Ограничение внутренних перенапряжений в сетях с изолированной нейтралью с малым числом присоединений

  • Андрей Иванович Попов
  • Геннадий Петрович Корнилов
Ключевые слова: внутренние перенапряжения, дуговые замыкания, компенсация, трансформатор напряжения, компенсация емкостного тока

Аннотация

Однофазные замыкания на землю являются наиболее распространенным видом неисправностей в сетях с изолированной нейтралью. Для систем электроснабжения предприятий горнорудной промышленности данный режим является аварийным и требует отключения поврежденного участка. В статье на примере малоразветвленной карьерной сети с изолированной нейтралью проведен анализ эффективности классических методов борьбы с перенапряжениями в режиме однофазных замыканий на землю. Проанализирована существующая российская нормативная база в области требований к выбору работы нейтрали электрических сетей. Показана необходимость в разработке системного критерия, регламентирующего способ выполнения нейтрали с учетом особенностей электрических систем и их режимов. Предложены нестандартные методы снижения перенапряжений на элементах электроустановок, а также токов в обмотках измерительных трансформаторов напряжения в целях обеспечения их термической стойкости. Для оценки эффективности предлагаемых технических решений использованы математические модели в среде MATLAB Simulink. Даны рекомендации к повышению надежности работы релейной защиты от замыканий на землю и выбора критерия её работы в сетях с малым числом присоединений. Приведены осциллограммы характерных режимов для исходной и усовершенствованной схем

Биографии авторов

Андрей Иванович Попов

аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; 02pai74@mail.ru

Геннадий Петрович Корнилов

доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; korn_mgn@mail.ru

Литература

1. Беляков Н.Н. Исследование перенапряжений при дуговых замыканиях на землю в сетях 6 и 10 кВ с изолированной нейтралью. – Электричество, 1957, № 5, с. 31–36.
2. Семенова Е.Ю. Проблемы однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. – Электричество, 2019, № 5, с. 12–18.
3. Смотров Н.Н. и др. Технические решения по предотвращению развития и ликвидации однофазных замыканий на землю в РУ 6-10 кВ электростанций. – Электричество, 2022, № 6, с. 53–63.
4. Ибадуллаев М., Товбаев А.Н., Есенбеков А.Ж. К общей теории анализа субгармонических колебаний в трехфазных феррорезонансных цепях и системах. – Электричество, 2021, № 12, с. 35–44.
5. Ширковец А.И. Классификация замыканий на землю и оценка устойчивости сети к феррорезонансу на основе результатов регистрации аварийных событий. – Релейная защита и автоматизация, 2013, № 3 (12), с. 26–30.
6. Лебедев В.Д., Филатова Г.А., Петров А.Е. Исследование цифровых измерительных трансформаторов в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю с применением программно-аппаратного комплекса RTDS. – Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, 2024, т. 24, № 2, с. 5–17.
7. Гусев О.Ю., Гусев Ю.П., Южанин А.Е. Оценка термической стойкости трансформатора напряжения при броске тока намагничивания, вызванного однофазным замыканием на землю. – Электричество, 2024, № 8, с. 36–41.
8. Назарычев А.Н. и др. Исследование защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на измерении тока обратной последовательности. – Электричество, 2024, № 2, с. 31–41.
9. Бобоев Х.Д. Обеспечение безопасности в распределительных электрических сетях горнодобывающих предприятий Республики Таджикистан: автореферат дис. … канд. техн. наук. Челябинск, 2022, 20 с.
10. Дмитриченко В.И. и др. Комплексная релейная защита электросетей 6-35 кВ. – Sciences of Europe, 2025, № 159, с. 70–74.
11. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971, 152 с.
12. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от однофазных замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик», 2001, 104 с.
13. Гиндуллин Ф.А. и др. Перенапряжение в сетях 6–35 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1989, 192 с.
14. Кузьмин С.В. и др. Анализ аварийности в системе электроснабжения 6-10 кВ горно-металлургических предприятий Сибири. – Горное оборудование и электромеханика, 2009, № 3, с. 23–25.
15. Кузьмин С.В. и др. Анализ динамики аварийности и повышение эффективности защиты от однофазных замыканий на землю в сетях и электрооборудовании 6-10 кВ карьеров и разрезов. – Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2018, № S64, с. 134–144.
16. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. СПб.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2010, 458 с.
17. Ильиных М.В., Телегин А.В. Российские и мировые стандарты по организации режима заземления нейтрали распределительных сетей и защите от дуговых перенапряжений. – Промышленная энергетика, 2023, № 11, с. 12–20.
18. Ильиных М.В., Телегин А.В. Новые Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ. – Энергетик, 2023, № 11, с. 3–7.
19. Siirto O. et al. Neutral Point Treatment and Earth Fault Suppression. – Electric Power Quality and Supply Reliability, 2012, DOI: 10.1109/PQ.2012.6256226.
20. Di Marino E. et al. Change of Neutral Earthing of MV Networks from Isolated to Connected to Ground Through Impedance: Operation Results and Transition Management. – 17th International Conference on Electricity Distribution, 2003.
21. Даки Н.В., Великий С.Н., Челазнов А.А. Режимы заземления нейтрали сети 6-10 кВ ОАО «Газпром». – Труды II Всероссийской научно-технической конференции «Ограничения перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6 –35 кВ», 2002, с. 13–22.
22. Приказ Министерства энергетики Российской Федерации от 04.10.2022 № 1070 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации и о внесении изменений в приказы Минэнерго России от 13 сентября 2018 г. № 757, от 12 июля 2018 г. № 548» (в ред. от 09.12.2024).
23. Кричко В.А., Миронов И.А. Опыт эксплуатации автоматических систем компенсации емкостного тока замыкания на землю [Электрон. ресурс], URL: http://pnpbolid.com/wp-content/uploads/2019/10/iv-conference-2006-21.pdf (дата обращения 25.01.2025).
24. Тигунцев С.Г., Вишняков Н.А., Шафаревич К.В. Активная компенсация ёмкостных токов при однофазных замыканиях на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью. – Электрические станции, 2024, № 9 (1118), с. 18–23.
25. Аюурзана Э. и др. Оценка составляющих тока однофазного замыкания на землю при проведении натурных экспериментов в сетях среднего класса напряжения различного назначения. – Вестник Чувашского университета, 2016, № 3, с. 21–29.
26. Булычев А.В., Дементий Ю.А., Козлов В.Н. Компенсация полного тока замыкания на землю в сетях 6-10 кВ. – Вестник Чувашского университета, 2018, № 1, с. 24–35.
27. Пат. RU 2788676 C1. Устройство управления заземлением нейтрали в электрической сети / В.Ф. Ильин и др., 2023.
28. Электрооборудование и электроснабжение горнорудных предприятий / под ред. В.С. Виноградова. М.: Недра, 1983, 335 с.
29. Бариев Н.В. Электропривод одноковшовых экскаваторов типов ЭКГ-4 и ЭКГ-4,6. М.: Энергия, 1964, 104 с.
30. Попов А.И. Перенапряжения при неполнофазных режимах работы трансформаторов в сетях горнорудных предприятий и способы их ограничения. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2024, т. 67, № 3, с. 126–138.
31. Приказ Ростехнадзора от 08.12.2020 № 505 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых».
32. Гордон Г.Ю., Вайнштейн Л. И. Электротравматизм и его предупреждение. М.: ЭАИ, 1986, 256 с.
33. Гладилин Л.В. и др. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М.: Недра, 1977, 327 с.
34. Пичуев А.В., Петуров В.И., Суворов И.Ф. Влияние нестационарных режимов на электробезопасность при эксплуатации электрооборудования горных предприятий. М.: Издательство «Горная книга», 2011, 326 с.
35. Евдокунин Г.А., Титенков С.С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. СПб.: Терция, 2004, 184 с.
36. Popov A.I., Kornilov G.P., Bochkarev A. Investigation of the Incomplete Phase Mode of a Power Transformer. – International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2024, pp. 848–852, DOI: 10.1109/UralCon62137.2024.10718921.
37. Петров М.И., Кузьмин А.А. Влияние частотно-регулируемой нагрузки на процесс усиления гармонических искажений при возникновении однофазного замыкания на землю. – Вестник Чувашского университета, 2015, № 3, с. 104–108.
38. РД 34.20.179 (ТИ34-70-070-87). Типовая инструкция по компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ. М.: Служба передового опыта ПО “Союзтехэнерго”, 1988, 56 с.
39. Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р. Моделирование электротехнических комплексов промышленных предприятий. Магнитогорск: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2014, 239 с.
40. Ляхомский А.В., Герасимов А.И., Перфильева Е.Н. Моделирование режимов однофазных замыканий на землю в электрических сетях напряжением 6 кВ открытых горных работ. – Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2021, № 2, с. 164–178.
41. Саенко Ю.Л., Попов А.С. Моделирование феррорезонансных процессов в распределительных сетях предприятий металлургического комплекса. – Вiсник Вiнницького полiтехнiчного iнституту, 2011, № 2 (95), с. 91–95.
42. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности. Киев: Наукова думка, 1983, 268 с.
43. Беркович М.А. и др. Справочник по релейной защите. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 512 с.
44. Сирота И.М., Кисленко С.Н., Михайлов А.М. Режимы нейтрали электрических сетей. Киев: Наукова думка, 1985, 264 с.
45. Поляков В.С., Пугачёв А.А. Феррорезонанс в электрических сетях напряжением 6–500 кВ / под ред. А.Н. Новиковой. СПб.: Политехника Сервис, 2023, 252 с.
46. ДИВГ.648228.097-02.19 РЭ1. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ-152-КСЗ-41. Руководство по эксплуатации. Часть 2, 132 с.
47. Козлов В.Н. Сопутствующие эффекты компенсации токов однофазного замыкания на землю. – Релейная защита и автоматизация, 2021, № 1 (42), с. 22–28.
48. Ширковец А.И. Классификация замыканий на землю и оценка устойчивости сети к феррорезонансу на основе результатов регистрации аварийных событий. – Релейная защита и автоматизация, 2013, № 3 (12), с. 26–30.
49. Сидоров А.И., Бобоев Х.Д. Исследование погрешностей косвенного метода измерения параметров изоляции фаз сети относительно земли на имитационной модели. – Безопасность труда в промышленности, 2020, № 9, с. 24–29.
50. Маврицын А.М., Бухтояров В.Ф. Защита от однофазных замыканий на землю в карьерах. М.: Недра, 1968, 62 с.
51. Клюев Р.В., Гаврина О.А. Разработка комплексной методики определения токов однофазных замыканий на землю в распределительной сети карьера. – Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, 2024, № 1, с. 255–268.
52. Богдан А.В., Богдан В.А., Соболь А.Н. Измерение сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора Y/Yн-12. – Сельский механизатор, 2018, № 11, с. 40–41.
53. Сирота И.М. Защита от замыканий на землю в электрических системах. Киев: Изд-во АН УССР, 1955, 208 с.
#
1. Belyakov N.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1957, No. 5, pp. 31–36.
2. Semenova E.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 5, pp. 12–18.
3. Smotrov N.N. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 6, pp. 53–63.
4. Ibadullaev M., Tovbaev A.N., Esenbekov A.Zh. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 12, pp. 35–44.
5. Shirkovets A.I. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2013, No. 3 (12), pp. 26–30.
6. Lebedev V.D., Filatova G.A., Petrov A.E. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika – in Russ. (Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering), 2024, vol. 24, No. 2, pp. 5–17.
7. Gusev O.Yu., Gusev Yu.P., Yuzhanin A.E. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 8, pp. 36–41.
8. Nazarychev A.N. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 2, pp. 31–41.
9. Boboev H.D. Obespechenie bezopasnosti v raspredelitel’nyh elektricheskih setyah gornodobyvayushchih predpriyatiy Respubliki Tadzhikistan: avtoreferat dis. … kand. tehn. nauk (Ensuring Safety in the Distribution Electric Networks of Mining Enterprises of the Republic of Tajikistan: Abstract … Cand. Sci. (Eng.)). Chelyabinsk, 2022, 20 p.
10. Dmitrichenko V.I. et al. Sciences of Europe, 2025, No. 159, pp. 70–74.
11. Lihachev F.A. Zamykaniya na zemlyu v setyah s izolirovannoy neytral’yu i s kompensatsiey emkostnyh tokov (Earth Faults in Networks with an Isolated Neutral and with Compensation of Capacitive Currents). M.: Energiya, 1971, 152 p.
12. Shuin V.A., Gusenkov A.V. Zashchity ot odnofaznyh zamyka-niy na zemlyu v elektricheskih setyah 6-10 kV (Protection Against Single-Phase Earth Faults in Electrical Networks of 6-10 kV). M.: NTF «Energoprogress», «Energetik», 2001, 104 p.
13. Gindullin F.A. et al. Perenapryazhenie v setyah 6–35 kV (Overvoltage in 6-35 kV Networks). M.: Energoatomizdat, 1989, 192 p.
14. Kuz’min S.V. et al. Gornoe oborudovanie i elektromehani-ka – in Russ. (Mining Equipment and Electromechanics), 2009, No. 3, pp. 23–25.
15. Kuz’min S.V. et al. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ (nauchno-tehnicheskiy zhurnal) – in Russ. (Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal)), 2018, No. S64, pp. 134–144.
16. Pravila ustroystva elektroustanovok (Electrical Installation Rules). 7th edition. SPb.: Izd-vo NTs ENAS, 2010, 458 p.
17. Il’inyh M.V., Telegin A.V. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2023, No. 11, pp. 12–20.
18. Il’inyh M.V., Telegin A.V. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2023, No. 11, pp. 3–7.
19. Siirto O. et al. Neutral Point Treatment and Earth Fault Suppression. – Electric Power Quality and Supply Reliability, 2012, DOI: 10.1109/PQ.2012.6256226.
20. Di Marino E. et al. Change of Neutral Earthing of MV Networks from Isolated to Connected to Ground Through Impedance: Operation Results and Transition Management. – 17th International Conference on Electricity Distribution, 2003.
21. Daki N.V., Velikiy S.N., Chelaznov A.A. Trudy II Vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii «Ogranicheniya perenaprya-zheniy i rezhimy zazemleniya neytrali setey 6 –35 kV» – in Russ. (Proceedings of the II All-Russian Scientific and Technical Conference "Overvoltage Limits and Neutral Grounding Modes for 6-35 kV Networks"), 2002, pp. 13–22.
22. Prikaz Ministerstva energetiki Rossiyskoy Federatsii (Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation) No. 1070 dated 04.10.2022.
23. Krichko V.A., Mironov I.A. Opyt ekspluatatsii avtoma-ticheskih sistem kompensatsii emkostnogo toka zamykaniya na zemlyu (Operational Experience of Automatic Compensation Systems for Capacitive Earth Fault Current) [Electron. resource], URL: http://pnpbolid.com/wp-content/uploads/2019/10/iv-conference-2006-21.pdf (Access on 25.01.2025).
24. Tiguntsev S.G., Vishnyakov N.A., Shafarevich K.V. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Power Plants), 2024, No. 9 (1118), pp. 18–23.
25. Ayuurzana E. et al. Vestnik Chuvashskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the Chuvash University), 2016, No. 3, pp. 21–29.
26. Bulychev A.V., Dementiy Yu.A., Kozlov V.N. Vestnik Chu-vashskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of the Chuvash University), 2018, No. 1, pp. 24–35.
27. Pat. RU 2788676 C1. Ustroystvo upravleniya zazemleniem neytrali v elektricheskoy seti (Neutral Ground Control Device in the Electrical Network) / V.F. Il’in et al., 2023.
28. Elektrooborudovanie i elektrosnabzhenie gornorudnyh predpriyatiy (Electrical Equipment and Power Supply for Mining Enterprises) / Ed. by V.S. Vinogradov. M.: Nedra, 1983, 335 p.
29. Bariev N.V. Elektroprivod odnokovshovyh ekskavatorov tipov EKG-4 i EKG-4,6 (Electric Drive of Single-Bucket Excavators of EKG-4 and EKG-4,6 Types). M.: Energiya, 1964, 104 p.
30. Popov A.I. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektro-mehanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2024, vol. 67, No. 3, pp. 126–138.
31. Prikaz Rostehnadzora (Rostechnadzor Order) No. 505 dated 08.12.2020.
32. Gordon G.Yu., Vaynshteyn L.I. Elektrotravmatizm i ego preduprezhdenie (Electrocution and Its Prevention). M.: EAI, 1986, 256 p.
33. Gladilin L.V. et al. Elektrobezopasnost’ v gornodobyvayu-shchey promyshlennosti (Electrical Safety in Mining Industry). M.: Nedra, 1977, 327 p.
34. Pichuev A.V., Peturov V.I., Suvorov I.F. Vliyanie nesta-tsionarnyh rezhimov na elektrobezopasnost’ pri ekspluatatsii elektro-oborudovaniya gornyh predpriyatiy (Influence of Non-Stationary Modes on Electrical Safety During Operation of Electrical Equipment of Mining Enterprises). M.: Izd-vo «Gornaya kniga», 2011, 326 p.
35. Evdokunin G.A., Titenkov S.S. Vnutrennie perenapryazhe-niya v setyah 6-35 kV (Internal Overvoltages in 6-35 kV Networks). SPb.: Tertsiya, 2004, 184 p.
36. Popov A.I., Kornilov G.P., Bochkarev A. Investigation of the Incomplete Phase Mode of a Power Transformer. – International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2024, pp. 848–852, DOI: 10.1109/UralCon62137.2024.10718921.
37. Petrov M.I., Kuz’min A.A. Vestnik Chuvashskogo universite-ta – in Russ. (Bulletin of the Chuvash University), 2015, No. 3, pp. 104–108.
38. RD 34.20.179 (TI34-70-070-87). Tipovaya instruktsiya po kompensatsii emkostnogo toka zamykaniya na zemlyu v elektricheskih setyah 6–35 kV (Standard Instruction for Compensation of Capacitive Earth Fault Current in 6-35 kV Power Networks). M.: Sluzhba peredovogo opyta PO “Soyuztehenergo”, 1988, 56 p.
39. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Hramshin T.R. Modelirovanie elektrotehnicheskih kompleksov promyshlennyh predpriyatiy (Modeling of Electrical Complexes of Industrial Enterprises). Mag-nitogorsk: Magnitogorskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet im. G.I. Nosova, 2014, 239 p.
40. Lyahomskiy A.V., Gerasimov A.I., Perfil’eva E.N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ (nauchno-tehnicheskiy zhurnal) – in Russ. (Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal)), 2021, No. 2, pp. 164–178.
41. Saenko Yu.L., Popov A.S. Visnik Vinnits’kogo politehnichno-go institutu – in Ukrain. (Bulletin of the Vinnytsia Polytechnic Institute), 2011, No. 2 (95), pp. 91–95.
42. Sirota I.M. Transformatory i fil’try napryazheniya i toka nulevoy posledovatel’nosti (Zero-Sequence Voltage and Current Transformers and Filters). Kiev: Naukova dumka, 1983, 268 p.
43. Berkovich M.A. et al. Spravochnik po releynoy zashchite (Relay Protection Handbook). M.-L.: Gosenergoizdat, 1963, 512 p.
44. Sirota I.M., Kislenko S.N., Mihaylov A.M. Rezhimy neytrali elektricheskih setey (Neutral Modes of Electric Networks). Kiev: Naukova dumka, 1985, 264 p.
45. Polyakov V.S., Pugachyov A.A. Ferrorezonans v elektricheskih setyah napryazheniem 6–500 kV (Ferroresonance in 6-500 kV Electrical Networks) / Ed. by A.N. Novikova. SPb.: Politehnika Servis, 2023, 252 p.
46. DIVG.648228.097-02.19 RE1. Blok mikroprotsessornyy releynoy zashchity BMRZ-152-KSZ-41 (Microprocessor Relay Protection Unit BMRZ-152-KSZ-41). Operation Manual. Part 2, 132 p.
47. Kozlov V.N. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2021, No. 1 (42), pp. 22–28.
48. Shirkovets A.I. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2013, No. 3 (12), pp. 26–30.
49. Sidorov A.I., Boboev H.D. Bezopasnost’ truda v promysh-lennosti – in Russ. (Occupational Safety in Industry), 2020, No. 9, pp. 24–29.
50. Mavritsyn A.M., Buhtoyarov V.F. Zashchita ot odnofaznyh zamykaniy na zemlyu v kar’erah (Protection Against Single-Phase Earth Faults in Quarries). M.: Nedra, 1968, 62 p.
51. Klyuev R.V., Gavrina O.A. Izvestiya Tul’skogo gosudarst-vennogo universiteta. Nauki o Zemle – in Russ. (Proceedings of Tula State University. Earth Sciences), 2024, No. 1, pp. 255–268.
52. Bogdan A.V., Bogdan V.A., Sobol’ A.N. Sel’skiy mehanizator – in Russ. (Rural Machine Operator), 2018, No. 11, pp. 40–41.
53. Sirota I.M. Zashchita ot zamykaniy na zemlyu v elektricheskih sistemah (Protection Against Earth Faults in Electrical Systems). Kiev: Izd-vo AN USSR, 1955, 208 p
Опубликован
2025-03-27
Раздел
Статьи