Компьютерное моделирование режимов работы электрической сети 0,4 кВ с устройством сетевого секционирования

А.А. Лансберг^, , А.В. Виноградов, , Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия

Сельские электрические сети 0,4 кВ построены, как правило, без возможности резервирования и имеют завышенную протяжённость. Это приводит к сложности обеспечения защиты от однофазных коротких замыканий (ОКЗ). Устанавливаемые на трансформаторных подстанциях (ТП) 10/0,4 кВ для защиты отходящих линий электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ автоматические выключатели, предохранители не «чувствуют» удалённые ОКЗ. В работе [1] отмечено, что токи однофазного короткого замыкания могут быть меньше номинального тока защитного коммутационного аппарата или тока нагрузки линии. Проблема электробезопасности в электрических сетях 0,4 кВ, связанная с необеспечением чувствительности автоматических выключателей к токам однофазных коротких замыканий, отмечается многими учёными, в частности, она рассмотрена в работе [2]. Идёт поиск решений данной проблемы. Для этого, в первую очередь, определяются характерные признаки, позволяющие по электрическим параметрам режима работы электрической сети выявить ОКЗ и использовать эти признаки для повышения защищённости ЛЭП 0,4 кВ. Например, для автоматических выключателей серии ВА57 предложена методика уточнения выбора защитного коммутационного аппарата с учетом теплового спада тока однофазного короткого замыкания с течением времени [3].

В работе [4] с целью выявления параметров режима ОКЗ проведены практические исследования на опытном полигоне ПАО «Россети Урал» – «Челябэнерго». Также исследования осуществлялись на физической модели в работе [5]. Исследование режима устойчивого ОКЗ реализовывалось на компьютерных моделях в программном комплексе MATLAB Simulink [6, 7]. В указанных работах были определены электрические параметры, характерные для ОКЗ. Следует отметить, что определялись значения токов ОКЗ в конце радиальных ЛЭП 0,4 кВ. При этом изменение тока и напряжения по длине линии, в том числе с отпайкой, в зависимости от точки возникновения короткого замыкания не было исследовано.

В указанных и ряде других работ отмечено, что одним из решений, направленных на повышение защищённости ЛЭП 0,4 кВ от ОКЗ и совместно с этим повышение надёжности электроснабжения подключенных к ЛЭП 0,4 кВ потребителей, является внедрение средств сетевого секционирования. Секционирующий защитный коммутационный аппарат размещается в точке сети, где заканчивается зона чувствительности аппарата, установленного в начале ЛЭП 0,4 кВ. Секционирование воздушных линий электропередачи 0,4 кВ позволяет повысить электробезопасность их эксплуатации в 50 и более раз, так как защитные коммутационные аппараты 0,4 кВ, установленные в начале линии электропередачи, позволяют защитить только часть электрической сети при возникновении аварийного режима [8, 9].

Идеи секционирования сетей 0,4 кВ появились более 80 лет назад. Так, она рассмотрена в работе П.И. Спевакова в журнале «Электричество» за 1939 г. [10]. На протяжении длительного периода времени учёными предлагались схожие с [10] технические решения по секционированию, заключающиеся в использовании автоматических выключателей и плавких предохранителей, устанавливаемых в рассечку ЛЭП 0,4 кВ [11, 12].

Учёными МЭИ предложено использовать дополнительно к секционирующим автоматическим выключателям, устанавливаемым в ЛЭП, реле контроля тока в нулевом проводе, устанавливаемое в ТП для повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ от ОКЗ [13, 14]. В указанных работах признаками ОКЗ являются значения тока в начале линии и в отдельных случаях – ток в нейтрали. Рассчитывается значение тока ОКЗ в точке предполагаемого размещения секционирующих аппаратов.

Учёными Южно-Уральского государственного университета предложена концепция построения защиты электрических сетей напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью, которая заключается в секционировании по длине воздушной линии плавкими предохранителями [15]. Предложенная концепция была проверена на примере построения защиты воздушной линии электропередачи 0,4 кВ протяжённостью 500 м, выполненной с использованием провода сечением 35 мм2. Питание линии осуществлялось от трансформатора с номинальной мощностью 160 кВА, схемой и группой соединения обмоток Y/YH-0 [16, 17]. Были получены зависимости, позволяющие определить место установки секционирующих плавких предохранителей с учётом требований ко времени срабатывания защит не более 5 с [18]. Таким образом, дополнительно учтён признак времени для режима ОКЗ и его отключения. Полученные результаты исследования позволили разработать методики выбора места установки секционирующих плавких предохранителей по критериям срабатывания защит согласно требованиям ПУЭ-7 [19, 20].

В настоящее время в Российской Федерации реализуется концепция цифровизации электросетевого комплекса, в связи с чем указанные выше технические решения являются устаревшими и не позволяют обеспечивать мониторинг электрической сети 0,4 кВ и управление её конфигурацией. Была разработана концепция использования в электрических сетях 0,4 кВ современных устройств секционирования, в том числе автоматизированных секционирующих пунктов, мультикон-тактных коммутационных систем (МКС). Данные устройства являются в определённой степени аналогами реклоузеров, но предназначены для электрических сетей 0,4 кВ. При этом МКС позволяют секционировать ЛЭП с отпайками, что не выполняется как реклоузерами в сетях среднего напряжения, так и секционирующими пунктами в сетях 0,4 кВ [21]. В рамках данной концепции в ходе реализации гранта от Фонда содействия инновациям по договору № 17749ГУ/2022 было разработано устройство сетевого секционирования электрических сетей 0,4 кВ типа МКС-2-3В (с двумя контактными группами и тремя выводами). На устройство получен патент РФ № 2802722. Устройство предназначено для секционирования ЛЭП 0,4 кВ в точке отпайки от неё и обеспечивает защиту как магистрального участка ЛЭП, так и отпайки. Устройство МКС-2-3В содержит: микроконтроллерный блок управления; датчики измерения тока и напряжения; два низковольтных вакуумных контактора, предназначенных для включения и отключения участков электрической сети 0,4 кВ, подключенных к устройству. Применение двух вакуумных контакторов обусловлено тем, что для 90 % электрических сетей 0,4 кВ характерно наличие одной отпайки от магистрали в одной рассматриваемой точке [22]. То есть один вакуумный контактор коммутирует продолжение магистрали, а второй – отпайку. Устройство позволяет повысить надёжность электроснабжения потребителей и защищённость электрической сети 0,4 кВ с отпайкой от ОКЗ. Устройство МКС-2-3В обеспечивает возможность отключения подключенных к выводам устройства участков сети, а защитный коммутационный аппарат, установленный в распределительном устройстве 0,4 кВ ТП, обеспечивает защиту участка ЛЭП 0,4 кВ до точки установки устройства МКС-2-3В. Разработанное устройство было установлено в электрическую сеть 0,4 кВ филиала ПАО «Россети-Центр» – «Орёлэнерго» в июне 2023 года. Внешний вид устройства в ходе эксплуатации представлен на рис. 1.

В устройстве МКС-2-3В обеспечена техническая возможность (установлены соответствующие датчики) контроля тока и напряжения в каждой из фаз и нулевом проводнике на обоих подключенных участках и фазных напряжений на вводе в устройство. В микроконтроллерный блок управления (МБУ) МКС-2-3В необходимо вложить алгоритмы, позволяющие обеспечивать защиту электрической сети 0,4 кВ и идентификацию режимов работы участков сети исходя из следующий параметров: 1) токов, протекающих в фазных проводах; 2) токов, протекающих в нулевых проводах; 3) напряжений в точке установки устройства. В то же время отсутствуют исследования, направленные на идентификацию ОКЗ по отпайкам ЛЭП 0,4 кВ, по учёту значений напряжения в точке установки секционирующих устройств в зависимости от точки возникновения ОКЗ, подключенной к участкам сети нагрузки. Поэтому правильное определение алгоритмов работы и уставок срабатывания устройства МКС-2-3В требует проведения исследования нагрузочных и аварийных режимов работы электрической сети 0,4 кВ.

Математическое и компьютерное моделирование позволяет значительно сократить время на проведение исследований режимов работы электрических сетей, определение параметров этих режимов. Для этого необходимо выбрать наиболее подходящее программное средство. В работе [23] произведён обзор программных продуктов, предназначенных для моделирования распределительных электрических сетей. Рассмотрены: PowerWorld Simulator, SPARD Power, ETAP, PSCAD и другие программные продукты. Большинство этих продуктов позволяет определять основные параметры различных режимов работы сетей, в том числе аварийных [23]. Ряд продуктов, как, например, PowerFactory, позволяет также определять и показатели качества электроэнергии, что отмечено в [24].

В работе [25] рассмотрен расчёт токов однофазного короткого замыкания в сельских электрических сетях 0,4 кВ с использованием метода фазных координат, а в работе [26] данная задача решена с использованием программного обеспечения Electronics Workbench. Компьютерное моделирование режима однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ в программном

Рис. 1. Внешний вид устройства сетевого секционирования электрических сетей 0,4 кВ Fig. 1. The appearance of the 0.4 kV electrical network partitioning device

продукте MATLAB Simulink реализовано в работе [27]. Анализ программных средств моделирования сетей 0,4 кВ показывает, что одним из самых популярных является MATLAB Simulink, так как имеет достаточно большой инструментарий для моделирования сетей низкого напряжения, рассматриваемых в настоящей работе.

Выполненный обзор литературных источников показывает необходимость проведения моделирования режимов работы электрической сети 0,4 кВ, в которой устанавливается устройство МКС-2-3В, с целью определения электрических параметров нагрузочных и аварийных режимов работы и определения алгоритмов и уставок срабатывания МКС-2-3В для защиты ЛЭП 0,4 кВ от ОКЗ.

Исследование реализовано на компьютерной модели электрической сети 0,4 кВ с нагрузками, подключенными как к магистрали, так и к отпайке. В ходе исследований выявлялось распределение токов и напряжений в электрической сети, в том числе их значения в точке установки устройства МКС-2-3В.

Цель исследования заключается в исследовании электрических параметров нагрузочных режимов и режимов устойчивого однофазного короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ в точке установки устройства сетевого секционирования МКС-2-3В посредством компьютерного моделирования в MATLAB Simulink.

Материалы и методы исследования

В качестве прототипа электрической сети 0,4 кВ была выбрана линия, выполненная с использованием неизолированного провода А-35 и питающаяся от трансформатора типа ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Yн-0. Данные параметры являются наиболее часто применяемыми в электрических сетях 0,4 кВ сельскохозяйственного назначения. Протяжённость электрических сетей 0,4 кВ, выполненных с использованием провода А-35, в отдельных регионах составляет 27 % от общей, а трансформаторы типа ТМ-250/10/0,4 кВ составляют 13 % от общего парка трансформаторов 10/0,4 кВ [22, 28]. Протяжённость ЛЭП от ввода низкого напряжения трансформатора 0,4 кВ до точки установки устройства секционирования составляет 500 м. Протяжённость участков линии электропередачи 0,4 кВ, подключенных к устройству секционирования, составляет по 250 м. Таким образом, наиболее удалённые точки ЛЭП находятся на расстоянии 750 м от ТП 10/0,4 кВ. Это сопоставимо со средним значением протяжённости до наиболее удалённой точки для электрических сетей 0,4 кВ Центрального и Приволжского федеральных округов РФ, которое составляет 787 м [28].

В сельских электрических сетях 0,4 кВ, выполненных в воздушном исполнении, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) должно выполняться заземление нулевого провода. В пункте 1.7.100 ПУЭ отмечено, что нейтраль трёхфазного трансформатора должна быть заземлена непосредственно вблизи трансформатора. При этом согласно пункту 1.7.101 ПУЭ сопротивление заземляющего устройства при междуфазном напряжении 380 В должно быть не более 4 Ом. Таким образом, значение сопротивления, через которое подключено заземление нейтрали трансформатора, при моделировании было принято равным 4 Ом. Сопротивления такого же значения использовались для заземления нейтрали потребителей, подключенных к участкам электрической сети 0,4 кВ за устройством секционирования МКС-2-3В.

Также в электрических сетях 0,4 кВ повторному заземлению подлежит совмещённый PEN- проводник. Согласно пункту 1.7.102 ПУЭ повторные заземления необходимо выполнять на вводе воздушной линии и её конце, а также в конце отпаек от магистрали, протяжённость которых превышает 200 м. В свою очередь, сопротивление растеканию повторных заземлителей совмещённого PEN-проводника при междуфазном напряжении должно быть не более 30 Ом. Таким образом, на разработанной модели было использовано 3 повторных заземления совмещённого PEN-проводника, сопротивления которых составляют по 30 Ом. Первое было установлено в начале ЛЭП 0,4 кВ, непосредственно перед общим магистральным участком, второе – в конце магистрали (на расстоянии 750 м от ТП), а третье – в конце отпайки, так как её протяжённость составляет 250 м.

Исследуемая компьютерная модель электрической сети 0,4 кВ с устройством секционирования линий электропередачи 0,4 кВ представлена на рис. 2.

Компьютерная модель, представленная на рис. 2, содержит: энергосистему 10 кВ (1), силовой трансформатор 10/0,4 кВ (2), общий магистральный участок ЛЭП 0,4 кВ (3), продолжение магистрального участка ЛЭП 0,4 кВ (7), отпайку от ЛЭП 0,4 кВ (12), контур заземления ТП 10/0,4 кВ (4), повторные заземлители совмещённого PEN-провода (5, 9, 13), нагрузки (8, 15), контуры заземления потребителей (10, 14), вакуумные контакторы устройства секционирования МКС-2-3В (6, 11), блоки

Рис. 2. Компьютерная модель электрической сети 0,4 кВ с устройством секционирования линий электропередачи

Fig. 2. A computer model of the 0.4 kV electrical network with a power line partitioning device

измерения фазных токов и фазных напряжений (16–25, 30–33), блоки измерения тока в совмещённом PEN-проводнике (26, 27, 28, 29, 34), блок powergui (35).

Параметры модели были обоснованы с учётом положений источника [6].

Характер нагрузки, подключенной как к продолжению магистрали электрической сети 0,4 кВ, так и отпайке, был полностью активным. Это с высокой степенью достоверности соответствует характеру нагрузки в действующих электрических сетях 0,4 кВ, для которых cos φ имеет значения от 0,95 до 0,99. В электрических сетях 0,4 кВ, обслуживаемых электросетевыми компаниями, потребители являются коммунально-бытовыми и не имеют электроприёмников, работа которых вызывала бы значительную реактивную составляющую.

Нагрузка в электрических сетях 0,4 кВ преимущественно не симметричная. В связи с этим при моделировании был реализован ряд экспериментов, при которых изменялось сопротивление нагрузок, подключенных к фазам, с учётом сохранения их общей мощности. Степень несимметрии в нормальном режиме оценивалась по коэффициенту несимметрии напряжений по нулевой последовательности, К _ои , %. Его значение определяется по формуле [29]

К ои=^^ 100 %,                 (1)

ином.ф где и0(1) - действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трёхфазной системы напряжений, В;

^ ном.ф — номинальное значение фазного напряжения сети, В.

В свою очередь, значение ^ощ, В, определялось по формуле [29]

У о(1) = 0,62(У нб.ф(1): - У нм.ф(1)/ ),            (2)

где Унб.фщ/, инм.фщ/ - наибольшее и наименьшее действующие значения из трёх фазных напряжений основной частоты в i-м наблюдении.

Таким образом, для разных значений сопротивлений нагрузки было проведено исследование нагрузочных режимов работы. Параметры нагрузочных режимов представлены в табл. 1.

При моделировании было исследовано 4 нагрузочных режима. Мощность нагрузок, подключенных к продолжению магистрали и отпайке, составляла по 14,1 кВт, суммарное значение нагрузки 28,2 кВт. Это соответствует 15%-ной загрузке силового трансформатора. На примере филиала «Орёлэнерго» выявлено, что 77 % трансформаторов мощностью 250 кВА работают с коэффициентом загрузки менее 20 % [28]. При этом удельная мощность на 1 км линии при использовании трансформатора 250 кВА может достигать 32 кВт [28].

При исследовании нагрузочных режимов напряжение наиболее нагруженной фазы (в нашем исследовании – фаза «А») находилось в диапазоне от 191,9 до 202,4 В, а наименее загруженной фазы (в нашем исследовании – фаза «С») – от 208,5 до 217,9 В, что приводило к коэффициенту несим-метрии со значением до 7,01 %. Исследование нагрузочных режимов было реализовано с таким расчётом, чтобы отклонения фазных напряжений превышали установленные ГОСТ 32144–2013 значения в ту или иную сторону. При этом в действующих электрических сетях 0,4 кВ в наиболее удалённых точках и на наиболее загруженных фазах фазные напряжения по причине несимметрии могут иметь значения от 160 до 180 В, а значение коэффициента несимметрии по нулевой последовательности – от 10 % и более [30].

При исследовании аварийных режимов однофазное короткое замыкание моделировалось на отпайке, подключенной к устройству секционирования типа МКС-2-3В.

Таблица 1

Параметры нагрузочных режимов работы

Table 1

Parameters of load operating modes

й § S ^ ^	« м S § О Й R и Й m л й и Н Г ® п s Я a a s Ё Й S 2 « ° Й Ч 5 S О S О и 2 •& и			и л Ч R U Д М   й * О И § ^ s ® Щ    И h е			s   й П и а  леи и о ® h « и ° S s Е 3       й ° S Й § S « ®   ° и 2 к § н			•& & к	КО й
	R(A), Ом	R(B), Ом	R(C), Ом	U(A), В	U(B), В	U(C), В	I(A), A	I(B), A	I(C), A
1	8,5	9	9,5	202,4	205,2	208,5	23,76	22,81	21,98	1,64	28,2
2	8	9	10	199,2	205,3	211,2	24,8	22,84	21,18	3,23
3	7,5	9	10,5	195,8	205,6	213,8	25,95	22,89	20,45	4,85
4	7	9	11,5	191,9	205,8	217,9	27,15	22,93	19,07	7,01

Результаты исследования

При моделировании нагрузочных и аварийных режимов работы в исследуемой электрической сети 0,4 кВ с устройством секционирования были зафиксированы токи в нейтральном проводе, протекающие на различных участках. Токи в нейтральном проводе фиксировались в пяти точках электрической сети 0,4 кВ: на вводе низкого напряжения трансформатора – I(N)т; в заземляющем устройстве трансформатора – I(N)з.т; в общем участке магистрали линии электропередачи 0,4 кВ – I(N)м1; на продолжении магистрали в точке установки вакуумного контактора № 1 устройства секционирования типа МКС-2-3В – I(N)м2; на отпайке в точке установки вакуумного контактора № 2 устройства МКС-2-3В – I(N)о. Результаты моделирования токов в нейтрали в различных режимах работы электрической сети 0,4 кВ представлены в табл. 2.

Из результатов моделирования, представленных в табл. 2, следует, что в нагрузочных режимах при несимметричной нагрузке в точке установки устройства секционирования ток в нейтральном проводе имеет значение до 4,916 А, а на вводе низкого напряжения трансформатора – 10,85 А. В свою очередь, в аварийном режиме ОКЗ ток в нейтральном проводе в точке подключения отпайки, в которой моделируется короткое замыкание, возрастает в 18,2–82,4 раза в зависимости от степени несимметрии нагрузок. В точке подключения к вакуумному контактору МКС-2-3В продолжения магистрали ток возрастает в 2,8–15,5 раза, а на вводе низкого напряжения трансформатора – в 8,5–36,6 раза.

В рассматриваемых режимах на участке продолжения магистрали, к которому подключена нагрузка, в режиме ОКЗ ток в нейтрали находится в диапазоне 13,81–16,95 А. На участке отпайки ток в нейтральном проводе находится в диапазоне 89,5–90,2 А, а на выводе трансформатора 0,4 кВ – 88,5–91,96 А.

Данный подход к контролю токов в нейтральном проводе позволит с высокой степенью достоверности определить возникновение аварийного режима и участок электрической сети 0,4 кВ, на котором произошло замыкание. При этом уставка по срабатыванию вакуумного контактора устрой- ства секционирования в зависимости от тока в нулевом проводе может быть задана в диапазоне 10 А и более соответственно, что позволит отстроиться от токов несимметрии при нагрузочных режимах электрической сети 0,4 кВ.

С учётом результатов моделирования была составлена схема замещения электрической сети 0,4 кВ, представленная на рис. 3. На схеме показаны распределения токов на исследуемой модели.

Согласно схеме, представленной на рис. 3: E – энергосистема 10 кВ; T1 – силовой трансформатор 10/0,4 кВ; L1, L2, L3 – участки ЛЭП 0,4 кВ; K1, K2 – вакуумные контакторы устройства секционирования МКС-2-3В; МБУ МКС-2-3В – микроконтроллерный блок управления устройством секционирования; R зу.ТП – заземляющее устройство трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ; R пз.1ВЛ , R_пз.2ВЛ, R_пз.3ВЛ – повторные заземления совмещённого PEN-проводника; R_зу.П1, R_зу.П2 – заземления потребителей; Z1-Z6 – нагрузки; I(A), I(B), I(C) – фазные токи на стороне высокого напряжения 10 кВ; I(a1), I(b1), I(c1), I(N2) – фазные токи и ток нейтрали на общем участке магистрали ЛЭП 0,4 кВ; I(a2), I(b2), I(c2), I(N3) – фазные токи и ток нейтрали на продолжении магистрали ЛЭП 0,4 кВ; I(a3), I(b3), I(c3), I(N1) – фазные токи и ток нейтрали на отпайке ЛЭП 0,4 кВ; I(N4) – ток в нейтрали трансформатора; I з – ток в заземляющем устройстве трансформатора.

Для нейтрального провода в аварийном режиме соблюдается первый закон Кирхгофа. Ток нейтрали I(N1), протекающий в отпайке электрической сети 0,4 кВ, в которой моделируется короткое замыкание, разделяется на ток нейтрали I(N2), протекающий к выводу трансформатора 0,4 кВ, и ток I(N3), протекающий в продолжение магистрали. По причине того, что ток I(N3) является направленным в одну сторону с фазными токами магистрали, напряжение на фазе А в аварийных режимах ОКЗ в точке подключения нагрузки больше, чем напряжение фазы А в точке установки устройства секционирования.

Результаты моделирования фазных напряжений в электрической сети 0,4 кВ с устройством секционирования в точке подключения нагрузки магистрали и в точке установки устройства МКС-2-3В представлены в табл. 3.

Таблица 2

Токи нейтрали электрической сети 0,4 кВ в разных режимах

Table 2

Neutral currents of the 0.4 kV electrical network in different modes

kJ 3 К ^ К ft	Ток нейтрали в нагрузочных режимах, А					Ток нейтрали в режимах однофазного КЗ, А
	I(N)т	I(N)з.т	I(N)м1	I(N)м2	I(N)о	I(N)т	I(N)з.т	I(N)м1	I(N)м2	I(N)о
1	2,415	0,2102	2,19	1,095	1,095	88,5	13,68	73,83	16,95	90,2
2	4,871	0,4239	4,416	2,208	2,208	89,47	13,77	74,72	16,01	89,99
3	7,4	0,6438	6,708	3,354	3,354	90,39	13,85	75,56	15,07	89,72
4	10,85	0,944	9,832	4,916	4,916	91,96	14	76,99	13,81	89,5

Рис. 3. Схема распределения токов в аварийном режиме электрической сети 0,4 кВ с устройством сетевого секционирования

Fig. 3. Current distribution scheme in the emergency mode of the 0.4 kV electric network with a network partitioning device

Таблица 3

Table 3

Фазные напряжения электрической сети 0,4 кВ в режимах однофазного короткого замыкания

Phase voltages of the 0.4 kV electrical network in single-phase short circuit modes

№ режима	Фазные напряжения в точке установки устройства, В			Фазные напряжения в точке подключения нагрузки магистрали, В
	U(A-N), В	U(В-N), В	U(С-N), В	U(A-N), В	U(В-N), В	U(С-N), В
1	59,09	256,5	271,4	62,07	247,4	261,8
2	58,75	256,6	273,3	61,41	247,6	264,2
3	58,4	256,9	275	60,71	247,9	266,4
4	57,92	257,1	278,2	59,78	248,1	270,4

Из результатов, представленных в табл. 3, следует, что напряжение фазы А в точке установки устройства МКС-2-3В при режимах однофазного короткого замыкания находится в диапазоне от 57,92 до 59,09 В. При этом в точке подключения нагрузки на наибольшем удалении от трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ по магистрали напряжение в фазе А имеет значения от 59,78 до 62,07 В. Данные значения в исследуемых режимах на несколько В превышают напряжения в точке установки устройства МКС-2-3В. Как было отмечено ранее, эта особенность проявляется ввиду соблюдения первого закона Кирхгофа и протекания тока в нейтральном проводе от точки установки устройства МКС-2-3В к нагрузке магистрали.

В точке установки МКС-2-3В напряжение на повреждённой фазе А, согласно данным табл. 3, в исследуемых режимах находится в диапазоне от 57,92 до 59,09 В. При этом на неповреждённых фазах B и C оно находится в диапазоне от 256,5 до 278,2 В. Устройство секционирования установлено на удалении 500 м от вывода трансформатора 0,4 кВ. При этом до наиболее удалённых точек электрической сети 0,4 кВ расстояние от вывода трансформатора 0,4 кВ составляет 750 м. Исходя из этого следует, что устройство секционирования МКС-2-3В установлено на расстоянии 66 % от общей протяжённости линии электропередачи 0,4 кВ. С учётом данных табл. 3 отношение фазных напряжений неповреждённых фаз В и С к фазному напряжению повреждённой фазы А в исследуемых режимах составляет от 4,3 до 4,8 раза. Согласно результатам исследования режима однофазного короткого замыкания без нагрузки, реализован- ного в работе [7], было выявлено, что независимо от удаления точки однофазного короткого замыкания от вывода трансформатора 0,4 кВ отношение фазных напряжений неповреждённых фаз к напряжению повреждённой фазы на расстоянии 50–75 % от общей протяжённости линии находится в диапазоне от 4,1 до 8,3 раза. Исходя из этого следует, что нагрузка линии электропередачи 0,4 кВ не приводит к значительному изменению выявленных закономерностей, что позволяет с высокой степенью достоверности идентифицировать аварийный режим по соотношению напряжений, возникший в электрической сети 0,4 кВ.

В исследуемых режимах ток фазы А, протекающий от точки установки устройства секционирования до точки ОКЗ, имел значение от 152,1 до 156,3 А. Данные значения меньше номинального фазного тока трансформатора типа ТМ-250 кВА, который составляет 360 А. Следует отметить, что в действующих электрических сетях 0,4 кВ большей протяжённости, чем рассмотренная, токи ОКЗ могут быть меньше, чем полученные при моделировании. Так, в эксплуатации электросетевых компаний имеются линии электропередачи 0,4 кВ, расстояние до наиболее удалённых точек которых составляет 1,5–2 км.

В связи с этим предложенный подход к идентификации аварийных и рабочих режимов электрической сети, заключающийся в контроле тока в нулевом проводе совместно с измерением фазных напряжений и токов, позволит с высокой степенью достоверности идентифицировать такой вид аварийного режима, как ОКЗ в электрической сети 0,4 кВ и выявить участок, на котором оно произошло.

Заключение

Удалённое однофазное короткое замыкание в электрической сети 0,4 кВ является наиболее трудно идентифицируемым аварийным режимом. Это приводит к опасности поражения людей электрическим током, повреждению оборудования сети и потребителей вследствие возникающей при ОКЗ несимметрии напряжений. Существует и трудность выявления участка сети, на котором произошло ОКЗ. Одним из средств повышения защищённости сетей 0,4 кВ от удалённых ОКЗ является секционирование с применением автоматических выключателей, предохранителей или, что наиболее рационально, автоматизированных устройств. В случае линий с отпайками наиболее рационально применять для секционирования мультиконтакт-ные коммутационные системы, например, типа МКС-2-3В, позволяющие коммутировать и защищать от ОКЗ отдельно отпайки и продолжение магистрали линии. При использовании МКС необходимо определить алгоритмы работы микроконтроллерного блока управления устройства, уставки срабатывания защиты от ОКЗ. Это требует исследования значений параметров режимов работы сети в точке установки устройства. Такое исследование проведено посредством моделирования в программном продукте MATLAB Simulink на примере сельской электрической сети 0,4 кВ, в которую установлено устройство секционирования типа МКС-2-3В.

На основе полученных результатов моделирования предложен новый подход к идентификации однофазных коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ и участка, на котором оно произошло. Подход заключается в контроле тока в нулевом проводе в продолжении магистрали, отпайке в точке установки МКС-2-3В совместно с измерением фазных напряжений и токов на тех же участках. При выявлении в ходе контроля характерных изменений токов и напряжений, их соотношений с высокой степенью достоверности выявляется режим ОКЗ и участок сети, в котором оно произошло.