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

Введение. В настоящее время множество работ отечественных и зарубежных ученых направлено на исследование аварийных режимов работы 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 комму тационного аппарата по критерию чувствительности.

I 20

Аналогичная проблема актуальна для сельских электрических сетей 0,4 кВ. Например, в работе [2] представлена методика расчета однофазных и трехфазных токов короткого замыкания в сельских 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].

Недостатком большинства моделей является то, что они не позволяют определить симметричные составляющие при работе сельской электрической сети 0,4 кВ в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания. В свою очередь, это позволяет сделать компьютерная модель коммерческой компании «Проект РЗА», описание которой представлено в работе [13].

Цель исследования заключается в определении электрических параметров при работе сельской электрической сети 0,4 кВ в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания на компьютерной модели.

Материалы и методы исследования.

Объектом исследования является компьютерная модель сельской электрической сети 0,4 кВ. Предметом исследования являются электрические параметры сельской электрической сети 0,4 кВ в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания.

Внешний вид модели представлен на рисунке 1, а ее структурная схема - на рисунке 2.

МОДЕЛЬ СЕТИ 6(10)/0.4 кВ

Первичная схема

Рисунок 1 – Внешний вид компьютерной модели сельской электрической сети 10/0,4 кВ

Рисунок 2 – Структурная схема компьютерной модели сельской электрической сети 10/0,4 кВ

Представленная на рисунке 2, схема электрической сети 0,4 кВ, содержит: энергосистему; трансформатор мощностью 250 кВА; воздушную линию электропередачи 0,4 кВ L1, выполненную проводом А-35; четыре измерительных блока И1-И4; а также блок К1, моделирующий аварийную ситуацию в электрической сети 0,4 кВ.

В процессе моделирования измерители И1-И4 позволяют измерять в точке установки: фазные токи; фазные напряжения; составляющие токов и напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности; утроенное значение напряжения нулевой последовательности и ток нейтрали; междуфазные напряжения.

Моделирование устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ осуществлялось на протяженности 1 км линии при использовании провода типа А-35 и трансформатора ТМ-250 ввиду того, что это наиболее характерные параметры для сельских электрических сетей 0,4 кВ [13].

Результаты расчетов тока однофазного короткого замыкания с использованием компьютерной модели Проект РЗА, а также других теоретических методов - представлены на рисунке 3 [12].

d 2000 h-Ч

О

О к

§ 1500

о 1000 н о S к

S 500

—•—ГОСТ 28249-93 —Й—Метод Будзко-Лещинской ♦ Модель «Проект РЗА» —•—Модель MATLAB Simulink

Рисунок 3 – Результаты расчетов токов однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ при использовании трансформатора ТМ-250 и провода А-35

Исходя из сравнения результатов следует, что в наиболее удаленной точке расхождение результатов составляет 29% между наибольшим и наименьшим значением [12]. При этом полученные с помощью модели результаты характеризуются схожей зависимостью с полученными расчетными значениями. Это позволяет использовать ее для исследования электрических параметров сети 0,4 кВ при работе в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания [12]. В связи с этим, проведем исследование других электрических параметров, характерных для данного режима работы сельской электрической сети 0,4 кВ.

Следует отметить, что режим однофазного короткого замыкания, согласно ГОСТ 26522-85 «Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения», это режим короткого замыкания на землю в трехфазной электроэнергетической системе с глухо или эффективно заземленной нейтралью силового трансформатора, при котором не землю замыкается только одна фаза. В связи с этим, согласно теории переходных процессов, примем в настоящем исследовании за особую (поврежденную) фазу А, т.е. параметры которой будут отличаться от параметров других фаз, и отметим то, что по ней будет протекать ток короткого замыкания, при этом в других фазах он будет отсутствовать, т.е. они будут работать в режиме холостого хода. Также следует отметить, что в точке короткого замыкания напряжение поврежденной фазы А будет равно 0 В.

Результаты и обсуждение.

На рисунке 4 представлены значения фазных токов силового трансформатора ТМ-250 со стороны 10 кВ при работе электрической сети 0,4 кВ в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания.

ooooooooooooooooooooo

^^tNtNr^r^^-^-LOLO^O^OI^I^OOOO^^O

Протяженность линии, L, м

Ток фазы А Ток фазы B —•— Ток фазы С

Рисунок 4 – Значения токов трансформатора ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Y-0 со стороны 10 кВ при устойчивом однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ

Исходя из рисунка 4 следует, что степень несимметрии фазных токов со стороны 10 кВ при однофазном коротком замыкании на выводе трансформатора со значением 2150 А составляет 35% (токи фаз А и В). При однофазном коротком замыкании со значением 1330 А на удалении 25 метров от силового трансформатора ТМ-250 в сети 0,4 кВ значение несимметрии токов составляет 19%, на 50 метрах – 12%, 75-200 метрах – от 4% до 9%. При однофазных коротких замыканиях в сети 0,4 кВ на удалении от 225 до 300 метров от силового трансформатора степень несимметрии фазных токов со стороны 10 кВ составляет 3%, а на удалении от 325 до 500 метрах – 2%. В свою очередь, степень несимметрии фазных токов трансформатора со стороны 10 кВ при устойчивых однофазных коротких замыканиях на удалении от 525 до 1000 метров от трансформатора не превышает 1%.

Данная зависимость отражает, что высокое сопротивление трансформатора и линии 0,4 кВ при устойчивых однофазных коротких замыканиях на удалении от 225 метров от трансформатора и более ограничивает искажение режима работы сети более высокого напряжения (10 кВ). При этом трансформатор при значениях тока однофазного короткого замыкания сопоставимых с током нагрузки или номинальным током симметрирует значения токов со стороны 10 кВ.

Значения фазных напряжений на вводе 10 кВ силового трансформатора ТМ-250 при устойчивом однофазном коротком замыкании в сети 0,4 кВ представлены на рисунке 5.

Исходя из анализа рисунка 5 можно сделать вывод, что однофазные короткие замыкания на любой протяженности в сети 0,4 кВ не приводят к выходу напряжений на стороне 10 кВ за допустимые положительные и отрицательные пределы отклонения напряжения, составляющие 5,4 кВ и 6,6 кВ. Так, при возникновении однофазного короткого замыкания на выводе трансформатора 0,4 кВ степень несимметрии фазных напряжений со стороны 10 кВ составляет 8% (напряжения фаз А и С), при замыкании в сети 0,4 кВ на удалении 25 метров от трансформатора - 5%. При этом в случае возникновения однофазных коротких замыканиях в сети 0,4 кВ на удалении от вывода трансформатора 0,4 кВ от 50 метров до 650 метров степень несимметрии фазных напряжений со стороны 10 кВ составляет

2%. А при однофазных коротких замыканиях в сети 0,4 кВ на удалении 675 метров от трансформатора и выше искажение фазных напряжений со стороны 10 кВ силового трансформатора отсутствует.

6,08

6,07

6,06

6,05

6,04

6,03

6,02

6,01

1Л1Л'ОЮЬ>-ООСОО\<>10

Протяженность линии, L, м

• Напряжение фазы А

Напряжение фазы В   —•—Напряжение фазы С

Рисунок 5 – Значения фазных напряжений со стороны 10 кВ трансформатора ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Y-0 при устойчивом однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ

Исходя из результатов исследования, представленных на рисунке 5 следует, что возникновение в сети 0,4 кВ однофазного короткого замыкания фактически не оказывает влияние на фазные напряжения со стороны 10 кВ.

Значения фазных напряжений в электрической сети 0,4 кВ при устойчивом однофазном коротком замыкании представлены в таблице 1.

Так, при возникновении однофазного короткого замыкания на выводе трансформатора 0,4 кВ со значением 2150 А напряжение фазы А имеет значение 0 В, при этом фазные напряжения двух других фаз B и С повышаются до значения 360 В. В свою очередь, при возникновении однофазного короткого замыкания на удалении от трансформатора от 25 до 100 метров в точке замыкания напряжения фаз B и С находятся в пределах 246-294 В и, соответственно, выходят за допустимые пределы отклонения напряжения согласно ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». При этом напряжение на выводе трансформатора 0,4 кВ по фазе А находится в пределах 92,7-173 В, а по фазам В и С – в пределах 267-311 В, что превышает напряжение по фазе в 1,6-3,4 раза. При возникновении более удаленных однофазных коротких замыканий на протяжении от 125 до 1000 метров напряжение фазы А на выводе трансформатора 0,4 кВ находится в пределах от 198 В до 236 В, что соответствует ГОСТ 32144-2013. Напряжения фаз B и С при удаленных однофазных коротких замыканиях с упомянутыми протяженностями находятся в пределах от 244 до 265 В, что больше напряжения фазы А в 1,1-1,3 раза и не соответствует ГОСТ 32144-2013. Также при удаленных однофазных коротких замыканиях на протяженности от 125 до 1000 метров напряжение по фазе А равно 0 В, а по фазам В и С – от 217 В до 240 В, что находится в пределах ГОСТ 32144-2013.

Исходя из этого следует, что большое сопротивление линии позволяет поддерживать напряжение на двух неповрежденных фазах в оптимальных пределах.

Таблица 1 – Значение фазных напряжений при устойчивом однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ

Точка однофазного КЗ, м	Напряжения на выводе силового трансформатора 0,4 кВ			Напряжения в точке короткого замыкания
	U(А), В	U(В), В	U(С), В	U(А), В	U(В), В	U(С), В
0	0	360	360	0	360	360
25	92,7	306	311	0	287	294
50	134	285	291	0	259	268
75	157	274	279	0	246	254
100	173	267	272	0	239	246
200	213	250	258	0	220	232
300	222	247	253	0	218	227
400	227	246	251	0	218	225
500	230	245	249	0	218	223
600	232	245	248	0	217	222
700	233	245	247	0	217	222
800	235	244	247	0	217	221
900	235	244	246	0	217	221
1000	236	244	246	0	217	220

Значения междуфазных напряжений при возникновении однофазного короткого замыкания представлены в таблице 2.

Так, при возникновении устойчивого однофазного короткого замыкания на выводе трансформатора 0,4 кВ междуфазные напряжения U ab и U ac понижаются до значения 360 В, при этом междуфазное напряжение U bc в 1,2 раза больше – 419 В. Следует отметить, что в этом случае междуфазные напряжения находятся в рамках допустимых значений и не выходят за положительную и отрицательную границу отклонения напряжения 342 В и 418 В согласно ГОСТ 32144-2013. В случае возникновения однофазных коротких замыканий на удалении от 25 до 100 метров от силового трансформатора междуфазные напряжения U ab и U ac на выводе трансформатора находятся в пределах 381-397 В, что меньше в 1,1 раза междуфазного напряжения U bc со значением 419 В. При удалении от силового трансформатора свыше 100 метров междуфазные напряжения превышают 400 В и фактически равны. При этом во всех случаях возникновения однофазного короткого замыкания междуфазные напряжения соответствуют ГОСТ 32144-2013. При этом в точке замыкания при возникновении повреждения от 25 до 100 метров междуфазные напряжения U ab и U ac со значениями 239-294 В в 1,5-1,8 раза меньше междуфазного напряжения U bc со значением 419 В. При однофазных коротких замыканиях на удалении от силового трансформатора от 125 метров и выше междуфазные напряжения U ab и U ac в 1,9 раз меньше междуфазного напряжения U bc со значением 420 В и фактически равны фазному напряжению линии, так как находятся в диапазоне 217-240 В.

Следует также отметить, что компьютерная модель позволила выявить соотношения между токами прямой I1, обратной I2 и нулевой I0 последовательности при возникновении режима устойчивого однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ, а также определить значения тока IN, протекающего в нейтрали обмотки низшего напряжения силового трансформатора.

Таблица 2 – Значение междуфазных напряжений при устойчивом однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ

Точка однофазного КЗ, м	Напряжения на выводе силового трансформатора 0,4 кВ			Напряжения в точке короткого замыкания
	U(АВ), В	U(ВС), В	U(АС), В	U(АВ), В	U(ВС), В	U(АС), В
0	360	419	360	360	419	360
25	383	419	381	287	419	294
50	393	419	391	259	419	268
75	399	419	397	246	419	254
100	402	419	401	239	419	246
200	414	420	412	220	420	232
300	416	420	414	218	420	227
400	417	420	416	218	420	225
500	418	420	417	218	420	223
600	418	420	417	217	420	222
700	418	420	418	217	420	222
800	419	420	418	217	420	221
900	419	420	418	217	420	221
1000	419	420	418	217	420	220

Значение тока однофазного короткого замыкания численно равно току, протекающему в нейтрали силового трансформатора, что можно представить в виде соотношения (1).

1 1 = I n , А (1)

При этом в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ составляющие тока прямой I 1 , обратной I 2 и нулевой I 0 последовательностей равны между собой и составляют треть тока однофазного короткого замыкания, что можно представить в виде соотношения (2).

i у = Ii = /2 = Io, А (2)

Например, при устойчивом однофазном коротком замыкании на выводе трансформатора 0,4 кВ со значением 2150 А, составляющие тока прямой I 1 , обратной I 2 и нулевой I 0 последовательностей равны, соответственно, по 716 А. А при однофазном коротком замыкании в наиболее удаленной точке исследуемой модели в 1000 метрах от трансформатора со значением 85,8 А, составляющие равны по 28,6 А. Ток в обмотке низшего напряжения нейтрали I N силового трансформатора в рассмотренных случаях равен, соответственно, 2150 А и 85,8 А.

Представим основные соотношения между напряжениями прямой U 1 , обратной U 2 и нулевой U 0 последовательностей, а также утроенным значением напряжения нулевой 3U 0 последовательности, регистрируемых измерительными блоками на выводе 0,4 кВ силового трансформатора и в точке короткого замыкания. Результаты измерения данных показателей через каждые 100 метров линии представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Напряжения симметричных составляющих при работе электрической сети 0,4 кВ в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания

Точка однофазного КЗ на линии, м	Вывод трансформатора 0,4 кВ				Точка короткого замыкания
	U1, В	U2, В	U0, В	3U0	U1, В	U2, В	U0, В	3U0
0	219	23,1	195	586	219	23,1	195	586
100	235	0	56,1	168	162	80,1	81,5	245
200	240	0	24,5	73,4	149	93,7	55,5	167
300	241	0	17	51	146	96,7	49,6	148
400	241	0	0	39,1	144	98,3	46,3	139
500	241	0	0	31,7	143	99,2	44,3	133
600	242	0	0	26,2	143	99,9	42,9	129
700	242	0	0	23	142	100	42	126
800	242	0	0	20,2	142	101	41,2	124
900	242	0	0	18	142	101	40,6	122
1000	242	0	0	16,3	141	101	40,2	121

Исходя из результатов, представленных в таблице 3 следует, что на шинах 0,4 кВ при удалении точки однофазного короткого замыкания от вывода трансформатора растет составляющая напряжения прямой последовательности U 1 до 200 метров линии, а затем остается фактически постоянной. При этом составляющая напряжения обратной последовательности U 2 имеет малое значение 23,1 В и не проявляется при замыканиях от 100 метров и более, а составляющая напряжения нулевой последовательности U 0 проявляется при замыканиях до 300 метров, при больших протяженностях – отсутствует. При удалении точки однофазного короткого замыкания утроенное значение напряжения нулевой последовательности 3U 0 на выводе трансформатора 0,4 кВ снижается.

В свою очередь, в точке короткого замыкания при увеличении длины линии снижается составляющая напряжения прямой последовательности U 1 , а обратной U 2 – увеличивается, что характеризуется ростом сопротивления петли фаза-ноль. При этом составляющая напряжения нулевой последовательности U 0 и утроенное значение напряжения нулевой последовательности 3U 0 при удалении от вывода трансформатора 0,4 кВ снижаются, но имеют большие значения, чем данные параметры на выводе трансформатора 0,4 кВ.

Выводы

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1)    в настоящее время актуальным направлением является исследование переходных и ненормальных режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ с целью определения электрических параметров в разных точках сети. Это позволит правильно задавать уставки в микроконтроллерные блоки управления технических устройств, разрабатываемых в рамках концепции автоматизации электросетевого комплекса;

• 2)    в работе было произведено исследование режима устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ с помощью компьютерной модели, разработанной коммерческой компанией «Проект РЗА». Было выявлено, что значения тока однофазного короткого замыкания, получаемые с использованием данной модели на 29% меньше, чем с использованием ГОСТ 28249-93. При этом модель можно использовать для исследования режимов работы электрической сети 0,4 кВ, ввиду схожей зависимости полученных результатов;

• 3)    было выявлено, что степень несимметрии фазных токов, втекающих со стороны 10 кВ, при однофазном коротком замыкании на выводе трансформатора составляет 35%. При этом в случае возникновения устойчивых однофазных коротких замыканиях на удалении от 525 до 1000 метров от трансформатора степень несимметрии не превышает 1%;

• 4)    в свою очередь, при возникновении однофазного короткого замыкания на выводе трансформатора 0,4 кВ степень несимметрии фазных напряжений со стороны 10 кВ составляет 8%, при замыкании в сети 0,4 кВ на удалении 25 метров от трансформатора - 5 %. При однофазных коротких замыканиях в сети 0,4 кВ на удалении 675 метров от трансформатора и выше искажение фазных напряжений со стороны 10 кВ силового трансформатора отсутствует;

• 5)    было выявлено, что в точке замыкания на удалении до 100 метров от силового трансформатора напряжение поврежденной фазы А равно 0, а других неповрежденных фаз от 246 В до 360 В. При этом в точке короткого замыкания при ее удалении выше 100 метров от силового трансформатора напряжения на неповрежденных фаз имеют близкие к номинальному значения. В свою очередь, при удалении точки короткого замыкания на 25 м и более фазные напряжения на шинах трансформатора 0,4 кВ неповрежденных фаз имеют значения от 244 В до 360 В. При этом напряжение на поврежденной фазе восстанавливается от 92,7 В до 236 В. Аналогичные зависимости были получены для междуфазных напряжений;

• 6)    было выявлено, что ток нейтрали в режиме устойчивого однофазного короткого замыкания в сельской электрической сети 0,4 кВ равен току однофазного короткого замыкания, при этом составляющие токов прямой, обратной и нулевой последовательности равны между собой и составляют треть тока однофазного короткого замыкания. При этом напряжение прямой последовательности в точке короткого замыкания при его возникновении от 0 до 1000 метров уменьшается с 219 В до 141 В, напряжение обратной последовательности возрастает с 23,1 В до 101 В, а нулевой последовательности – уменьшается со 195 В до 40,2 В.