Заземление нейтралей и защита разземленных нейтралей трансформаторов от перенапряжений

В современных энергосистемах сети 110 кВ и выше эксплуатируются с эффективным заземлением нейтралей обмоток силовых трансформаторов. Сети напряжением 35 кВ и ни­же работают с изолированной нейтралью или заземлением через дугогасящие реакторы.

Каждый вид заземления имеет свои преимущества и недостатки.

В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю не приводит к короткому замыканию. В месте замыкания проходит небольшой ток, обусловленный емкостью двух фаз на землю. Значительные емкостные токи обычно компенсируются полностью или частично включением в нейтраль трансформатора дугогасящего реактора. Остаточный в результате компенсации малый ток не способен под­держивать горение дуги в месте замыкания, поэтому поврежденный участок, как правило, не отключается автоматически. Металлическое однофазное замыкание на землю сопровождается повышением напряжения на неповрежденных фазах до линейного, а при замыкании через дугу возможно появление перенапряжений, распространяющихся на всю электрически связанную сеть, в которой могут находиться участки с ослабленной изоляцией. Чтобы уберечь трансформаторы, работающие в сетях с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, от воздействия повышенных напряжений, изоляцию их нейтралей выполняют на тот же класс напряжения, что и изоляцию линейных вводов. При таком уровне изоляции не требуется применение никаких средств защиты нейтралей, кроме вентильных разрядников, включаемых параллельно дугогасящему реактору.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали (рис. 1.19) однофазное замыкание на землю приводит к короткому замыканию. Ток короткого замыкания (КЗ) проходит от места повреждения по земле к заземленным нейтралям трансформаторов Т1 и Т2 распределяясь обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поврежденный участок выводится из работы действием защит от замыканий на землю. Через трансформаторы (ТЗ и Т4), нейтрали которых не имеют глухого заземления, ток однофазного КЗ не проходит.

С учетом того, что однофазное КЗ является частым (до 80% случаев КЗ в энергосистемах приходится на однофазные КЗ) и тяжелым видом повреждений, принимают меры по уменьшению токов КЗ. Одной из таких мер является частичное разземление нейтралей трансформаторов.

Нейтрали автотрансформаторов не разземляются, так как они рассчитаны для работы с обязательным заземлением концов общей обмотки.

Число заземленных нейтралей на каждом участке сети устанавливается расчетами и принимается минимальным. При выборе точек заземления нейтралей в энергосистеме руководствуются как требованиями релейной защиты в части поддержания на определенном уровне токов замыкания на землю, так и обеспечением защиты изоляции разземленных нейтралей от перенапряжений. Последнее обстоятельство вызвано тем, что все трансформаторы 110-220 кВ отечественных заводов имеют пониженный уровень изоляции нейтралей. Так, у трансформаторов 110 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой уровень изоляции нейтралей соответствует стандартному классу напряжения 35 кВ, что обусловлено включением со стороны нейтрали переключающих устройств с классом изоляции 35 кВ. Трансформаторы 220 кВ имеют также пониженный на класс уровень изоляции нейтралей. Во всех случаях это дает значительный экономический эффект, и тем больший, чем выше класс напряжения трансформатора.

Выбор указанного уровня изоляции нейтралей трансформаторов, предназначенных для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, технически обосновывается значением напряжения, которое может появиться на нейтрали при однофазном КЗ. А оно может достигнуть почти 1/3 линейного напряжения (например, для сетей 110 кВ около 42 кВ - действующее значение). Очевидно, что изоляция класса 35 кВ разземленной нейтрали нуждается в защите от повышенных напряжений. Кроме того, при неполнофазных отключениях (или включениях) ненагруженных трансформаторов с изолированной нейтралью переходный процесс сопровождается кратковременными перенапряжениями. До­статочно надежной защитой нейтралей от кратковременных перенапряжений является применение вентильных разрядников. Нейтрали трансформаторов 110 кВ защищаются разрядниками 2хРВС-20 с наибольшим допустимым действую­щим напряжением гашения 50 кВ.

Однако практика показывает, что на нейтрали трансформаторов могут воздействовать не только кратковременные перенапряжения. Нейтрали могут оказаться под воздействием фазного напряжения промышленной частоты (для сетей 110 кВ 65-67 кВ), которое опасно как для изоляции трансформатора, так и для разрядника в его нейтрали. Такое напряжение может появиться и длительно (десятки минут) оставаться незамеченным при неполнофазных режимах ком­мутации выключателями, разъединителями и отделителями ненагруженных трансформаторов, а также при некоторых аварийных режимах.

Рис. 1.19. Однофазное короткое замыкание в сети с эффективным заземлением нейтрали.

Неполнофазное включение ненагруженных трансформаторов. На рис. 1.20 показан трехфазный трансформатор с изолированной нейтралью. Из векторной диаграммы видно, что при симметричном напряжении сети и параметрах схемы токи намагничивания и магнитные потоки в сердечнике также симметричны, т. е. , , а напряжение на нейтрали равно нулю.

При пофазной коммутации трансформатора его электрическое и магнитное состояние изменяется. Включение трансформатора со стороны обмотки, соединенной в звезду, двумя фазами (рис. 1. 20, б) приводит к исчезновению потока Ф_с и появлению на нейтрали и на отключенной фазе напряжения, равного половине фазного:

Напряжение на разомкнутых контактах коммутационного аппарата

При подаче напряжения по одной фазе все обмотки трансформатора и его нейтраль будут находиться под напряжением включенной фазы. Между разомкнутыми контактами аппарата напряжение DU=U_л.

В эксплуатации задержка в устранении неполнофазных режимов ненагруженных трансформаторов неоднократно приводила к авариям. Лучшей мерой защиты пониженной изоляции трансформаторов от опасных напряжений является глухое заземление их нейтралей. Поэтому необходимо перед включением или отключением от сети (разъединителями, отделителями или воздушными выключателями) трансформаторов 110-220 кВ, у которых нейтраль защищена вентильными разрядниками, глухо заземлять нейтраль включаемой под напряжение или отключаемой обмотки, если к тем же шинам или к питающей линии не подключен другой трансформатор с заземленной нейтралью.

Испытаниями установлено, что глухое заземление нейтрали трансформатора облегчает процессы отключения и включения намагничивающих токов. Дуга при отключении трансформатора горит менее интенсивно и быстро гаснет.

Отключение заземляющего разъединителя в нейтрали трансформатора, работающего нормально с разземленной нейтралью, защищенной разрядником, следует производить сразу же после включения под напряжение и проверки полнофазности включения коммутационного аппарата. Нельзя длительно оставлять заземленной нейтраль, если это не предусмотрено режимом работы сети. Заземлением нейтрали вносится изменение в распределение токов нулевой последовательности и нарушается селективность действия защит от однофазных замыканий на землю.

Схемы питания от одиночных и двойных проходящих линий 110-220 кВ подстанций, выполненных по упрощенным схемам, в настоящее время получили широкое распространение. Число присоединяемых к линии трансформаторов не регламентируется и доходит до четырех-пяти. Если к линии присоединены два трансформатора и более (рис. 1.21), то целесообразно постоянно (или на время производства операций) хотя бы у одного из них иметь глухое заземление нейтрали (трансформаторы Т2 и ТЗ на рис. 1.21). Это позволит избежать появления опасных напряжений на изолированных нейтралях других трансформаторов в случае неполнофазной подачи напряжения на линию вместе с подключенными к ней трансформаторами.

Так, при однофазном включении (фаза В) питающей линии под напряжение (рис. 1.22, а) в сердечниках отключенных фаз трансформатора с глухозаземленной нейтралью T1 замкнется магнитный поток Ф_B неотключенной фазы. Он наведет в обмотках фаз А и С примерно равные ЭДС взаимоиндукции Е_A и е_с. Трансформатор T1 будет находиться в уравновешенном однофазном режиме.

При однофазной симметричной системе напряжений на линейных выводах трансформатора (сумма этих напряжений равна нулю) напряжение на незаземленной нейтрали Т2 относительно земли также равно нулю:

где

При двухфазном включении (фаз А и В) питающей линии (рис. 1.22, б) по сердечнику отключенной фазы замыкается суммарный магнитный поток Ф_A+Ф_B=-Ф_C, который наведет в обмотке отключенной фазы ЭДС взаимоиндукции EC, равную по значению и направлению напряжению фазы Uc, если бы она была включена. Таким образом, на линейных вводах всех подключенных к линии трансформаторов образуется симметричная трехфазная система напряжений, при которой напряжение на изолированной нейтрали трансформатора Т2 равно нулю:

где

Рис. 1.20. Полнофазный (а) и двухфазный (б) режимы включения ненагруженного трансформатора с изолированной нейтралью

Рис. 1.21. Схема питания ответвительных подстанций от проходящей линии

В сетях с эффективно заземленной нейтралью трансформаторы подвержены опасным перенапряжениям в аварийных режимах, когда, например, при обрыве и соединении провода с землей выделяется по тем или иным причинам участок сети, не имеющий заземленной нейтрали со стороны источника питания. На таком участке напряжение на нейтралях трансформаторов становится равным по значению и обратным по знаку ЭДС заземленной фазы, а напряжение неповрежденных фаз относительно земли повышается до линейного. Возникающие при этом в результате колебательного перезаряда емкостей фаз на землю перенапряжения представляют собой серьезную опасность для изоляции трансформаторов и другого оборудования участка.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью на случай перехода части сети в режим работы с изолированной нейтралью от замыканий на землю предусматривают защиты, реагирующие на напряжение нулевой последовательности 3Uо, которое появляется на зажимах разомкнутого треугольника трансформатора напряжения при соединении фазы с землей. Защиты действуют на отключение выключателей трансформаторов с незаземленной нейтралью. Защиты от замыканий на землю в сети настраивают таким образом, чтобы при однофазном повреждении первыми отключались питающие сеть трансформаторы с изолированной нейтралью, а затем трансформаторы с заземленной нейтралью. На тех подстанциях 110кВ, где силовые трансформаторы не могут получать подпитку со стороны СН и НН, такие защиты от замыканий на землю не устанавливаются, не производится также и глухое заземление нейтралей.

Рекомендации оперативному персоналу. На основании изложенного оперативному персоналу могут быть даны следующие рекомендации.

При выводе в ремонт силовых трансформаторов, а также изменениях схем подстанций необходимо следить за сохранением режима заземления нейтралей, принятого в энергосистеме, и не допускать при переключениях в сетях с эффективно заземленной нейтралью выделения участков без заземления нейтралей у питающих сеть трансформаторов.

Во избежание же автоматического выделения таких участков на каждой системе шин подстанции, где возможно питание от сети другого напряжения, желательно иметь трансформатор с заземленной нейтралью с включенной на нем токовой защитой нулевой последовательности. В случае вывода в ремонт трансформатора, нейтраль которого заземлена, необходимо предварительно заземлить нейтраль другого параллельно работающего с ним трансформатора.

Без изменения положения нейтралей других трансформаторов производится отключение трансформаторов с изолированной нейтралью (трансформаторы старых выпусков с равнопрочной изоляцией выводов) или нейтралью, защищенной вентильным разрядником.