Концепция построения защиты электрических сетей напряжением 380 В от однофазных коротких замыканий

Электроснабжение городских поселков с малоэтажной застройкой, сельских потребителей осуществляется в основном по воздушным линиям электропередачи напряжением 380 В (ВЛ-0,38 кВ), выполненным неизолированными проводами. На 01.01.2013 г. по данным филиала ОАО «МРСК Урала» – «Челябэнерго» общая протяженность ВЛ-0,38 кВ, состоящих на балансе «Челябэнерго», составляет 12629 км, из них только 249 км выполнены самонесущими изолированными проводами.

ВЛ-0,38 кВ являются наименее надежным элементом рассматриваемых систем электроснабжения. Анализ аварийной статистики по данным «Союзтехэнерго» и других источников информации показывает, что на 100 км электрических сетей напряжением 380 В приходится около 40–50 повреждений в год, причем около 62 % из них опасны для людей и животных [1–3]. Наиболее частым видом повреждений ВЛ-0,38 кВ являются однофазные короткие замыкания на нулевой рабочий провод и связанные с ним металлические конструкции (электрооборудование, заборы, гаражи, трубопроводы и т. д.). Возникающие при этом токи обусловливают появление опасных для людей и животных напряжения прикосновения и шага, а также могут являться причиной возникновения пожаров [4, 5].

Разработке релейной защиты ВЛ-0,38 кВ посвящено большое количество работ, проводимых с начала 50–60-х годов прошлого столетия [1, 2, 4, 6, 7] и продолжающихся в настоящее время [8–10]. В электрических сетях c глухозаземленной нейтралью типа TN-C для защиты от однофазных коротких замыканий наибольшее распространение получили токовые защиты, построенные на использовании плавких предохранителей и автоматических выключателей. Результаты исследований [6–8, 10] показали, что зона действия защиты этими аппаратами распространяется только на начальную часть ВЛ-0,38 кВ и в некоторых случаях не превышает 100–300 м в зависимости от мощности питающих трансформаторов, сечения проводов и номинальных токов защитных аппаратов.

Эффективность защиты можно повысить путем секционирования линии, т. е. деления ее на участки, в начале которых следует устанавливать указанные защитные аппараты – это позволит повысить чувствительность защит [6]. Однако сегодня отсутствуют методики расчета, выбора и расстановки плавких предохранителей и автоматических выключателей по длине защищаемой линии, которые обеспечили бы 100%-ную зону ее защиты.

Из изложенного выше можно сделать вывод, что проблема защиты от однофазных коротких замыканий на нулевой рабочий провод ВЛ-0,38 кВ с неизолированными проводами является актуальной. В статье концепция построения представлена на примере защиты ВЛ-0,38 кВ длиной 500 м и сечением проводов 35 мм2, которая питается от трансформатора номинальной мощностью 160 кВА со схемой соединения обмоток Y/YН и защищается плавкими предохранителями с разными номинальными токами (построение защиты на основе автоматических выключателей качественно подобно).

Исходным материалом является определение минимального тока однофазного короткого замыкания (ОКЗ) в электрической сети напряжением до 1 кВ, на величину которого оказывает влияние достаточно большое количество факторов [11]. Величину тока ОКЗ можно представить функцией вида

1 К.МИН = f(X1,X2,X3,X4,X5), (1)

где X1 – тип, мощность и схема соединения обмоток питающего сеть силового трансформатора; X2 – материал, сечение фазных и нулевого проводов, расстояние до места ОКЗ; X3 – увеличение активного сопротивления проводника при нагреве его током ОКЗ (эффект теплового спада тока ОКЗ); X4 – сопротивление дуги в месте замыкания; X5 – сопротивления контактов выключателей, соединительных контактов и т.д.

Расчет токов ОКЗ проводится с учетом эффекта теплового спада тока ОКЗ и сопротивления дуги в месте повреждения [12–15], который позволяет определить минимальные токи ОКЗ, сущест- венно влияющие как на чувствительность защиты, так и на зону ее действия.

Критерием оценки работоспособности любой защиты является ее коэффициент чувствительности (1)

IК.МИН кч =       г кч.доп = 3 ,       (2)

IF.H где IF.Н – номинальный ток плавкой вставки предохранителя; КЧ.ДОП – минимально допустимое значение коэффициента чувствительности плавкой вставки.

На рис. 1, а представлены зависимости изменения коэффициентов чувствительности КЧ = f(L) по длине линии с сечением проводов АС-3х35+35 мм2, питающейся от силового трансформатора мощностью 160 кВ∙А со схемой соединения обмоток Y/YН и защищаемой плавкими предохранителями с разными номинальными токами IF.Н. В общем случае для построения защиты необходимо построение целого семейства таких зависимостей для трансформаторов разной мощности от 100 до 630 кВ∙А с разными группами соединения обмоток Y/YН, Δ/YН и всех применяемых сечений проводов от 16 до 95 мм2.

Зависимости К_Ч = f(L) при К_Ч. Д _ОП = 3 позволяют определять зоны защиты L З линии плавкими предохранителями. Например, при установке в начале линии плавкого предохранителя F1 с номинальным током I_F1.Н = 100 А его зона защиты L_З составит не более 330 м. Таким образом, с учетом

Рис. 1. Организация защиты ВЛ-0,38 кВ с помощью плавких предохранителей

Рис. 2. Зоны защиты ВЛ-0,38 кВ при коэффициенте чувствительности К Ч = 3

Рис. 3. Коэффициент чувствительности защиты ВЛ-0,38 кВ при t S.F = 5 c

предложения секционирования линии [6] место установки второго секционирующего предохранителя F2 должно находиться в конце зоны защиты предохранителя F1, не далее LЗ = 330 м – см. рис. 1, б. На рис. 2 приведены зоны защиты ВЛ0,38 кВ в зависимости от номинальных токов плавких предохранителей для случаев питания от трансформаторов с разной номинальной мощностью.

Номинальный ток плавкой вставки предохранителя F2 выбирается с учетом расчетных электрических нагрузок потребителей, питающихся на конечном участке линии, и максимально возможных эксплуатационных режимов их работы

I F2.Н ≥ I МАКС.РАБ , (3) где I_{МАКС.РАБ} – максимальный рабочий ток на конечном участке линии.

В 7-м издании ПУЭ появилось дополнительное требование к токовым защитам – время срабатывания tS (отключения токов ОКЗ) не должно превышать 5 с [15] т. е. должны выполняться одновременно два условия

К Ч ≥ 3 и t S ≤ 5 c. (4)

На рис. 1, б показаны кривые времени срабатывания tS.F = f(L) плавких предохранителей F1 и F2 в зависимости от места возникновения ОКЗ.

Пунктирная линия 1 показывает достаточные условия для срабатывания плавкого предохранителя F1 по 1-му условию, а линия 2 – при одновременном выполнении обоих условий. Одновременное выполнение двух условий показывает, что зона защиты должна быть уменьшена до значения L'_З, т. е. предохранитель F2 следует поставить ближе к началу линии. Это, в свою очередь, говорит о том, что должна быть повышена чувствительность плавких предохранителей. В связи с этим, необходимо определить новые значения коэффициентов чувствительности К_Ч ( _{t = 5 c} ) , при которых время срабатывания предохранителей не должно превышать 5 с.

На рис. 3 приведены значения коэффициентов чувствительности в зависимости от номинальных токов плавких предохранителей К_Ч ( _{t = 5 c} ) = = f(I_F.Н). Здесь видно, что коэффициент чувствительности возрастает до значений 4,2–8.

С учетом уточнения параметров защиты определяется новое местоположения плавких предохранителей. Так как блок с предохранителями можно установить только на опоре, то их месторасположение может сместиться ближе к питающей трансформаторной подстанции.

В результате выбора параметров защиты ВЛ0,38 кВ может возникнуть необходимость ее секционирования на большее количество частей, т. е. возможна установка трех и более плавких предохранителей, которые бы обеспечили 100%-ную защиту линии.

Заключение

• 1.    Для практического использования предлагаемой концепции построения защиты рассчитаны и построены семейства кривых токов короткого замыкания, коэффициентов чувствительности, длины зон защиты в зависимости от мощности питающих электрическую сеть трансформаторов, сечения проводов воздушных линий, номинальных токов плавких предохранителей и автоматических выключателей.

• 2.    Область применения концепции построения защиты распространяется как на рассмотренные простые магистральные, так и разветвленные с отпайками широко применяемые воздушные линии напряжением 380 В.

• 3.    Варианты построения защиты в настоящее время анализируются с использованием компьютерной модели ВЛ-0,38 кВ, созданной на основе программного комплекса Matlab, далее будут проверяться на полномасштабной натурной модели ВЛ-0,38 кВ, построенной на полигоне «Челябэнерго» (напряжение 380 В, длина линии 470 м), с последующим внедрением в электрических сетях напряжением 380 В.