Глухозаземлённая нейтраль в сетях 0,4 кВ: режимы, применение, нормирование и пункты ПУЭ

Полная реконструкция технологических установок промышленных предприятий, включающая соответственно и полную реконструкцию их электроснабжения, проводится в настоящее время довольно редко в связи с большими инвестициями и длительностью ее реализации. Чаще всего реконструкция или техническое перевооружение проводится поэтапно в периоды капитальных ремонтов технологической установки.

Реконструкция электроустановок промышленных предприятий должна сопровождаться выполнением требований ПУЭ (седьмое издание), причем в п. 1.1.1. ПУЭ отмечено, что «по отношению к реконструируемым электроустановкам требования настоящих Правил распространяются лишь на реконструируемую часть электроустановок».

Это означает, что при реконструкции только трансформаторной подстанции (ТП) 6/0,4 кВ, включающей распредустройство (РУ) 0,4 кВ (без замены отходящих кабелей), требования Правил должны распространяться только на указанные ТП и РУ, не затрагивая других частей промышленной установки, не охваченных реконструкцией. В то же время при поэтапной реконструкции возникает проблема соответствия части электроустановки, спроектированной с учетом нового издания ПУЭ, частям электроустановки, реализованным по старым нормам и правилам. В основном это касается стороны 0,4 кВ, т.к. новыми Правилами введены возможные варианты (режимы) заземления нейтрали и открытых проводящих частей в сетях 0,4 кВ, которые предъявляют более жесткие требования к этим электроустановкам (пятипроводная система, применение УЗО-Д и т.п.).

Работа нейтрали типовой подстанции 10-6/0,4кВ

Рассмотрим в качестве примера типичный вариант реконструкции ТП и РУ 0,4 кВ технологической установки нефтеперерабатывающего предприятия при условии максимального использования существующих кабельных линий к потребителям 0,4 кВ. В данном случае не будем касаться электроустановок во взрывоопасных зонах, проектирование которых должно осуществляться с учетом кроме ПУЭ ряда других нормативных документов (в том числе ГОСТ Р 51330.13-99 “Электрооборудование взрывозащищенное. Электроустановки во взрывоопасных зонах”.)

Упрощенная однолинейная принципиальная схема электроснабжения установки приведена на рис. 1.5. Схема состоит из комплектных распределительных устройств, содержащих ряд ячеек с автоматическими выключателями:

• комплектная трансформаторная подстанция (КТП). Обычно со стороны высшего напряжения КТП имеют вводные шкафы: или напольные с отключающими аппаратами, или навесные для глухого ввода. Со стороны низшего напряжения КТП имеют шкафы: вводные, секционные и линейные с выкатными или стационарными автоматическими выключателями.
• щиты станций управления (ЩСУ1, ЩСУ2), на которых устанавливают большое количество аппаратуры, необходимой для управления современными приводами механизмов. ЩСУ в сочетании с внешними командными аппаратами служат для дистанционного и автоматизированного управления приводами, обеспечивая пуск, работу

Однолинейная принципиальная схема электроснабжения установки на низшем напряжении (0,4 кВ) в нужных режимах, остановку, а также защиту двигателей. На рис. 1.5 отходящие от ЩСУ линии для упрощения схемы не показаны.

В схеме показаны две комплектные компенсирующие установки (ККУ-1, ККУ-2), которые, как правило, подключаются к КТП в случае необходимости компенсации реактивной мощности на стороне 0,4 кВ. На шины КТП также подключаются мощные двигатели (М) технологической установки и мощные и/или ответственные распределительные щиты (Щ). Для упрощения на схеме эти нагрузки обозначены по одному присоединению каждая. Щитов станций управления может быть несколько в зависимости от сложности и производительности технологической установки, следовательно, и располагаться они могут как в одном помещении с КТП, так и в разных. В нашем случае будем считать, что ЩСУ1 обозначает щиты, расположенные в одном помещении с КТП, а ЩСУ2 – в разных помещениях с КТП. Нагрузкой ЩСУ (на схеме не показана) в основном являются двигатели и распределительные щиты, которые значительно меньше по мощности, чем подключаемые к КТП.

Варианты работы нейтрали в соответствии с ПУЭ

Выберем варианты (режимы) заземления нейтрали и открытых проводящих частей в сети 0,4 кВ рассматриваемой схемы электроснабжения, учитывая, что основные трехфазные электроприемники технологической установки на настоящий период подключены к РУ 0,4 кВ с помощью четырехжильных кабелей, основная часть которых по техническому заданию замене не подлежит. Согласно ПУЭ электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с применением системы TN (п. 1.7.57).

В этой связи мы должны в первую очередь рассмотреть возможность использования системы TN-C, а также необходимость применения систем TN-S или комбинированной TN-C-S для различных уровней схемы (КТП, ЩСУ, Щ).

Пункт 1.7.131. Правил ПЭУ гласит:

«В многофазных цепях в системе TN для стационарно проложенных кабелей, жилы которых имеют площадь поперечного сечения не менее 10 мм2 по меди или 16 мм2 по алюминию, функции нулевого защитного (РЕ) и нулевого рабочего (N) проводников могут быть совмещены в одном проводнике (PEN-проводник)».

Отсюда следует, что для КТП, мощные нагрузки которого обуславливают применение для их питания кабелей с жилами, превышающими указанные выше площади поперечного сечения, вполне подходит система TN-C. В связи с тем, что согласно пункту 1.1.26. Правил «проектирование и выбор схем, компоновок и конструкций электроустановок должны производиться на основе технико-экономических сравнений вариантов с учетом требований обеспечения безопасности обслуживания, применения надежных схем, внедрения новой техники, энерго- и ресурсосберегающих технологий, опыта эксплуатации», проанализируем выбор системы TN-C для КТП (см. рис. 1.6).

По технико-экономическим показателям данная система однозначно дешевле, чем TN-S из-за отсутствия пятого провода и УЗО, причем разница в затратах тем больше, чем более мощные нагрузки подключены к КТП и чем длиннее кабели к ним.

Меры повышения безопасности в системе TN-C

С точки зрения обеспечения безопасности обслуживания можно предложить ряд мер для ее повышения в системе TN-C по сравнению с TN-S.

1. Во-первых, в большинстве случаев для рассматриваемого нефтеперерабатывающего предприятия корпуса электродвигателей и распределительных шкафов, подключенных к КТП, имеют повторное заземление, которое сохраняется при реконструкции технологических установок. Эта мера соответствует современным требованиям, т.к. пункт 1.7.61. Правил гласит:
   

   «При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление PE- и PEN-проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется».

2. Во-вторых, для большинства ответственных электродвигателей 0,4 кВ в настоящее время предполагается установка защиты от замыкания на землю. Она выполняется или с помощью модуля защитногоотключения остаточного тока, присоединяемого непосредственно к клеммам автоматического выключателя, или с помощью отдельно устанавливаемого реле, подключаемого к трансформатору тока в виде разъемного (неразъемного) тора, охватывающего фазные жилы питающего кабеля (например, модуль Vigi. или реле Vigirex для низковольтного оборудования Merlin Gerin), как показано на рис. 1.6.
3. В-третьих, комплектные компенсирующие установки практически всегда располагаются в помещении КТП, поэтому кабели к ним имеют малую длину, а соответственно, мала вероятность их повреждения. Кроме того, доступ в помещение КТП имеет только квалифицированный электротехнический персонал (причем без постоянного присутствия людей в помещении), поэтому требование обеспечения безопасности обслуживания оборудования КТП можно считать выполненным. Это касается и ЩСУ1, находящегося в помещении КТП.

Рис. 1.6. Варианты применения систем TN-C и TN-C-S в рассматриваемой схеме:

* – обозначены четырехжильные кабели, **- обозначен пятижильный кабель.

Таким образом, в подавляющем большинстве случаев КТП могут быть выполнены по системе TN-C при хороших технико-экономических показателях и удовлетворительных мерах по обеспечению безопасности обслуживания электроустановок. Этот вывод подтверждается и многолетним опытом работы как отечественных, так и зарубежных электроустановок, характеризуемых наличием симметричной трехфазной нагрузки, в которых система TN-C выдержала испытание временем и потому ее применение разрешено.

Классификация потребителей для выбора режима нейтрали

Выбор системы для щитов станций управления обусловлен в первую очередь характером нагрузок на них. Здесь можно выделить три характерных типа ЩСУ:

• ЩСУ с достаточно мощными трехфазными потребителями (насосы, вентиляторы, компрессоры, непосредственно участвующие в технологическом процессе), сечения жил кабелей которых удовлетворяют требованиям пункта 1.7.131 ПУЭ;
• ЩСУ с большим количеством маломощных трехфазных потребителей (задвижки, вспомогательные насосы, вентиляторы и т.п.), кабели которых не удовлетворяют требованиям пункта 1.7.131 ПУЭ;
• ЩСУ, имеющие в своем составе нагрузки обоих предыдущих типов.

Для ЩСУ первого типа полностью подходят все вышеприведенные доводы, касающиеся КТП. Особенностью таких ЩСУ по сравнению с КТП является, например то, что они находятся в отдельном помещении на определенном удалении от КТП, что никак не влияет на выбор для них системы TN-C (см. ЩСУ1 на рис.1.6).

Более сложная ситуация возникает с выбором системы для ЩСУ второго типа, т.к. здесь по требованиям ПУЭ нельзя использовать совмещенный PEN-проводник, а требуется переход к системе TN-S. В этом случае можно предложить несколько выходов из создавшегося положения.

1. Во-первых, необходимо заказывать заводу-изготовителю распредустройство для данного ЩСУ с пятью шинами (тремя фазными, нулевой рабочей -N и нулевой защитной – РЕ).
2. Во-вторых, предусмотреть установку в ЩСУ, где это необходимо по требованиям нормативных документов, автоматических выключателей с модулями УЗО (устройствами дифференциальной защиты), причем на данном этапе реконструкции (замена оборудования ТП и РУ 0,4 кВ без замены кабелей) УЗО должны быть выведены из работы, до момента замены четырехпроводных кабелей на пятипроводные. Либо устанавливать УЗО в процессе замены кабелей, а при заказе оборудования для ЩСУ предусмотреть резервные места для установки УЗО в перспективе.
3. В-третьих, рассмотреть возможность использования одной из свободных (резервных) жил существующих кабелей, например для электрифицированных задвижек, в качестве защитного РЕ-проводника. Необходимо только иметь в виду, что в случае применения для таких потребителей автоматических выключателей с модулями УЗО, следует тщательно отстраивать уставки УЗО от больших емкостных токов утечки применяемых кабелей.

Для ЩСУ, имеющих в своем составе нагрузки обоих предыдущих типов, скорее всего можно рекомендовать комбинированную систему TN-C-S (см. ЩСУ2 на рис.1.6).

1. При поэтапной реконструкции систем электроснабжения промышленных предприятий необходимо решать проблему соответствия части электроустановки, спроектированной с учетом новых требований нормативных документов, узлам электроустановки, реализованным по старым нормам и правилам.
   

   В связи с этим необходимо особенно обращать внимание на сторону напряжения 0,4 кВ, так как новой редакцией ПУЭ введены возможные варианты (режимы) заземления нейтрали и открытых проводящих частей в сетях 0,4 кВ, предъявляющие более жесткие требования к этим электроустановкам (пятипроводная система, применение УЗО-Д и т.п.).

2. При проектировании реконструкции систем электроснабжения на стороне 0,4 кВ следует тщательно анализировать варианты применения системы глухого заземления нейтрали (TN-C, TN-C-S или TN-S) по отдельности для КТП, различных ЩСУ, щитов, сборок. При этом анализ следует проводить как на основе технико-экономического сравнения вариантов, так и с учетом обеспечения безопасности обслуживания и надежности применяемых схем.
3. Приведенный пример такого анализа показал, что в подавляющем большинстве случаев КТП и ЩСУ с достаточно мощными трехфазными потребителями могут быть выполнены по системе TN-C при хороших технико-экономических показателях и удовлетворительных мерах по обеспечению безопасности обслуживания электроустановок. ЩСУ и щиты с большим количеством маломощных трехфазных потребителей и кабелями малого сечения должны выполняться по системе TN-S. Система TN-C-S применима для ЩСУ и щитов, имеющих в своем составе нагрузки обоих предыдущих типов.