Технология формирования и применения средневольтного электрооборудования напряжением 6-15 кВ как с изолированной, так и с заземленной нейтралью

Распределительные электросистемы морских объектов, однофазные замыкания на корпус, резистивная нейтраль, перенапряжения. На морских судах традиционно используются сети напряжением до 1 кВ, но в последние десятилетия также активно строятся и эксплуатируются морские объекты с сетями напряжением более 1 кВ, т.е. на 6, 10 и до 15 кВ.

На морских судах традиционно используются сети напряжением до 1 кВ, но в последние десятилетия также активно строятся и эксплуатируются морские объекты с сетями напряжением более 1 кВ, т.е. на 6, 10 и до 15 кВ. Вопросы безопасной эксплуатации, меры по обеспечению длительности срока службы электроэнергетических систем и входящего в них электрооборудования стали насущными для крупных морских сооружений (морских буровых платформ) и судов с электродвижением. В первую очередь это относится к мерам, препятствующим снижению изоляционных свойств, а также к применению технических средств, исключающих развитие опасных аварийных ситуаций [1, 3, 5, 7].

Электрическая прочность изоляционных материалов в электрооборудовании и кабельной изоляции при переменном и импульсном напряжениях зависит от технологических, электромонтажных и эксплуатационных факторов [6].

Используемая в настоящее время изоляция чувствительна к микровключениям, пустотам, выступам на электропроводящих материалах и другим дефектам, которые повышают локальную напряженность электрического поля в толще твердого диэлектрика и создают предпосылки для образования трекингов (токопроводящих дорожек), скорость образования которых в основном определяется воздействием импульсных перенапряжений с крутыми фронтами.

При резком повышении напряженности электрического поля происходит разрыв связей на молекулярном уровне, так как на концах трекинга напряженность электрического поля может превышать среднюю напряженность в несколько раз. Это приводит к изменению физико-механических свойств изоляции и возникновению внутри новых микрополостей, которые способствуют дальнейшему прогрессирующему разрушению диэлектрика. Это явление получило сокращенное наименование — «частичные разряды».

Следует отметить, что используемые изоляционные материалы и геометрические формы изолируемых токопроводящих элементов электрооборудования образуют в изоляции неоднородности электрического поля.

На морских объектах также существуют условия ускоренного старения изоляции под влиянием морской атмосферы, повышенной температуры в обмотках электродвигателей, на закрытых участках прокладки кабельных трасс, длительно действующих механических нагрузок от вибрации, ударов, от пусковых токов и коротких замыканий, а также под действием электромагнитных полей частотой 50 Гц и высокочастотных перенапряжений.

Существующий контроль состояния изоляции в сетях разного уровня напряжения ведется разными способами в связи с различными проявлениями и снижением электрической прочности изоляции, влияющими на утечку тока на землю. В сетях напряжением до 1 кВ основной ток утечки на землю пропорционален активному сопротивлению изоляции, которое измеряется прямыми или косвенными методами.

Для сетей высокого напряжения 6, 10 кВ и более основным явлением, требующим особого внимания с точки зрения предупреждения пробоев изоляции, является частичный разряд в теле изоляции. Воздействие на изоляционные материалы повышенной напряженности электромагнитного поля в сетях высокого напряжения приводит к ускоренному появлению локальных частичных разрядов в изоляции и электрическому пробою. В связи с повышением потенциала поля существенно увеличивается мощность, накапливаемая в емкости фаз относительно земли, следовательно, емкостной ток сети может достигать десятков ампер.

Для сетей напряжением более 1 кВ ПУЭ рекомендована компенсация емкостного тока замыкания на землю, которая должна применяться при следующих значениях этого тока в нормальных режимах:

• а) в сетях напряжением от 3 до 20 кВ, и во всех сетях напряжением до 35 кВ включительно, при токе более 10 А:
  • 3-6 кВ — при токе более 30 А;
  • 10 кВ — при токе более 20 А;
  • 15-20 кВ — при токе более 15 А.
• б) для блоков генератор-трансформатор напряжения 6-20 кВ — при токе более 5 А.

При отсутствии специальных мер, электрические поля в изоляционных конструкциях установок высокого напряжения получаются, как правило, резко неоднородными Изоляционные промежутки с такими полями обладают рядом существенных недостатков, например, при относительно низких напряжениях возникает разряд, сопровождающийся значительными локальными выделениями энергии и разрастанием трекингов с ускоренным старением изоляции. Разрастание трекингов ведет к пробою с протеканием емкостного тока, а при развитии аварии к току короткого замыкания на землю (корпус).

Для внутренней изоляции практически любого типа с неоднородными электрическими полями характерны относительно низкие напряжения возникновения частичных разрядов и, следовательно, низкие суммарные длительная и кратковременная электрические прочности. Выравнивание электрического поля в кабелях позволяет использовать меньшую толщину внутренней изоляции, но при этом этот способ не применим для обмоток электродвигателей.

Опыт разработки изоляционных конструкций свидетельствует о том, что с увеличением рабочего напряжения экономическая эффективность различных средств регулирования электрических полей резко возрастает, но при этом также возрастают требования к геометрии проводников и необходимость применения специальных конструкций изоляции и др.

Наибольшее рабочее линейное напряжение (U_нр, кВ) относительно земли и других фаз, на которое рассчитывается изоляция, зависит от ожидаемых перенапряжений в сети и значений токов замыкания на землю [4, 5, 6, 7].

Перенапряжения характеризуются следующими величинами:

• максимальное значение перенапряжения (U_макс) или кратность К_макс по отношению к U_нр;
• длительность воздействия;
• частота и фронт кривой перенапряжения;
• периодичность воздействия перенапряжения;
• ширина охвата сети (количество изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует перенапряжение).

По типу перенапряжения классифицируются на

1. Внешние — грозовые (отличаются большой амплитудой при кратковременном ее приложении к изоляторам) — для морских объектов не актуальны, т.к. все силовое электрооборудование и сети находятся внутри металлического корпуса.
2. Режимные перенапряжения. К ним относятся перенапряжения на разомкнутом конце односторонне включенной ненагруженной линии и ненагруженные силовые трансформаторы. Длительность — до секунды, воздействие с основной частотой сети.
3. Резонансные перенапряжения на основной частоте и вынужденных гармониках, вызванных явлениями феррорезонанса аппаратов и параметрического резонанса в сети. Характеризуются повышенной частотой воздействия, величина кратности перенапряжений для них К_макс≤1,5÷2,0 при длительности — от долей секунды до десятков минут.
4. Коммутационные перенапряжения, обусловленные включением или отключением линии или элементов оборудования, замыканиями на землю или между фазами, отключениями коротких замыканий (К_макс ≤ 3,0÷4,5). Длительность — один или несколько полупериодов промышленной частоты с наложенными колебаниями более высокой частоты с крутым фронтом.
5. Внутренние перенапряжения, возникающие при аварийных режимах сети и коммутации аварийных участков. Для них характерна меньшая амплитуда по сравнению с атмосферными, но большая продолжительность. Амплитуды перенапряжений зависят от индуктивно-емкосных характеристик аварийных участков и режима работы электропотребителей.

Для снижения последствий перенапряжений применяются общие и локальные технические меры

• а) общие — использование режимов заземления нейтрали;
• б) локальные — применение ограничителей напряжения (ОПН) для снижения влияния на сеть процессов в отдельном участке сети или на отдельно защищаемое устройство (например, защита измерительных трансформаторов напряжения).

Наибольшее перенапряжение U_макс относительно земли, на которое рассчитывается изоляция, зависит от режима работы нейтрали сети. В статье [1] приведена зависимость значений перенапряжения от емкости относительно земли. Указано, что в судовых изолированных сетях наибольшая кратность перенапряжений может достигать величины 4,67U_нр, а в сетях с резистивной нейтралью в диапазоне емкости фазы C_Ф от 2 до 16 мкФ не превышают 3,17U_Ф фазного напряжения.

Таким образом, показано, что по сравнению с изолированной, резистивная нейтраль более предпочтительна по показателю возможных снижений перенапряжений. Резистивная нейтраль особенно эффективна как средство ограничения перенапряжений в сетях с малыми величинами фазных емкостей.

Способ заземления нейтрали сети является важной характеристикой, определяющей следующие показатели

• величина тока в месте повреждения при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) в оборудовании и кабелях сети;
• величина перенапряжения на неповрежденных фазах и, соответственно, требования к изоляции электрооборудования и кабелей;
• выбор ограничителей перенапряжений для защиты от перенапряжений (коммутационных и феррорезонансных);
• допустимая длительность электроснабжения с повышенным потенциалом на неповрежденных фазах;
• допустимое сопротивление контура заземления;
• безопасность персонала и электрооборудования при ОЗЗ в сети;
• схемы построения релейной защиты от ОЗЗ.

В настоящее время в мировой практике используются следующие способы заземления нейтрали трехфазных сетей среднего напряжения (6-35 кВ)

• нейтраль источника изолированная (незаземленная);
• искусственно сформированная нейтраль сети (подключение к сети специального трансформатора для создания искусственной точки нейтрали), заземленная через дугогасящий реактор или резистор (высокоомный);
• нейтраль источника глухозаземленная, непосредственно присоединенная к заземляющему контуру;
• нейтраль источника, резонансно заземленная через дугогасящий реактор;
• нейтраль источника, эффективно заземленная через резистор (низкоомный).

Согласно ПУЭ работа электрических сетей напряжением 2-35 кВ может предусматриваться как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор.

В статье [2] отмечено, что в мировой практике эксплуатация промышленных сетей напряжением 2-35 кВ с изолированной нейтралью продолжается только в России, Италии, Японии, Финляндии. В США, Канаде, Франции, Великобритании, Португалии и ряде других стран используется заземление нейтрали через резистор. В Германии и Австрии предпочтение отдано дугогасящим реакторам.

При выборе режима заземления нейтрали, кроме вопросов влияния ОЗЗ на изоляцию, необходимо учитывать влияние процессов возникновения перенапряжений в сетях на следующее

• электробезопасность (защита от поражения людей электрическим током);
• пожаробезопасность (вероятность возникновения пожаров при коротких замыканиях);
• работоспособность электрооборудования и бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей;
• качество электроэнергии в сетях;
• электромагнитная совместимость (в нормальном режиме работы и при коротких замыканиях).

Потребность в длительном сохранении аварийного состояния сети с изолированной нейтралью и неотключенным ОЗЗ возникает лишь в случае отсутствия или при невозможности резервирования в структуре сети. Режим имеет как неоспоримое преимущество я — малый ток ОЗЗ, так и недостатки — дуговые и феррорезонансные перенапряжения, связанные с появлением перемежающейся дуги при ОЗЗ и приводящие к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное.

Для морских объектов такое применение оправдано для сетей напряжением до 1 кВ при отсутствии опасности распространения взрыво- пожароопасных воздушных смесей и газов в местах прокладки кабельных трасс и установки силового электрооборудования.

Если зоны с опасной концентрацией взрыво- пожароопасных воздушных смесей и газов перекрывают места кабельных трасс и силового электрооборудования не взрывозащищенного исполнения, то необходимо отключать участки сети с ОЗЗ, а бесперебойность электроснабжения обеспечивать за счет двубортного резервирования питания потребителя и применения устройств автоматического ввода резерва или автоматического переключения сети. В таких сетях следует применять четырех и пятипроводные сети с глухозаземленной нейтралью источника и устройствами защитного отключения.

На морских объектах для оборудования сетей напряжением до 15 кВ с изолированной нейтралью, в связи с повышенной напряженностью электрического поля и увеличенной возможностью частичных разрядов, а так же значительной фазной емкостью по отношению к корпусу, имеется опасность для персонала оказаться под напряжением при косвенном прикосновении.

Следовательно, требуются меры по надежному заземлению корпусов оборудования и контроль напряжения нулевой последовательности по значению 3U₀ в каждом фидере.

Нейтраль считается заземленной (глухозаземленной), если при одно- или двухфазном замыкании на землю в любой точке сети вынужденная составляющая напряжения на исправной фазе относительно земли не превышает 80% от наибольшего рабочего линейного напряжения сети U_нр. Это повышение Uмакс длится только в период существования аварии до отключения ОЗЗ (или последующего короткого замыкания) в течение времени срабатывания релейной защиты (доли секунды), когда

при

Режим резонансно заземленной нейтрали (заземленной через дугогасящий реактор) используется, когда возможны случаи длительной работы сети при наличии ОЗЗ на землю. Ток ОЗЗ в этом случае ограничен емкостным сопротивлением неповрежденных фаз относительно земли и компенсирующим действием дугогасящей катушки. При этом происходит смещение нейтрали на величину фазного напряжения U_ф, а изоляция неповрежденных фаз подвергается длительному воздействию линейного напряжения сети.

Заземление через дугогасящий реактор (ДГР) может снизить ток замыкания на землю до его погасания, то есть ликвидировать дуговые перенапряжения. Это в свою очередь уменьшает число переходов ОЗЗ в двух- и трехфазные короткие замыкания.

Необходимость применения в сети напряжением до 1 кВ автоматически подстраивающегося реактора для компенсации емкостных токов утечки на землю не целесообразна в связи с переменным составом включаемых/отключаемых групповых потребителей и источников, их загрузки и переходных режимов работы.

В сетях напряжением 6 кВ и более эффективное применение дугогасящего реактора с автоматической подстройкой возможно в симметричных сетях с мало изменяющейся конфигурацией (симметрия сети должна быть не хуже 0,75% от U_ф). Следует учесть практически полное отсутствие селективных защит от ОЗЗ для сети с заземлением нейтрали через ДГР.

При ОЗЗ в сетях с заземленной через резистор нейтралью во всех присоединениях протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, кроме того, протекает активный ток, создаваемый резистором. ОЗЗ должно быть селективно отключено в течение минимально возможного времени, поэтому значение активного тока должно быть больше суммарного емкостного тока сети. Селективность защит нулевой последовательности присоединений определяется тем, что активная составляющая тока ОЗЗ протекает только через поврежденное присоединение. При резистивном заземлении нейтрали селективное отключение поврежденного присоединения хорошо реализуется релейной защитой путем измерения токов нулевой последовательности I₀, которое может быть надежно выполнено на каждом фидере потребителя и источника [2, 5, 7].

Заземление нейтрали через резистор гарантированно приводит к снижению в 1.5-2 раза уровня дуговых перенапряжений и устраняет переход ОЗЗ в двух- и трехфазные замыкания [3]. При этом также обеспечивается полное устранение феррорезонансных явлений в сети, уменьшается до секунд продолжительность воздействия на изоляцию дуговых перенапряжений (при перемежающихся однофазных замыканиях) и линейного напряжения (при устойчивых замыканиях), но это не исключает необходимости установки ОПН для еще большего снижения уровня перенапряжений. Быстрое отключение линий при ОЗЗ снижает степень опасности поражения электрическим током людей, оказавшихся вблизи места ОЗЗ.

Выбор для морского объекта того или иного режима заземления нейтрали определяется исключительно по условию длительной работы сети с однофазным замыканием на землю. Учитывая повышенную опасность судов и других морских объектов с металлическими корпусными конструкциями, для снижения опасности поражения током при ОЗЗ необходимо ужесточать требования по уровню перенапряжений в местах возможного нахождения людей. Для этого следует применять решения, гарантирующие быстрое отключение участка сети со снижающимся уровнем изоляции.

Таким образом, предлагаются следующие рекомендации для снижения влияния всех видов перенапряжений в сетях морских объектов

1. Во взрывозащищенных сетях, наоборот, стремятся изолировать нейтраль для снижения тока ОЗЗ, применяя различные схемные решения с разделительными трансформаторами и устройствами дифференциальных (абсолютно селективных) защит: продольных, поперечных и защит по напряжению нулевой последовательности.
2. Системы электродвижения напряжением 6(10) кВ относятся к наиболее ответственным устройствам. Сеть систем электродвижения (с потребителями большой мощности) сравнительно короткая, доступна для ремонта, обеспечено резервирование, при этом предъявляются высокие требования к надежности электроснабжения и ограничению перенапряжений (из-за наличия управляемых частотных преобразователей гребных электродвигателей). В этих случаях более предпочтительным является быстрое отключение поврежденного при ОЗЗ элемента действием релейной защиты. Такие отключения необходимы также при повышенных требованиях электробезопасности.
3. Для морских судов применение регулируемых реакторов с переменным воздушным зазором ненадежно в связи с вибрациями и другими механическими воздействиями, передающимися по корпусным конструкциям, а так же из-за возможного значительного перекоса фаз при переключении нагрузки.
4. На морских объектах, используемых для добычи углеводородных полезных ископаемых, где возможно возникновение опасности распространения горючих газов и паров, для сетей напряжением до 0,4 кВ необходимо использовать глухозаземленную нейтраль и пятипроводные схемы соединения. При отсутствии такой опасности допустимо применять сети с изолированной нейтралью.
5. В сетях напряжением 0,6 и до 1 кВ для питания специальных ответственных потребителей необходимо применять изолированную нейтраль и разделение на участки с применением дифференциальных защит.
6. В остальных случаях для сетей 6(10) кВ предпочтительнее оказывается нейтраль, заземленная через резистор и отключение присоединения с однофазным замыканием релейной защитой во всех случаях.
7. Для сетей 6(10) и до 15 кВ при установке низкоомного резистора (ориентировочно (100-150) Ом для сети 6 кВ и около (150-300) Ом для сети 10 кВ) перенапряжения на шинах нагрузки или в нейтралях источников снижаются примерно до (2,2-2,4)U_ф.
8. На всех отходящих фидерах сетей 6(10) и до 15 кВ, коммутируемых выключателями, необходимо устанавливать ОПН на все три фазы для исключения воздействия на изоляцию очень коротких импульсов с большим уровнем напряжений.

Марк Тихомиров,
главный специалист управления
проектирования инженерного центра
ОАО «Новая ЭРА»;

Сергей Стародед,
ведущий инженер отдела НИОКР