Безрезонансное ограничение токов однофазного замыкания на землю

Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) явление настолько популярное в распределительных сетях, что уже не вызывает реакций направленных на свое обнаружение у сотрудников сетевых организаций. По данным опроса проведенным среди сотрудников ОАО «МРСК-Центра» и ОАО «МРСК Центра и Приволжья», в Орловской, Курской, Брянской и Тульских областях, оперативные действия, направленные на обнаружение повреждений воздушной линии электропередачи (ВЛ) начинаются только после ее отключения. Отключение ВЛ действием релейной защиты, как правило, означает установившееся междуфазное замыкание на землю (МФЗ). При том, что большинство распределительных сетей бывшего Советского Союза, работает с изолированной от земли нейтралью трансформаторов, почти каждое устойчивое МФЗ это следствие перенапряжения возникшего из-за вовремя не ликвидированного ОЗЗ. Это значит, что после пробоя изоляции одной из фаз на заземленные металлоконструкции опоры, линия продолжает работать до тех пор, пока возросшее напряжение «здоровых» фаз по отношению к земле не приведет к пробою изоляции на другой фазе. И этот временной промежуток может быть достаточно велик.

Опасность длительного протекания тока однофазного замыкания стала «притчей во языцех» и давно уже не нуждается в дополнительном повествовании. О чем свидетельствует наличие нормативных документов и правил, предписывающих действия в зоне шагового напряжения. Но, не смотря на всю опасность реальность, показывает, что требование норм, таких как п.5.1 [1], в силу различных обстоятельств, носит «рекомендательный» характер. Этими обстоятельствами может быть как недостаточная организованность подразделений, так и слабая техническая оснащенность сетевого комплекса. И если в первом случае научная мысль бессильна, то во второй открывается простор для научных исследований и инженерных решений.

Основная задача при эксплуатации электрических сетей с изолированной нейтралью это повышение их безопасности. Решение изоляции нейтрали трансформаторов как средство повышения надежности электроснабжения, сделало каждую отходящего от него ВЛ потенциальной «убийцей». Так как воздушное типоисполнение линий электропередач не редкость в населенных пунктах, в зоне растекания тока ОЗЗ запросто оказываются население и домашние животные.

В западных странах средством защиты от поражения током ОЗЗ, служит увеличение сопротивления поверхности земли растеканию электрического тока (асфальтирование, обсыпка гравием зоны у основания опор), и увеличение сопротивления изоляции между зоной прикосновения опоры и поверхностью земли (окраска основания опоры на высоту 2м). Если такое техническое решение с успехом применяется, то почему бы не увеличить сопротивление между землей и заземленной металлоконструкцией, до значений делающих невозможным протеканием тока ОЗЗ по опоре?

То есть в этом случае при пробое изоляции значения тока протекания по заземляющему устройству опоры незначительны до такой степени, что ими можно пренебречь.

Предугадывая сомнения способные возникнуть при допущении увлечения сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) опоры, и включении в разрыв заземляющего проводника аппаратов, следует напомнить о назначении ЗУ на опорах ВЛ. В первую очередь ЗУ опор ВЛ, это защита от обратного перекрытия, возникающего при ударе молнии в опору. При этом потенциал на элементах опоры значительно превышает фазное напряжение ВЛ, следствием чего является перекрытие изоляции на фазу. Чем меньше сопротивление заземляющего устройства, тем ниже падение напряжения при протекании тока молнии по опоре и как следствие ниже вероятность перекрытия с металлоконструкций .

Следующее назначение ЗУ устанавливаемого на железобетонных опорах ВЛ это защита опор от разрушающего действия длительного протекания тока ОЗЗ. Не своевременное обнаружение опоры с поврежденной изоляцией, может стать причиной разрушения железобетонных стоек опор. В данном случае заземляющее устройство работает как трубчатый электронагреватель ТЭН, чем выше его сопротивление, тем больше его температура.

Исходя из этих двух соображений, следует, что увеличение сопротивления ЗУ устройства опоры ВЛ приведет к повышенной опасности перенапряжения, и к опасности разрушения стоек опор под действием тока ОЗЗ.

Кроме того пункты 1.7.139 и 1.7.141   [2]

регламентируют требования по присоединению защитных заземляющих проводников, и при беглом взгляде на предложение может создаться мнение, что оно идет с ними в разрез. Однако данное впечатление обманчиво. Дело в том, что заземление опор линий электропередачи в целях электробезопасности не производится. Можно сказать, что их заземление как раз и приводит к повышенной опасности, возникающей при протекании тока однофазного замыкания зоны шагового напряжения. Следовательно, заземление опор нельзя отнести к защитному. Пункт 1.7.29 [2]: «Защитное заземление -заземление, выполненное в целях электробезопасности». Значит, проводник на опоре нельзя назвать защитным заземляющим проводником.

Следовательно, требования норм не нарушаются. Не нарушатся и функциональные свойства заземляющего устройства опоры, если сопротивление, включаемое в цепь проводника, будет переменным.

Реализация этой идеи намного проще, чем может показаться на первый взгляд. Ограничители перенапряжения (ОПН) долгое время применяются в электрических сетях в виде варисторов с нелинейной вольт-амперной характеристикой, или разрядников и искровых промежутков. Эти устройства с успехом применяются для защиты электрооборудования. Расширим их задачи, и они послужат для защиты человека.

Включение в цепь ЗУ ОПН значительно увеличивает показатели безопасности и надежности ВЛ. Проиллюстрируем это утверждение, рассмотрев два утяжеленных режима работы ВЛ (рисунок 1 и рисунок 2).

При грозовом разряде в металлоконструкции опоры ВЛ потенциал на них приобретает значение, намного превышающее фазное напряжение ВЛ и соответственно напряжение открытия ОПН. Грозовой разряд «стекает» через заземляющее устройство в землю. Таким образом, ЗУ обеспечивает функцию защиты ВЛ от грозовых перекрытий изоляции.

Рисунок 1 - Работа ЗУ при грозовом разряде

В случае пробоя изолятора (рисунок 2) металлоконструкции опоры приобретают потенциал фазы с поврежденной изоляцией. Значение напряжение открытия ОПН подбирается таким образом, что бы фазное напряжение ВЛ не приводило к его пробою. Так для ВЛ с линейным напряжением 10 кВ и соответственно фазным 5,78 кВ, подойдет серийно выпускаемый ОПН на 6 кВ. Таким образом, ОПН выполняет функцию дополнительной изоляции опоры. В режиме «остановленного ОЗЗ» протекание тока через ОПН измеряется микроамперами влиянием которых на нагрев опоры можно пренебречь.

Рисунок 2 - Работа ЗУ при пробое изоляции

Кроме того при «остановленном ОЗЗ» повышение напряжение между металлоконструкцией и другими фазами происходит только на одной опоре (рисунок 2), так как отсутствует соединение фазы с землей. Следовательно ОЗЗ не приведет к ускоренному старению изоляции на всех присоединениях к распределительному устройству, из за повышенного напряжения «здоровых фаз относительно земли»

Рисунок 3 - Конструктивный чертеж установки регистратора

1 Изоляция металлоконструкции от стойки опоры, 2 металлоконструкция для крепления изоляции, 3 изоляционный материал, 4 заземляющий проводник, 5 стойка опоры, 6 хомут для крепления металлоконструкции.

Кроме очевидного повышения безопасности достигаемого применением данного способа, увеличивается экономическая эффективность эксплуатации ВЛ с изолированной нейтралью. При незначительном увеличении материальных затратах на строительство ВЛ (1-2%), включающими, стоимость покупки и монтажа ОПН. Значительно сокращаются затраты связанные с недоотпускном электроэнергии вызванным частыми отключениями в следствии множественных МФЗ. Сокращается время поиска и устранения повреждения т.к в случае МФЗ, оно происходит на одной опоре.

Борис Николаевич Мешков, ген. директор ООО «ЭнерГарант», аспирант кафедры электроснабжение

Вадим Алексеевич Чернышов, к.т.н, доцент кафедры электроснабжение

Россия, Орел, Орловский государственный аграрный университет.

RESONANCE-FREE   SINGLE-PHASE   FAULT

The paper proposed to solve the problem of high danger of exploitation of the who-stuffy power lines with isolated neutral

Boris Meshkov gene. Director of "EnerGarant" graduate student electricity

Vadim A. Chernyshev, PhD, assistant professor of electrical supply

Russia, Orel, Orel State Agrarian University.