет, но в пункте 1.2.16 ПУЭ указаны граничные емкостные токи, начиная с которых должна применяться компенсация емкостного тока. Так же согласно «СТО 18-2013 Руководящие указания по выбору режима заземления нейтрали» [2] при емкостном токе замыкания на землю в пределах 10-20 А в сетях 10 кВ и 10-30 А в сети 6 кВ, при токах однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), превышающих 20 А в сети 10 кВ, и 30 А в сети 6 кВ, должна применяться компенсация емкостного тока замыкания на землю.

В настоящее время в России отказ от режима изолированной нейтрали в сетях напряжением 6, 10 и 35 кВ находит все большее признание. Применение резистивного заземления нейтрали позволяет избавиться от опасных перенапряжений, повышает быстродействие и селективность релейной защиты и увеличивает показатели надежности электроснабжения потребителей. Промышленностью предлагаются новые комплектные устройства для высокоомного или низкоомного резистивного заземления нейтрали.

На выбор способа режима заземления нейтрали сети влияют следующие её характеристики:

- величина тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) , А;

- электрическая прочность изоляции электрооборудования;

- возможность осуществления отключения присоединения с однофазным замыканием на землю;

- возможность организации селективной защиты от однофазного замыкания на землю;

- электробезопасность;

- наличие выведенной нейтрали сети.

Далее подробно рассмотрим наиболее подходящие  варианты заземления нейтрали через ДГР и низкоомный резистор для СЭС.

Заземление нейтрали сети через ДГР приводит к компенсации емкостных токов в месте замыкания и к снижению величин дуговых перенапряжений. Однако остается опасность возникновения больших кратностей перенапряжений при неточной настройке дугогасящего реактора, возникновения резонансных перенапряжений, а также перенапряжений при неполнофазных режимах. При неточной настройке ДГР процесс выравнивания напряжений фаз после погасания дуги носит характер биений, частота которых определяется степенью расстройки компенсации и добротностью колебательного контура. При точной настройке ДГР или небольшой перекомпенсации, расстройка и возникновение биений при ОЗЗ возможны при отключении присоединения с большим емкостным током подпитки. Опасность биений состоит в том, что повторные пробои могут произойти при напряжении, близком к максимуму, что вызывает значительные перенапряжения на здоровых фазах. ДГР целесообразно применять с автоматической настройкой компенсации. Автоматическая настройка реактора позволяет снизить ток 033 до значений, определяемых точностью работы автоматики и принятой степенью отстройки от резонанса в нормальном режиме. Подключение реакторов с автоматической настройкой степени компенсации применяется в схемах, допускающих длительное существование режима с неустраненным ОЗЗ.

Следующий способ ‒ это высокоомный режим заземления нейтрали. Главной целью высокоомного резистивного заземления нейтрали сети является ограничение дуговых перенапряжений и феррорезонансных явлений при одновременном обеспечении длительной работы сети с ОЗЗ на время поиска и отключения поврежденного присоединения оперативным персоналом. Снижение напряжения на нейтрали и ограничение перенапряжений при дуговом замыкании на землю достигается за счет уменьшения постоянной времени разряда емкостей здоровых фаз во время бестоковой паузы с помощью специально установленного резистора R_n, обеспечивающего уменьшение активного сопротивления цепи протекания тока нулевой последовательности. В сетях 6 и 10 кВ предпочтительными являются варианты подключения резистора к нейтрали с помощью специальных фильтров нулевой последовательности. При этом мощность устройств определяется исходя из необходимости длительной работы в режиме однофазного замыкания и обеспечения апериодического процесса разряда емкости фаз в течение бестоковой паузы.

Третий вариант заземления нейтрали, через низкоомный резистор.

Главной целью применения низкоомного резистивного заземления нейтрали сети является быстрое и селективное отключение ОЗЗ релейной защитой и максимальный охват обмоток трансформаторов защитой от ОЗЗ. При этом также обеспечивается подавление дуговых перенапряжений и феррорезонансных явлений. Низкоомное резистивное заземление нейтрали сети осуществляют с помощью специального трансформатора заземления нейтрали (ТЗН) со схемой соединения обмоток Y/A или с помощью специального фильтра нулевой последовательности (ФНП) [3]. Сопротивление резистора выбирают наименьшим, исходя из двух условий:

1. обеспечение устойчивого горения дуги при ОЗЗ, при котором ток резистора должен превышать емкостный ток 033 в 2,5-3,0 раза;

2. обеспечение селективного срабатывания простых токовых защит на отключение ОЗЗ, при котором ток резистора должен превышать максимальный ток срабатывания защиты.

Быстрое отключение ОЗЗ при использовании низкоомного резистора дает возможность выбора заземляющего трансформатора и резистора для кратковременной работы в режиме ОЗЗ, в течение которой не должно наблюдаться превышение их нормируемых температурных параметров. При возникновении режима длительного ОЗЗ (например, при отказе в работе защиты), защита нулевой последовательности ТЗН или ФНП с выдержкой времени действует на отключение секционного выключателя (если он включен) и выключателя ввода с запретом АВР секционного выключателя. При этом выдержка времени на отключение секционного выключателя должна быть на ступень времени ниже выдержки времени на отключение выключателя ввода.

Таким образом проанализировав три способа режима заземления нейтрали рекомендуем к использованию в дальнейшей разработке проектных решений режим работы сетей 6-35 кВ с резистивно заземленной нейтралью через низкоомный резистор.

Такие преимущества сетей с резистивным заземлением нейтрали как отсутствие перенапряжений при однофазных замыканиях на землю, исключение феррорезонансных процессов насыщения трансформаторов напряжения и возможность организации селективной релейной защиты от замыканий на землю предопределили широкое использование этого режима в зарубежных странах. Присущие режиму резистивного заземления нейтрали недостатки (увеличение тока в месте повреждения и необходимость отключения замыканий) преодолеваются за счет быстрого отключения поврежденного фидера и организации резервного питания потребителя.

В целом применение в сетях 6–35 кВ современного оборудования заземления нейтрали (дугогасящих реакторов с шунтирующими низковольтными резисторами и высоковольтных резисторов заземления нейтрали) позволяет существенно повысить надежность работы сетей, автоматизировать процесс поиска повреждений и снизить аварийность при однофазных замыканиях на землю.