ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ДЛЯ СЕТИ 35 кВ

Рост доли кабельных линий в сетях 35 кВ увеличивает ток однофазного замыкания на землю и меняет условия работы защиты. Поэтому параметры заземления нейтрали необходимо связывать с фактическим составом присоединений и возможными изменениями схемы. Физические особенности резистивного режима и принципы организации защиты рассмотрены в [1; 2].

В рассматриваемой схеме основную ёмкостную составляющую создаёт кабельное присоединение. По этой причине сопротивление целесообразно выбирать не как единственное расчётное число, а внутри допустимого интервала. Цель работы - обосновать номинал резистора и определить границу изменения сети, при которой решение должно быть пересмотрено.

При резистивном режиме нейтраль соединяется с заземляющим устройством через активное сопротивление, выбираемое по ёмкостному току и чувствительности РЗА [3]. Активная составляющая повышает выявляемость ОЗЗ [4]. Технические материалы [5] устанавливают два условия: ток резистора должен поддерживать устойчивое горение дуги и обеспечивать чувствительность защиты. Поэтому номинал одновременно ограничивает ток повреждения и создаёт запас селективности.

Исходная модель включает две воздушные линии 35 кВ длиной 13 и 12 км и кабельную линию АПвПу2г 3(1×240)35а-35 длиной 17 км. Удельные фазные ёмкости составляют соответственно 0,0058 и 0,24 мкФ/км. Приняты частота 50 Гц и линейное напряжение 35 кВ.

Фазная ёмкость и ток ОЗЗ определялись по выражениям:

(1)

где C_i — фазная ёмкость относительно земли i-го участка линии, Ф;

C_уд,i — удельная фазная ёмкость относительно земли i-го участка,мкФ/км;

l_i — длина i-го участка линии, км.

(2)

где I_C,i — составляющая ёмкостного тока ОЗЗ землю, А;

ω — угловая частота напряжения сети, рад/с; ω = 2πf;

f — частота сети, Гц; для рассматриваемой сети f = 50 Гц;

U_ф — действующее фазное напряжение сети, В.

Для каждого сопротивления рассчитывались активная составляющая, её отношение к ёмкостному току, полный ток и мощность:

(3)

где I_R — активная составляющая тока однофазного замыкания, создаваемая нейтралеобразующим резистором, А;

R — активное сопротивление резистора в нейтрали, Ом.

(4)

где k — отношение активной составляющей тока к суммарному ёмкостному току сети;

I_C — суммарный ёмкостный ток однофазного замыкания на землю рассматриваемой сети, А.

(5)

где I_ОЗЗ,R — полный действующий ток однофазного замыкания на землю при резистивном заземлении нейтрали, А.

(6)

где P_R — активная мощность, выделяющаяся в резисторе во время замыкания, Вт.

В качестве проектной предпосылки принят диапазон k = 2,5–4,0. Границы сопротивления определяются как:

(7)

где R_min — нижняя граница сопротивления резистора, соответствующая наибольшему принятому отношению активного тока к ёмкостному;

R_max — верхняя граница сопротивления резистора, соответствующая наименьшему допустимому отношению активного тока к ёмкостному;

k_min — нижняя граница коэффициента k; в расчёте k_min = 2,5;

k_max — верхняя граница коэффициента k; в расчёте k_max = 4,0.

Дополнительное ограничение по максимальной уставке защиты I_сз,max записывается как:

(8)

где R_РЗА — наибольшее сопротивление резистора, при котором обеспечивается требуемая чувствительность релейной защиты, Ом;

I_СЗ,max — наибольшая рассматриваемая уставка срабатывания защиты от однофазного замыкания на землю, приведённая к первичным значениям, А;

k_ч — нормируемый коэффициент чувствительности защиты; в расчёте принято k_ч = 1,25.

Выбирают номинал, удовлетворяющий обоим ограничениям; изоляцию, длительность тока и нагрузочную способность проверяют по профильным стандартам [6–8].

Суммарная фазная ёмкость равна 4,2250 мкФ, ёмкостный ток - 80,46 А. Кабельная линия создаёт 77,70 А, или 96,6% общего значения (таблица 1).

Таблица 1.

Расчёт фазной ёмкости и ёмкостного тока присоединений

R, Ом	IR, А	IR/IС	IОЗЗ, А	PR, МВт
70	288,7	3,59	299,7	5,83
80	252,6	3,14	265,1	5,10
100	202,1	2,51	217,5	4,08

 

При фазном напряжении 20,21 формулы (7) задают интервал 62,8–105,5 Ом. Сравнение вариантов 70, 80 и 100 Ом приведено в таблице 2.

Таблица 2.

Сопоставление вариантов сопротивления

R, Ом	IR, А	IR/IС	IОЗЗ, А	PR, МВт
70	288,7	3,59	299,7	5,83
80	252,6	3,14	265,1	5,10
100	202,1	2,51	217,5	4,08

 

Номинал 80 Ом формирует активный ток 252,6 А при полном токе 265,1 А и мощности 5,10 МВт. Вариант 70 Ом дополнительно повышает ток и тепловую нагрузку, а 100 Ом практически не имеет запаса по условию k ≥ 2,5.

Для 80 Ом критерий k ≥ 2,5 выполняется при IС ≤ 101,0 А, что соответствует фазной ёмкости 5,31 мкФ и запасу 25,6%. При росте ёмкостного тока на 20% отношение IR/IС остаётся равным 2,62. По формуле (8) максимальная уставка защиты составляет 202,1 А. Для 100 Ом запас по ёмкостному току равен лишь 0,45%.

Уменьшение сопротивления увеличивает запас чувствительности РЗА, но повышает ток и энергию нагрева. Увеличение сопротивления снижает нагрузку на оборудование, однако уменьшает допустимый рост кабельной ёмкости. Номинал 80 Ом находится внутри расчётного интервала и сохраняет работоспособность критерия при двадцатипроцентном развитии сети. Номинал 100 Ом допустим только для текущей конфигурации без практически значимого запаса.

Граница 101,0 А служит признаком необходимости повторного расчёта при реконструкции сети. Для селективного отключения требуются измерение 3I₀, согласованные уставки, резервное действие на секцию и блокировка АПВ повреждённого элемента. Отдельно проверяются переходные процессы, коммутационная и термическая стойкость, а также заземляющее устройство.