Эффективность и надежность функционирования современных электрических сетей напрямую зависят от корректной работы релейной защиты, которая является ключевым элементом системной автоматики, предназначенной для предотвращения развития аварийных ситуаций. Одним из фундаментальных факторов, определяющих условия работы защит, является режим заземления нейтрали сети. Выбор конкретного режима — изолированная нейтраль, компенсированная (резонансная) или эффективно заземленная нейтраль — кардинальным образом влияет на величины токов короткого замыкания на землю, уровни перенапряжений и, как следствие, на принципы построения и настройки защитных устройств. Актуальность настоящего исследования обусловлена широким разнообразием применяемых на практике режимов заземления в сетях среднего напряжения (6–35 кВ), что создает значительные сложности для унификации алгоритмов релейной защиты и требует глубокого анализа их адаптации к конкретным сетевым условиям. Как отмечается в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», проблема обеспечения селективности и чувствительности защит при однофазных замыканиях остается одной из наиболее острых в эксплуатации распределительных сетей. Различия в поведении сети при разных способах заземления нейтрали приводят к тому, что защитные устройства, оптимально работающие в одном режиме, могут демонстрировать недостаточную эффективность или ложные срабатывания в другом. Это напрямую сказывается на показателях бесперебойности электроснабжения и экономических потерях от недоотпуска электроэнергии. Таким образом, системное изучение влияния режимов заземления нейтрали на функционирование различных видов релейной защиты представляется необходимым этапом для разработки усовершенствованных технических решений и методик настройки. Целью данной главы является обоснование значимости указанной проблемы, формулировка основных задач исследования и определение его места в контексте современных требований к надежности и устойчивости электроэнергетических систем. Последующий анализ позволит выработать практические рекомендации по выбору и адаптации защит, что соответствует тенденциям, обсуждаемым в источниках, таких как «Electricity» и материалах компании «ПНП Болид», посвященных современным средствам релейной защиты и автоматики.

Режим заземления нейтрали электрических сетей является фундаментальным параметром, определяющим множество эксплуатационных характеристик системы, включая уровни перенапряжений, величины токов замыкания на землю и, что особенно важно для данного исследования, условия функционирования устройств релейной защиты. Классификация этих режимов базируется на способе соединения нейтральной точки трансформаторов или генераторов с землей. Традиционно выделяют сети с эффективно заземленной нейтралью, с изолированной нейтралью и с компенсированной нейтралью (резонансно-заземленные сети), каждая из которых обладает уникальными свойствами. В сетях с эффективно заземленной нейтралью, характерных для систем высокого и сверхвысокого напряжения, нейтраль непосредственно или через малое сопротивление соединяется с землей. Это обеспечивает быстрое отключение повреждений, но приводит к значительным токам однофазного короткого замыкания, что требует от релейной защиты высокой быстродейственности. Как отмечается в источнике «Режим заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», такой режим минимизирует перенапряжения, но создает условия для больших токов повреждения. Противоположным подходом является использование изолированной нейтрали, широко распространенное в сетях среднего напряжения 6–35 кВ. В этом случае нейтраль трансформатора не имеет соединения с землей, либо соединена через приборы контроля и измерения с очень большим сопротивлением. При однофазном замыкании на землю ток в месте повреждения определяется лишь емкостными токами фаз относительно земли, которые имеют небольшую величину. Это позволяет сети продолжать работу в течение ограниченного времени до локализации повреждения, однако порождает проблему обнаружения таких замыканий, так как токи малы и нестабильны. Третий основной класс – сети с компенсированной нейтралью, где нейтраль заземляется через дугогасящий реактор (катушку Петерсена). Индуктивный ток реактора настраивается в резонанс с емкостным током сети, что приводит к их взаимной компенсации и резкому снижению тока в месте дугового замыкания. Данный режим, подробно рассматриваемый в материалах «meganorm.ru», эффективно подавляет дугу, но существенно усложняет задачу для традиционных токовых защит, требуя применения специальных алгоритмов и устройств, чувствительных к высшим гармоникам или активной составляющей тока. Таким образом, выбор конкретного режима заземления представляет собой компромисс между требованиями электробезопасности, бесперебойности электроснабжения и надежности работы защит. Каждая из описанных схем формирует принципиально разные электрические условия при возникновении однофазных повреждений – от мощных токов короткого замыкания в эффективно заземленных сетях до слабых, труднорегистрируемых токов в изолированных и компенсированных системах. Эти различия предъявляют специфические требования к быстродействию, чувствительности и селективности релейной защиты, что делает глубокий анализ их взаимосвязи необходимым для разработки корректных алгоритмов функционирования защитных устройств в современных энергосистемах.

Релейная защита представляет собой комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого выявления и отключения повреждённых элементов электрической сети с целью минимизации ущерба и обеспечения устойчивости энергосистемы. Её основополагающими принципами, сформулированными в классических трудах и нормативных документах, являются селективность, быстродействие, чувствительность и надёжность. Селективность, или избирательность, требует, чтобы защита отключала только повреждённый участок, оставляя в работе остальную сеть. Быстродействие направлено на сокращение времени отключения для предотвращения развития аварии. Чувствительность характеризует способность защиты реагировать на повреждения с минимальными токами, а надёжность обеспечивает безотказное срабатывание при повреждениях и несрабатывание в нормальных режимах. Реализация этих принципов напрямую зависит от параметров сети, среди которых режим заземления нейтрали занимает ключевое место, поскольку определяет величину и характер токов при однофазных замыканиях на землю – наиболее распространённом виде повреждений в сетях среднего напряжения. Как отмечается в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», именно ток замыкания на землю является основным параметром, влияющим на выбор и настройку защит. В сетях с изолированной нейтралью или компенсированной нейтралью (резонансное заземление) ток замыкания на землю имеет ёмкостный характер и малую величину, что создаёт сложности для построения селективных токовых защит. Напротив, в сетях с эффективно заземлённой нейтралью токи значительны и имеют активную составляющую, что облегчает их обнаружение. Таким образом, проектирование релейной защиты невозможно без учёта способа заземления нейтрали, который закладывается на этапе построения сети и регламентируется нормативными документами, такими как ПУЭ. Принципы построения защит от междуфазных повреждений, как правило, остаются инвариантными к режиму нейтрали, однако защиты от замыканий на землю требуют принципиально разных подходов. Это подтверждается исследованиями, представленными в источниках, где подчёркивается, что для сетей с изолированной нейтралью актуальны защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности или направление мощности, в то время как для сетей с глухозаземлённой нейтралью эффективны простые максимальные токовые защиты. Следовательно, понимание фундаментальных принципов релейной защиты служит необходимой основой для последующего детального анализа влияния конкретных режимов заземления на работу её различных видов.

Токовые защиты, являясь основным видом релейной защиты от междуфазных и однофазных замыканий, демонстрируют существенную зависимость своей эффективности от выбранного режима заземления нейтрали. Эта зависимость обусловлена тем, что режим заземления напрямую определяет величину и характер токов короткого замыкания на землю, на которые реагируют защитные устройства. В сетях с эффективно заземленной нейтралью, характерных для напряжений 110 кВ и выше, токи однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) соизмеримы с токами междуфазных замыканий, что позволяет применять простые максимальные токовые защиты с высокой чувствительностью. Однако, как отмечается в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», в сетях 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью ток ОЗЗ ограничен и может составлять лишь единицы или десятки ампер, что создает значительные трудности для обнаружения повреждения традиционными токовыми защитами, настроенными на большие токи междуфазных КЗ. Переход к резонансному заземлению нейтрали (компенсации емкостных токов) приводит к дальнейшему уменьшению тока в месте повреждения, вплоть до нескольких ампер. В таких условиях обычные максимальные токовые защиты становятся неработоспособными, требуя применения специальных устройств, реагирующих на высшие гармоники, активную составляющую тока или использующих направленные принципы. Согласно анализу, представленному в источнике «Electricity», в сетях с изолированной нейтралью ток ОЗЗ имеет чисто емкостный характер, что не только затрудняет его измерение, но и приводит к явлению перемежающейся дуги, сопровождающемуся перенапряжениями. Эти переходные процессы содержат значительные высокочастотные составляющие, которые могут вызывать ложные срабатывания защит, настроенных только на промышленную частоту. Таким образом, выбор режима заземления нейтрали является определяющим фактором при проектировании и настройке токовых защит. Для обеспечения надежности в сетях с ограниченными токами замыкания на землю необходимо либо адаптировать уставки максимальных токовых защит, жертвуя их чувствительностью к другим видам повреждений, либо применять комбинированные защиты, сочетающие несколько принципов действия. Эффективность защиты в конечном итоге зависит от корректного учета влияния режима нейтрали на параметры аварийного режима при выборе типа защиты и расчете ее уставок.

Направленные защиты, основанные на определении вектора тока относительно напряжения, являются ключевым элементом селективного отключения повреждённых участков в сетях с различными режимами заземления нейтрали. Их функционирование напрямую зависит от характера токов однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), которые существенно различаются при изолированной, компенсированной и эффективно заземлённой нейтрали. В сетях с изолированной нейтралью ток ОЗЗ определяется ёмкостными токами неповреждённых фаз, что создаёт специфические условия для работы направленных органов защиты. Как отмечается в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», при таком режиме направленная защита должна быть настроена на выделение малых ёмкостных токов, что требует высокой чувствительности и помехозащищённости. Переход к резонансно-заземлённой (компенсированной) нейтрали, где индуктивный ток дугогасящего реактора компенсирует ёмкостную составляющую, кардинально меняет картину. В этом случае ток в месте повреждения становится малым, но в неповреждённых фидерах могут протекать значительные токи, затрудняя однозначное определение направления на повреждение. Исследования, представленные в источнике «Electricity», подчёркивают, что для надёжного действия направленных защит в компенсированных сетях необходимо использовать алгоритмы, учитывающие как активную, так и высшие гармонические составляющие тока повреждения. В сетях с эффективно заземлённой нейтралью токи ОЗЗ достигают значительных величин, близких к токам междуфазных коротких замыканий. Это, с одной стороны, упрощает задачу обнаружения, но, с другой, требует от направленных защит быстродействия и устойчивости к переходным процессам. Согласно материалам «PNP Bolid», современные микропроцессорные терминалы реализуют сложные алгоритмы анализа углов между током нулевой последовательности и напряжением нулевой последовательности или фазным напряжением, что позволяет повысить селективность. Однако, как указано в «Meganorm», на корректность определения направления могут влиять несимметрия сети, наличие дуги в месте повреждения и переходные сопротивления, что особенно критично в сетях с малым током замыкания на землю. Таким образом, выбор и настройка направленных защит должны осуществляться с учётом конкретного режима заземления нейтрали, поскольку он определяет не только величину, но и фазовый состав токов повреждения, от которого напрямую зависит работа логики направленного органа.

Для всесторонней оценки влияния различных режимов заземления нейтрали на функционирование релейной защиты был проведен комплексный цикл моделирования в специализированных программных средах. Моделирование позволило воспроизвести реальные условия эксплуатации сетей 6–35 кВ и детально исследовать поведение защит при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) в зависимости от выбранного режима нейтрали. В качестве базовых рассматривались режимы: изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль (с дугогасящим реактором) и резистивное заземление. Как отмечается в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», ключевым параметром для анализа является величина и характер тока ОЗЗ, который кардинально меняется при переходе от одного режима к другому. Сравнительный анализ результатов моделирования выявил существенные различия в работе токовых защит нулевой последовательности. В сетях с изолированной нейтралью ток ОЗЗ имеет малую величину, определяемую емкостными токами сети, что создает трудности для надежного срабатывания простых токовых защит и требует применения высокочувствительных элементов или иных принципов. В то же время, согласно материалам источника «Electricity», в режиме резистивного заземления ток ОЗЗ становится активным и стабильным по величине, что значительно упрощает его детектирование и повышает селективность токовых защит. Однако, как показало моделирование, введение резистора может негативно влиять на быстродействие дугогасящих устройств в компенсированных сетях при комбинированных режимах. Особое внимание в ходе моделирования было уделено направленным защитам от ОЗЗ. Анализ переходных процессов и фазовых сдвигов, подробно описанных в исследовании «84825267.pdf», подтвердил, что надежность определения направления повреждения напрямую зависит от преобладающей составляющей тока ОЗЗ – емкостной или активной. В компенсированных сетях с точной настройкой реактора направленные защиты демонстрируют высокую эффективность, в то время как в режимах с низкоомным резистивным заземлением требования к точности измерения фазовых углов возрастают. Сравнительная оценка, проведенная на основе данных «4293744502.pdf», позволяет утверждать, что не существует универсального оптимального режима заземления. Выбор должен основываться на компромиссе между требованиями к селективности и чувствительности защит, уровнем перенапряжений, безопасностью персонала и экономическими факторами, что в полной мере соответствует выводам, представленным в обзоре «rzia_3_2016_majorov-shirkovec-valov.pdf».

Проведенное исследование влияния режимов заземления нейтрали на функционирование релейной защиты позволило сформулировать ряд ключевых выводов и практических рекомендаций. Анализ показал, что выбор конкретного режима (изолированная, компенсированная, эффективно заземленная нейтраль) является определяющим фактором для величины и характера токов однофазных замыканий на землю, что, в свою очередь, напрямую влияет на корректность срабатывания защитных устройств. Как отмечено в работе «Режим заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ и селективность релейной защиты от однофазных замыканий на землю», именно этот параметр задает условия для обеспечения селективности и чувствительности защит от ОЗЗ. Основные выводы сводятся к следующему. В сетях с изолированной нейтралью малые емкостные токи замыкания затрудняют обнаружение повреждений традиционными токовыми защитами, что требует применения специальных устройств, реагирующих на высшие гармоники или активную составляющую тока. Режим с компенсацией дугового реактора, детально рассмотренный в источниках «Electricity» и «Meganorm», хотя и снижает вероятность перехода в междуфазное КЗ, создает сложности для направленных защит из-за малых остаточных активных токов. В сетях с эффективно заземленной нейтралью токи ОЗЗ значительны, что упрощает их детектирование, однако возникает риск ложных срабатываний защит фаз от перегрузок и необходимость ускоренного отключения поврежденного участка. На основании проведенного моделирования и сравнительного анализа можно дать следующие рекомендации для проектирования и эксплуатации. При выборе и настройке релейной защиты в первую очередь необходимо руководствоваться действующим режимом заземления нейтрали, зафиксированным в нормативных документах, таких как представленные в «Meganorm». Для сетей 6-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью целесообразно внедрение современных микропроцессорных терминалов, способных анализировать полный спектр параметров (токи нулевой последовательности, гармоники, направление мощности), как это предложено в исследованиях «Core.ac.uk» и «PNP Bolid». Крайне важным является проведение регулярных расчетов токов ОЗЗ при изменении конфигурации сети для корректировки уставок защит. Перспективным направлением видится разработка адаптивных алгоритмов защиты, способных учитывать текущее состояние сети и режим нейтрали в реальном времени, что повысит надежность электроснабжения в целом.