Исследование режима устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ на физической модели

Введение. В настоящее время множество работ отечественных и зарубежных ученых направлено на исследование аварийных режимов электрических сетей 0,4 кВ. Это связано с необходимостью задания уставок срабатывания для разрабатываемых технических средств, предназначенных для повышения эффективности функционирования электрических сетей. В частности, множество работ связано с исследованием режимов работы электрических сетей 0,4 кВ.

Например, в работе [1] произведен расчет симметричных и несимметричных коротких замыканий в кабельных электрических сетях 0,4 кВ для выбора наименьшего значения, которое будет использоваться в качестве уставки для срабатывания защитного коммутационного аппарата по критерию чувствительности.

Аналогичная проблема актуальна для сельских электрических сетей 0,4 кВ. Например, в работе [2] представлена методика расчета однофазных и трехфазных токов короткого замыкания в электрических сетях 0,4 кВ с использованием метода ГОСТ 28249-93 и приведены примеры расчетов для линий 0,4 кВ, выполненных проводом А-25, питаемых от трансформаторов ТМ-160/10/0,4 кВ.

В рамках данного направления разработана компьютерная модель для исследования вопросов электробезопасности в сельских электрических сетях 0,4 кВ [3]. Аналогичная модель сельской электрической сети 10/0,4 кВ в программном комплексе MATLAB Simulink предложена в работе [4].

В работах [5, 6] рассмотрены проблемы электробезопасности в сельских электрических сетях 0,4 кВ, связанные с обеспечением чувствительности автоматических выключателей к токам однофазного короткого замыкания. На примере автоматических выключателей серии ВА57 предложена методика выбора коммутационного аппарата в зависимости от рабочего тока и тока короткого замыкания с учетом теплового спада.

Челябинскими учеными в работе [7] на полигоне ПАО «Россети Урал»-«Челябэнерго» исследован режим устойчивого однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ. Выбранная для испытаний опытная сеть имеет небольшую протяженность (481 м) и включает 2 типа провода: СИП-2 3х30+1х50 и АС-35. Данный полигон реализован в стране в единственном экземпляре.

В работе [8] произведены замеры сопротивления петли фаза-ноль в электрической сети прибором серии MZC с последующим косвенным вычислением ожидаемого тока однофазного короткого замыкания. С использованием данного подхода в работе [9] произведена оценка чувствительности защитного коммутационного аппарата 0,4 кВ к току однофазного короткого замыкания и определено время его срабатывания при возникновении аварийного режима.

Исследование режима однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ также проводилось на физической модели в работе [10]. При этом исследование данного режима на компьютерных моделях рассмотрено в работах [11-12].

Таким образом, можно сделать вывод, что исследование электрических параметров аварийных режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ является актуальным направлением. В данной работе планируется провести исследование режима устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ на физической модели, которая позволит получить наиболее достоверные результаты по сравнению с математическими и компьютерными моделями.

Цель работы заключается в исследовании режима устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ на физической модели.

Материалы и методы исследования.

Для исследования режима устойчивого однофазного короткого замыкания (КЗ) в сельской электрической сети 0,4 кВ в лаборатории электроснабжения, электрооборудования и возобновляемой энергетики ФГБНУ ФНАЦ ВИМ была реализована физическая модель, для которой были обоснованы коэффициенты подобия с целью соотношения результатов моделирования с промышленными параметрами с использованием методики, рассмотренной в работе [13].

Внешний вид разработанной физической модели представлен на рисунке 1, а ее задействованный функционал в опыте однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ представлен на рисунке 2.

Рисунок 1 – Внешний вид физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ.

Рисунок 2 – Схема реализации опыта однофазного короткого замыкания на физической модели

Реализация опыта однофазного короткого замыкания на физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ согласно рисунку 2 осуществляется следующим образом.

Включается коммутационный аппарат QF1, обеспечивающий подачу напряжения на физическую модель. Затем производится включение коммутационного аппарата QF2, который обеспечивает подачу напряжения на модель силового трансформатора 10/0,4 кВ Т1. Непосредственно короткое замыкание осуществляется коммутационным аппаратом QF6, подключенным к фазному провода А и нейтральному проводу N. На рисунке 2 коммутационный аппарат QF6 подключен к наиболее удаленной точке сети К13, при этом также был реализован ряд опытов по замыканиям в точках К3-К12 и приближению точки аварии к выводу низкого напряжения трансформатора Т1.

Результаты измерений токов и мощностей в реализованных 11 опытах однофазного короткого замыкания представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры модели в опытах однофазного короткого замыкания.

№ п/п	Ток однофазного КЗ, А (Iк1)	Полная мощность однофазного КЗ, ВА (Sk1)	Точка КЗ на модели	Сопротивление Z до точки КЗ на модели, Zm, Ом	Загрузка трансформатора при данном токе, β, %
1	Опыт не проводился для недопущения выхода из строя трансформатора		К2	0	-
2	2,681	56	К3	3,6	110
3	2,08	44	К4	5	86
4	1,7	36	К5	6,4	70
5	1,443	31	К6	7,8	59
6	1,248	27	К7	9,2	51
7	1,1	24	К8	10,6	45
8	0,976	21	К9	12	40
9	0,87	19	К10	13,4	36
10	0,795	17	К11	14,8	33
11	0,731	16	К12	16,2	30
12	0,591	13	К13	19,8	24

Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод, что только в одном опыте при замыкании на клемме К3 ток однофазного короткого замыкания модели со значением 2,681 А превысил номинальный ток обмотки низшего напряжения используемого трансформатора малой мощности со значением 2,43 А. При этом опыт короткого замыкания на клемме К2, т.е. непосредственно на выводе трансформатора малой мощности без сопротивления линии, не реализовывался для недопущения выхода его из строя.

Результаты исследований и их обсуждение.

С использованием коэффициентов подобия, обоснованных по методике [13], измеренные значения в режиме однофазного короткого замыкания были пересчитаны на промышленные параметры для трансформатора типа ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Yн и провода А-35, так как они являются наиболее часто применяемыми для электроснабжения электрических сетей сельскохозяйственного назначения [14]. Результаты представлены в таблице 2.

Погрешность экспериментальных результатов значения тока однофазного короткого замыкания, представленных в таблице 2, относительно ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ» для схожих начальных данных (трансформатора ТМ-250 и провода А-35) составила 3,6-6,3%, что позволило сделать вывод о высокой достоверности разработанной физической модели и ее пригодности для исследования режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ.

На рисунке 3 отображено распределение напряжений в электрической сети 0,4 кВ при реализации опыта однофазного короткого замыкания согласно схеме, представленной на рисунке 2.

Таблица 2 – Промышленные параметры при однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ.

№ п/п	Ток однофазного КЗ, А (Iк1)	Полная мощность однофазного КЗ, кВА (Sk1)	Точка КЗ на модели	Сопротивление до точки КЗ на ВЛ 0,4 кВ, Zо, Ом	Расстояние при замыкании на ВЛ 0,4 кВ, L, м
1	Опыт не про недопущения в трансформато	водился для ыхода из строя ра (на модели)	К2	0	0
2	570	119	К3	0,168	186
3	443	94	К4	0,233	258
4	362	77	К5	0,298	331
5	307	66	К6	0,363	402
6	266	57	К7	0,429	476
7	234	51	К8	0,494	548
8	208	45	К9	0,56	621
9	185	40	К10	0,625	693
10	169	36	К11	0,69	765
11	156	34	К12	0,756	838
12	126	28	К13	0,923	1023

0   186 258 331 402 476 548 621 693 765 838 1023

250 m

Ь 200

o'

К о 150

W а 100

й

я

Точка электрической сети 0,4 кВ, м

U(A), В U(B), В —•—U(C), В

Рисунок 3 – Распределение напряжений при реализации опыта однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ

Аналогичные зависимости были получены и при замыканиях в других точках на физической модели при приближении точки аварии к выводу низкого напряжения трансформатора.

В результате экспериментальных исследований было выявлено, что независимо от удаленности точки однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети

0,4 кВ от вывода низкого напряжения силового трансформатора отношение между фазными напряжениями неповрежденных фаз к фазному напряжению поврежденной фазы остается неизменным. Так, при удаленности до 25% от вывода низкого напряжения трансформатора до точки повреждения отношение составляет не более, чем 1,5 раза; при удаленности 25-50% фазные напряжения неповрежденных фаз превышают напряжение поврежденной фазы в 1,6-2,4 раза, при удаленности 50-75% отношение составляет от 2,5 до 5 раз. В свою очередь, при удаленности от 75% и более отношение напряжений превышает значение 5 и более раз и при приближении к точке замыкания больше на порядки, т.е. десятки и сотни раз. При этом в точке короткого замыкания напряжение поврежденной фазы принимает потенциал земли и составляет 0 В, а напряжения неповрежденных фаз возрастают в √2 раз.

Полученные соотношения могут использоваться для идентификации аварийных режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ техническими средствами повышения эффективности эксплуатации сетей, а также позволять определять место повреждения и участок электрической сети, где произошло повреждение.

Выводы.

Исходя из результатов экспериментальных исследований устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ на физической модели были сделаны следующие выводы:

• 1.    В настоящее время актуальным направлением является исследование аварийных режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ с целью определения характерных для них режимных параметров, который могут использоваться в качестве уставок срабатывания технических средств, разрабатываемых для повышения надежности их функционирования.

• 2.    Был реализован опыт устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ на физической модели, питаемой от трансформатора малой мощности. Его результаты были интерпретированы для трансформатора типа ТМ-250 10/0,4 кВ и провода А-35. Было выявлено, что погрешность относительно ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ» для схожих начальных данных составила 3,6-6,3%, что позволяет сделать вывод о высокой степени достоверности данных, получаемых при моделировании.

• 3.    Было выявлено, что при удаленности до 25% от вывода низкого напряжения трансформатора до точки однофазного КЗ отношение напряжения на неповрежденных фазах к напряжению на поврежденной составляет не более, чем 1,5 раза; при удаленности 25-50% - 1,6-2,4 раза, при удаленности 50-75% - 2,5-5 раз. В свою очередь, при удаленности от 75% и более отношение напряжений превышает значение 5 и более.