Метод оценки чувствительности защитного коммутационного аппарата, установленного на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ сельской электрической сети 0,4 кВ

Введение. В настоящее повышение безопасности эксплуатации электрических сетей является актуальным направлением в мировом энергетическом сообществе. В связи с этим реализуются мероприятия по оценке аварийных ситуаций, возникающих в электроэнергетических системах, и методах защиты от них как электротехнического персонала, так и обычных граждан, с целью недопущения травматизма и поражения электрическим током; а также проводится комплексная работа, направленная на повышение квалификации работников по устранению последствий аварий [1-2]

Так, одним из мероприятий, направленных на повышение электробезопасности эксплуатации электрических сетей 6-10 кВ промышленных горных предприятий, работающих с изолированной нейтралью, является их перевод на режим работы с резистивно-заземленной нейтралью. Это позволяет предотвратить повреждение силовых кабелей, измерительных трансформаторов напряжения 6-10 кВ и высоковольтных электродвигателей 6-10 кВ вследствие ненормальных режимов работы электрической сети, большую долю которых составляют однофазные замыкания на землю, характеризующиеся воздействием перенапряжения на оборудование электрической сети. Данное решение позволяет повысить чувствительность и селективность действия релейной защиты и снизить количество остановки технологических процессов, уменьшить время простоя сетей и затраты на текущий ремонт [3].

Вопросы электробезопасности также исследуются учеными и в тяговых сетях, обеспечивающих обеспечение электроэнергией железнодорожного транспорта. В данном направлении путем экспериментальных исследований рассматривается возможность эксплуатации сооружаемых электрических сетей переменного тока без заземления опор на рельс, что позволит значительно снизить капитальные затраты на сооружение электроэнергетических объектов [4].

Проблема электробезопасности также очень актуальна и при эксплуатации сельских распределительных электрических сетей, характеризующихся низкой надежностью электроснабжения, большим количеством аварийных отключений, временем устранения последствий повреждений. Например, в работе [5] предложено устанавливать на опоры электрических сетей 6-10 кВ светотехнические устройства, обеспечивающие световую сигнализацию о ненормальных режимах работы и повреждениях в сети, обеспечивая при этом возможность более быстрого отыскания места повреждения персоналом электросетевой организации и индикацию зоны возле электрической сети, при попадании в которую человек может быть поражен электрическим током.

При этом среди рассмотренных работ не затронуты вопросы электробезопасности сельских электрических сетей 0,4 кВ низкого напряжения, которые ввиду своих особенностей, заключающихся в завышенной протяженности и малом сечении проводников в совокупности приводят к большому сопротивлению петли фаза-ноль и, следовательно, низкому значению тока однофазного короткого замыкания, что не позволяет защитному коммутационному аппарату (ЗКА), установленному на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ (ТП 10/0,4 кВ), произвести своевременно отключение аварийных режимов работы электрической сети и предупредить развитие последствий аварии. Так, на примере электрических сетей 0,4 кВ Дмитровского района, находящихся на балансовой принадлежности филиала «Россети Центр»-«Орелэнерго» было выявлено, что для некоторых из них значения рабочих токов превышают значения токов однофазного короткого замыкания, что обусловлено возможностью технологического присоединения новых потребителей к электрическим сетям и наличием резервных мощностей ввиду урбанизации значительной части сельского населения [6].

Исходя из вышеизложенных положений необходимо разработать и продемонстрировать выполнение алгоритма оценки чувствительности ЗКА, т.е. своевременного устранения короткого замыкания (КЗ), на примере одной из электрических сетей филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго».

Цель работы заключается в оценке чувствительности защитного коммутационного аппарата, установленного на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ К-5-3 сельской электрической сети 0,4 кВ, запитанной от подстанции «Куликовская» 110/35/10 кВ, находящейся на балансовой принадлежности электросетевой организации - филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго».

Материалы и методы исследования.

Для оценки чувствительности ЗКА необходимо произвести расчет токов короткого замыкания в электрической сети 0,4 кВ, выполняя при этом расчет со ступеней более высокого напряжения с целью определения сопротивления питающей системы, для которого необходимо значений тока трехфазного на стороне высшего напряжения (ВН) ТП 10/0,4 кВ.

В работе были использованы: нормальная схема электрических соединений подстанции «Куликовская» 110/35/10 кВ, предоставленная службой подстанций управления высоковольтных сетей филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», представленная в работе [7]; поопорная схема фидера №5 ВЛ-10 кВ, запитанной от подстанции «Куликовская» 110/35/10 кВ, и поопорная схема фидера №1 ВЛ-0,4 кВ, запитанного от ТП 10/0,4 кВ, предоставленные «ОТГ» Орловского РЭС филиала ПАО «Россети Центр – Орелэнерго»; значение тока трехфазного короткого замыкания на стороне 110 кВ подстанции «Орловская Районная» 220/110/10 кВ, предоставленное службой РЗиА филиала ПАО «Россети Центр – Орелэнерго».

В целом, расчет тока трехфазного КЗ на стороне ВН ТП 10/0,4 кВ осуществляется с использованием методов расчета токов короткого замыкания в электроустановках выше 1000 В, согласно ГОСТ Р 52735-2007 [8], как это было реализовано в работе [9]. При этом, для определения сопротивлений участков электрической сети 10 кВ от шин низкого напряжения подстанции «Куликовская» 110/35/10 кВ до ТП 10/0,4 кВ К-5-3, представленных в таблице 1, были использованы формулы (1), (2) в связи с тем, что отношение индуктивного и активного сопротивления проводников менее 3:

= д ∙ L ^∙ £^б 2, (1)

где z yд – удельное полное сопротивление линии, Ом/км, определяемое по формуле (2):

√ 7 уд + X уд ,

Z уд = где xyд – удельное индуктивное сопротивление линии, Ом/км; ryд – удельное активное сопротивление линии, Ом/км.

Таблица 1 – Марки, сечения и сопротивления проводников, используемых в рассматриваемой кольцевой электрической сети 10 кВ.

Фидер №5
Участок линии	ПС-134	134 – 7-15
Марки и сечение провода	3СИП-3 1х70	3СИП-3 1х50
Длина, км	8,43	0,823
r уд, Oм/км	0,493	0,72
x уд, Oм/км	0,291	0,299
z уд, Oм/км	0,572	0,78
x б , о.е.	43,737	5,823

В результате расчетов удалось выявить, что значение тока трехфазного КЗ на вводе ВН ТП 10/0,4 кВ К-5-3 составляет 0,813 кА, что отражено на поопорной схеме фидера №5 электрической сети 10 кВ, представленной на рисунке 1, запитанной от подстанции «Куликовкая» 110/35/10 кВ. Данное значение, как ранее было отмечено, необходимо для расчета токов КЗ в электрической сети 0,4 кВ, запитанной от ТП 10/0,4 кВ.

Расчет токов значений токов короткого замыкания, в том числе и однофазного, в исследуемой электрической сети 0,4 кВ осуществлялся согласно методам расчета токов КЗ в электроустановках до 1000 В, согласно ГОСТ 28249-93 [10].

Расчет токов однофазного короткого замыкания был производен по приближенному методу по формуле (3) [11, 12]:

rl = ф кз = 1 т       ^,

ф где Uф – фазное напряжение сети, значение которого составляет 220 В;

Z т – полное сопротивление трансформатора току однофазного замыкания на корпус, Ом;

Z ф-0 – полное сопротивление петли фаза-нуль от трансформатора до точки КЗ, Ом.

Для установленного в ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3 трансформатора типа ТМ-160-10/0,4-

УХЛ при соединении обмоток Y/Y 0 его полное сопротивление току однофазного замыкания на корпус, деленное на 3, согласно источнику [13], равно 0,162 Ом.

Полное сопротивление цепи фаза-нуль для участков от трансформатора до рассматриваемых точек КЗ рассчитывалось по формулам (4):

Ζ ф-0 = уд.ф ∙ ^ф + уд.0^∙ ^0 ⁺ конт ,

(4) Ом/км,

где Zуд.ф – полное удельное сопротивление фазного провода, определяемое по формулам (1), (2);

Lф – длина фазного провода до точки КЗ;

Z уд.0 – полное удельное сопротивление нулевого провода, Ом/км, определяемое по формулам (1), (2);

L 0 – длина нулевого провода до точки КЗ;

Zконт – полное сопротивление промежуточных устройств коммутационной аппаратуры.

Сопротивление контактов рубильника, измерительных трансформаторов тока, контактов автоматического выключателя, предназначенного для защиты электрооборудования ТП 10/0,4 кВ от ненормальных и аварийных режимов работы электрической сети 0,4 кВ было определено по данным источника [10].

Минимальный ток металлического трехфазного КЗ, а также двухфазного КЗ в рассматриваемых точках был определен по формулам (5), (6):

I кз =

√5 ∙√

ср.нн

∑ +7 ∑

u ср.нн ^√ ^ ∙ ∑

ср.нн

² ∙√ X ∑ +7 ∑

I2 = кз

и ср.нн    √ з тз

2∙z∑=     ∙ 1 кз, где – Uср.нн – среднее номинальное линейное напряжение сети НН, В (для электрической сети 0,4 кВ, которое согласно источнику [14], равно 400 В);

z Σ – результирующее полное сопротивление цепи КЗ;

x Σ и r Σ – результирующее активное и индуктивное сопротивления цепи КЗ, в данном случае эти сопротивления будут определяться по формулам (7), (8):

Т ∑⁼7т⁺ Т ТА250/5А⁺ Т АВ 100А⁺ т РУБ250А⁺ Т _ВЛ ,                 (7)

X ∑⁼ х_с + X т⁺ X ТА250/5А⁺ X АВ100А⁺ X ВЛ ,                  (8)

где r т и x т – активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности понижающего трансформатора;

r ТА250/5А и x ТА250/5А – активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформаторов тока;

r АВ100А и x АВ100А – активное и индуктивное сопротивления токовых катушек автоматических выключателей;

r вл и x кл – активные и индуктивные сопротивления прямой последовательности воздушных линий;

x c – индуктивное сопротивление питающей системы.

При расчете токов КЗ в электроустановках, получающих питание непосредственно от сети энергосистемы, допускается считать, что понижающие трансформаторы подключены к источнику неизменного по амплитуде напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление системы. Значение этого сопротивления в миллиомах, приведенное к ступени низшего напряжения сети, рассчитывают по формуле (9):

иср.НН 2        иср.НН— з

хс =     ср.НН     = ср.НН ∙10

√з∙ к.ВН∙иср.BН где Uср.НН – среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, 400 В;

U ср.ВН – среднее номинальное напряжение сети, к которой подключена обмотка высшего напряжения трансформатора, 10 кВ;

I k.ВН =I по.ВН – действующее значение периодической составляющей тока при трехфазном КЗ у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, кА;

S k – условная мощность короткого замыкания у выводов обмотки высшего напряжения трансформатора, МВА.

Активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности понижающих трансформаторов в миллиомах, приведенные к ступени напряжения сети, рассчитывают по формулам (10), (11):

низшего

.ном ∙ и НН.ном        6 .

т.ном

Y          % . . НН.ном

X т =      ∙          ;

где S т.ном – номинальная мощность трансформатора, кВА;

P k.ном – потери короткого замыкания в трансформаторе, кВт;

U нн.ном – номинальное напряжение обмотки низшего напряжения трансформатора, кВ;

u k – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Для расчета активного и индуктивного сопротивления трансформатора ТМ-160 по данным источника [15] были определены его технические характеристики, они представлены в таблице 2.

Рисунок 1 – Схема электрической сети 10 кВ с рассчитанными значения токов трехфазного КЗ на шинах 10 кВ и вводе ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3

Таблица 2 – Технические характеристики трансформатора ТМ-160

Тип трансформатора	Класс напряжения, кВ	Мощность, кВА	Напряжение КЗ, u k%	Потери, Вт
				КЗ	ХХ
ТМ-160	10	160	4,5	2650	510

Сведения о протяженности, марках и сечениях проводов фидера №1 – электрической сети 0,4 кВ, запитанной от ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3 представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Сведения о протяженности, марках и сечениях проводов электрической сети 0,4 кВ, запитанной от ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3.

Участок ЛЭП	Марка и сечение провода	Длина, км
Фидер №1 – ВЛ 0,4 кВ, Кул-5-3
1-13, 2-1/3, 1/2-2/1, 4-3/5, 3/2-4/1, 7-5/13, 5/6-11/2, 5/8-9/1, 5/10-10/4, 11-6/7, 6/6-12/5, 13-8/1	4А-25	2,24
12/4-13/2	СИП2 3х35+1х54,6	0,08
Итого:		2,32

Правильность выбора автоматического выключателя можно оценить по коэффициенту чувствительности теплового расцепителя, который можно вычислить по формуле (12) [16, 17]:

к ч.т.р. = \ кз( = ⁾ ≥3 ;                                     (12)

где – I 1кз(min) – минимальное значения тока однофазного КЗ;

I т.р. – действующаяуставка значения тока теплового расцепителя.

Результаты исследований и их обсуждение.

Исходя из результатов расчетов токов коротких замыканий в рассматриваемой электрической сети 0,4 кВ, которые графически представлены на рисунке 2, можно сделать вывод, что в наиболее удаленных участках сети токи однофазного короткого замыкания значительно меньше номинального тока 100 А автоматического выключателя, установленного на отходящей линии ТП 10/0,4 кВ.

При этом ток однофазного короткого замыканий в наиболее удаленной точке электрической сети 0,4 кВ К6, удаленной от трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ на 920 метров, имеет значение 99 А.

Для защиты электрической сети 0,4 кВ на ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3 установлен регулируемый автоматический выключатель OEZ 100 A. Вид регулируемого модуля данного автоматического выключателя также представлен на рисунке 2, согласно технической документации на данный выключатель [18].

Согласно технической документации автоматического выключателя OEZ 100 A имеет возможность регулирования тока теплового расцепителя в пределах IR=(0,4-1)Inom. То есть, минимальным значением теплового расцепителя будет являться значение 40 А. При этом в настоящее время значения уставки расцепителя установлено на 91 А, исходя из чего можно определить коэффициент чувствительности теплового расцепителя по формуле (12):

=1,09≱3 .

к ч.т.р.действ.

При этом, если бы значение уставкирасцепителя было установлено на минимально допустимое значение:

=2,475≱3 .

ч.т.р. min

Таким образом, можно сделать вывод, что исходя из полученного соотношения условие чувствительности защитного коммутационного аппарата к току однофазного

Рисунок 2 – Результаты расчетов токов коротких замыканий в электрической сети 0,4 кВ, запитанной от ТП 10/0,4 кВ Кул-5-3, с внешним видом основного электрооборудования короткого замыкания не обеспечивается как при использовании действующей, так и минимально допустимой уставки автоматического выключателя. В связи с этим, для данной электрической сети возможно рассмотреть вариант ее реконструкции путем разделения на несколько частей с сооружением дополнительных трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ. Альтернативой сооружению дополнительных ТП 10/0,4 кВ будет установка технических средств сетевого секционирования линий электропередачи 0,4 кВ, в роли которых могут быть использованы пункты автоматического секционирования – мультиконтактные коммутационные системы (МКС), например типа МКС-2-3В, которые позволят выполнять как местное, так и дистанционное управление конфигурацией электрической сети в зависимости от режимов ее работы, что значительно позволит снизить время перерывов в электроснабжении потребителей данной сети и их количество [19]; при этом в данной сети также можно использовать неавтоматические коммутационные аппараты, т.е. автоматические выключатели 0,4 кВ, обеспечивающие сигнализации об отключении электрической сети в целом или отдельных ее участков, которые, в отличие, от МКС будут характеризоваться меньшими капитальными затратами на их внедрение, но большими эксплуатационными издержками, связанными с необходимостью выезда персонала электросетевой организации для ручного включения и отключения выключателя.

Выводы. В ходе исследования были определены значения токов симметричного и несимметричных видов КЗ в сельской электрической сети 0,4 кВ, находящейся на балансовой принадлежности филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», запитанной от ТП 10/0,4 кВ по воздушной линии 10 кВ от подстанции «Куликовская» 110/35/10 кВ. Полученные значения токов короткого замыкания позволили продемонстрировать алгоритм выполнения проверки чувствительности ЗКА, установленного на ТП 10/0,4 кВ. Было выявлено, что автоматический выключатель не способен своевременно отключить аварийный режим работы электрической сети, в связи с чем были предложены меры, направленные на повышение электробезопасности рассматриваемой сети, которые заключаются в установке пунктов сетевого секционирования или реконструкции сети.