Обзор способов защиты сельских электрических сетей 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания

• 1.7.79 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) 0,4 секунды для фазного напряжения 220 В при заземлении нейтрали типа TN [1].

Для повышения защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ и обеспечения требований чувствительности на протяжении длительного периода времени предлагались различные способы и технические решения.

Одним из технических решений повышения защищённости может быть использование дополнительных повторных заземлений нулевого провода. Так, в сельских электрических сетях 0,4 кВ, выполненных в воздушном исполнении, согласно ПУЭ должно выполняться заземление нулевого провода. В пункте 1.7.100 ПУЭ отмечено, что нейтраль трёхфазного трансформатора должна быть заземлена непосредственно вблизи трансформатора [1]. При этом согласно пункта 1.7.101 ПУЭ сопротивление заземляющего устройства при междуфазном напряжении 380 В должно быть не более 4 Ом [1]. Также в электроустановках данного типа заземлению подлежит совмещённый PEN-проводник. Согласно пункта 1.7.102 повторные заземления необходимо выполнять на вводе воздушной линии и её конце, а также в конце отпаек от магистрали, протяжённость которых превышает 200 метров [1]. В свою очередь, сопротивление растеканию повторных заземлителей совмещённого PEN-проводника при междуфазном напряжении должно быть не более 30 Ом [1]. В работе [2] на основе анализа ряда исследований отмечено, что при возникновении тока однофазного короткого замыкания повторные заземления незначительно влияют на величину тока аварийного режима. Выявлено, что использование повторных заземлений нулевого провода не оказывает значительного влияния на величину тока однофазного короткого замыкания за исключением случаев использования их в большом количестве или при низком сечении провода линии электропередачи 0,4 кВ [3]. В связи с вышеуказанными положениями, рассмотрение возможности повышения защищённости сельской электрической сети 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания за счёт использования дополнительных повторных заземлителей нулевого провода является актуальной задачей.

Другим техническим решением является сетевое секционирование линий электропередачи 0,4 кВ. Данный способ защиты был предложен более 80 лет назад Спеваковым П.И. [4]. Способ заключается в установке плавких предохранителей и автоматических выключателей в рассечку проводов электрической сети 0,4 кВ с таким условием, чтобы соблюдалось условие по отключению защищаемого участка. На протяжении длительного периода времени учёными МЭИ, РГАУ-МСХА предлагались схожие технические решения по секционированию электрических сетей 0,4 кВ с использованием автоматических выключателей и плавких предохранителей.

При этом челябинскими учёными Южно-Уральского государственного университета Ершовым А.М., Валеевым Р.Г. и Сидоровым А.И. усовершенствована концепция построения защиты сельских электрических сетей напряжением 0,4 кВ, которая заключается в секционировании по длине воздушной линии плавкими предохранителями [5]. Предложенная концепция была проиллюстрирована на примере защиты воздушной линии электропередачи 0,4 кВ протяжённостью 500 метров, выполненной с использованием провода сечением 35 мм2, питание которой осуществляется от трансформатора номинальной мощностью 160 кВА со схемой и группой соединения обмоток Y/Y0 [6]. Были получены зависимости, позволяющие определить место установки плавких предохранителей или автоматических выключателей, обеспечивая отсутствие зон несрабатывания защит при времени срабатывания не более 5 с [7]. Полученные результаты исследования позволили разработать методики выбора места установки секционирующих плавких предохранителей по критериям срабатывания защит согласно требованиям ПУЭ [8]. Отмечено, что секционирование воздушных линий электропередачи 0,4 кВ позволяет повысить электробезопасность их эксплуатации в 50 и более раз [9].

Наиболее совершенным техническим решением, предложенным Виноградовой А.В., является секционирующий пункт, позволяющий реализовывать функции защиты и автоматики в сельских электрических сетях 0,4 кВ [10, 11], который был внедрён в эксплуатацию в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» в 2016 году. В качестве коммутационного аппарата, обеспечивающего включение и отключение электрической сети, в секционирующем пункте используется вакуумный контактор [12]. Для управления секционирующим пунктом также разработан микроконтроллерный блок управления, который осуществляет измерение параметров электрической сети 0,4 кВ [13]. С целью выбора места установки секционирующих пунктов разработан ряд методик, учитывающих эффекты от повышения надёжности электроснабжения и защищённости электрической сети 0,4 кВ [14, 15]. Также были предложены технические решения по установке и креплению секционирующего пункта на опорах сельской электрической сети 0,4 кВ [16]; произведено технико-экономическое обоснование его использования на примере линии электропередачи 0,4 кВ, обеспечивающей электроснабжение производственных сельскохозяйственных потребителей [17].

Усовершенствованным вариантом секционирующего пункта, учитывающего особенности конфигурации электрических сетей 0,4 кВ, являются мультиконтактные коммутационные системы, например, типа МКС-2-3В [18, 19]. С использованием мультиконтактных коммутационных систем секционирование сельских электрических сетей 0,4 кВ также осуществляется вакуумными контакторами, что соответствует современному уровню развития электрооборудования в мире. Управление осуществляется микроконтроллерным блоком управления, непрерывно передающим данные о работе устройства диспетчеру электросетевой организации.

Другим эффективным решением по защите сельских электрических сетей 0,4 кВ от однофазных коротких замыканий является использование автоматических выключателей с микропроцессорным и электронным расцепителями. То есть, предполагается замена устаревшего защитного коммутационного аппарата, установленного в распределительном устройстве низкого напряжения 0,4 кВ трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ, на современный. В отличие от устаревших автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями, характеризующимися высокой кратностью тока срабатывания расцепителя к номинальному, например, 3 раза и более, - для микропроцессорных и электронных расцепителей данная кратность составляет 1,5 раза. При этом они также реализуются возможность регулировки номинального тока расцепителя в диапазоне 0,4-1 номинального тока автоматического выключателя [20].

Проиллюстрируем возможность защиты сельской электрической сети 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания с использованием рассмотренных методов.

Цель работы заключается в демонстрации разных технических решений повышения защищённости сельской электрической сети 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания.

Материалы и методы исследования

Демонстрацию разных методов повышения защищённости сельской электрической сети 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания продемонстрируем на примере конфигурации радиальной электрической сети 0,4 кВ с наиболее часто используемым оборудованием, встречаемым в электросетевых компаниях [21, 22, 23]:

• -    тип используемого силового трансформатора ТМ-250/10/0,4 кВ Y/Yн-0;

• -    протяжённость до наиболее удалённой точки электрической сети 1000 метров;

• -    тип и сечение используемого провода А-35;

• -    тип используемого защитного коммутационного аппарата – ВА51 с кратностью срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току – 4 о.е. [24];

• -    номинальный ток защитного коммутационного аппарата – 100 А;

• -    нагрузочный ток линии при средней нагрузке – 50 А.

Cогласно требованиям ПУЭ для рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ радиальной конфигурации необходимо использовать 2 повторных заземлителя согласно пункта 1.7.102 ПУЭ.

Для демонстрации рассмотренных способов повышения защищённости сельской электрической сети 0,4 кВ была использована компьютерная модель в программном комплексе MATLAB Simulink [25]. Параметры модели были обоснованы с учётом положений источника [26]. С использованием модели определялись значения токов однофазного короткого замыкания на различном удалении от ввода трансформатора низкого напряжения 0,4 кВ. При этом максимальная зона чувствительности защитных коммутационных аппаратов 0,4 кВ определялась по паспортным время-токовым характеристикам.

Компьютерная модель сельской электрической сети 10/0,4 кВ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Компьютерная модель сельской электрической сети 0,4 кВ в режиме однофазного короткого замыкания с повторными заземлениями в MATLAB Simulink

Как ранее было отмечено, кратность n, о.е., срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току I nom , А, защитного коммутационного аппарата типа ВА51

составляет 4. Таким образом, максимальный ток однофазного короткого замыкания, допустимый по условия чувствительности для данного типа защитного коммутационного аппарата определяется по формуле (1):

^ кз.тах = ^и • ^ пот ,

где n – кратность срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току защитного коммутационного апарата, о.е.;

I nom – номинальный ток защитного коммутационного аппарата, А.

С учётом формулы (1) и использованием разработанной модели в MATLAB Simulink было выявлено, что для заданного прототипа электрической сети 0,4 кВ ток однофазного короткого замыкания со значением 400 А характерен на удалении 273 метра от вывода трансформатора 0,4 кВ. При последующем удалении токи аварийного режима становятся значительно меньше, что приводит к нечувствительности защитного коммутационного аппарата к ним.

Cтруктурная электрическая схема рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная электрическая схема рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ

Согласно структурной схеме, рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ, представленной на рисунке 2, защитный коммутационный аппарат типа ВА51 с номинальным током 100 А защищает только первые 273 метра линии из 1000 метров общей протяжённости, т.е. 27% длины линии.

Продемонстрируем способы повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания.

Результаты и обсуждение

Для представленной на рисунке 2 рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ было рассмотрено влияние использования дополнительных 4-х повторных заземлителей нулевого провода сопротивлениями от 10 до 30 Ом. Это техническое решение позволяет расширить зону защиты на 0,8%-2,15% от первоначальной в зависимости от сопротивления заземлителей. То есть, зона защиты при использовании 4-х повторных заземлителей нулевого провода расшириться до 275-279 метров при первоначальном значении 273 метра, что не позволяет защитить линию электропередачи 0,4 кВ полностью.

Стоимость установки одного повторного заземлителя нулевого провода оценивается в 5500 рублей, а общая стоимость технического решения оценивается в 22000 рублей [27]. Структурная электрическая схема предлагаемого технического решения повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ за счёт использования дополнительных повторных заземлителей нулевого провода представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная электрическая схема сельской электрической сети 0,4 кВ с использованием дополнительных повторных заземлителей нулевого провода

С учётом полученных результатов можно сделать вывод, что использование дополнительных повторных заземлителей не позволяет значительно повысить эффективность защиты линии электропередачи 0,4 кВ от однофазных коротких замыканий.

Рассмотрим использование автоматических выключателей с микропроцессорным расцепителям для повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ от однофазных коротких замыканий. В зависимости от номинального тока стоимость данного автоматического выключателя производства Курского электроаппаратного завода в настоящее время составляет 60.000-70.000 рублей [28]. В филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» их доля составляет 5,45% от общего количества 7555 автоматических выключателей 0,4 кВ в регионе [21]. Установка автоматического выключателя данного типа, взамен существующего будет стоить 84629 рублей. При фазном токе линии 50 А возможно выставить уставку срабатывания электромагнитного расцепителя 0,6 Inom, что будет составлять 90 А при кратности срабатывания 1,5 о.е. и номинальном токе защитного коммутационного аппарата 100 А. Это позволит полностью обеспечить защиту электрической сети 0,4 кВ, так как ток однофазного короткого замыкания в наиболее удалённой точке составляет 91,05 А. Структурная схема предлагаемого решения представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная электрическая схема сельской электрической сети 0,4 кВ с оценкой зоны защиты при использовании автоматического выключателя с микропроцессорным расцепителем.

Рассмотрим использование секционирующих предохранителей для повышения защищённости рассматриваемой линии электропередачи 0,4 кВ. При использовании данного технического решения придётся использовать несколько предохранителей с плавкими вставками для того, чтобы не ограничивать пропускную способность электрической сети 0,4 кВ, так как потребитель может быть подключен в наиболее удалённой точке сети. Рассмотрим данное решение, структурная схема которого представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная электрическая схема сельской электрической сети 0,4 кВ с оценкой зоны защиты при использовании секционирующих предохранителей.

Как ранее было отмечено, автоматический выключатель типа ВА51 с номинальным током 100 А обеспечивает защиту первых 273 метров линии электропередачи 0,4 кВ. Далее для обеспечения пропускной способности линии электропередачи необходимо использовать плавкие предохранители типа ПН-2 с номинальным током 40 А и кратностью срабатывания 3 о.е. Они обеспечивают защиту линии до 742 метров включительно. Затем необходимо использовать предохранители ПН-2 с номинальным током 31,5 А, что позволит обеспечить защиту оставшейся части линии электропередачи 0,4 кВ. С учётом стоимости предохранителей и вспомогательного оборудования стоимость данного решения будет составлять 36250 рублей. Аналогичные особенности секционирования будут характерны при использовании устаревших типов автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями, в случае использования которых также понадобится установка нескольких защитных коммутационных аппаратов вдоль линии электропередачи.

Наиболее рациональным решением будет использование современных секционирующих пунктов и устройств (мультиконтактных коммутационных), содержащих в качестве коммутирующего модуля вакуумные контакторы, управление которыми осуществляется микроконтроллерным блоком управления. С использованием данных устройств можно обеспечить эффективную защиту линии электропередачи, так как в микроконтроллерный блок управления можно задать любой ток срабатывания вакуумного контактора, например, 60 А для рассматриваемой линии, что позволит использовать только одно устройство в линии в отличие от секционирующих автоматических выключателей и предохранителей. Структурная электрическая схема предлагаемого решения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная электрическая схема сельской электрической сети 0,4 кВ с оценкой зоны защиты при использовании секционирующего пункта (мультиконтактной коммутационной системы).

Установка готового образца устройства может варьироваться от 50000 до 150000 рублей в зависимости от числа коммутационных групп и требуемого функционала. Но в отличие от других технических решений использование устройств секционирования позволит обеспечить мониторинг параметров электрической сети 0,4 кВ, реализацию функции АПВ и передачу данных о работе устройства в центр управления сетями электросетевой компании. Выбрать место установки МКС можно, используя методику, приведённую в [].

Выводы

На примере рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ была произведена оценка возможности повышения её защищённости за счёт использования 4-х дополнительных повторных заземлителей. Было выявлено, что повысить защищённость электрической сети 0,4 кВ протяжённостью 1000 метров можно на 0,8-2,15% при изначальной защищённости 273 метров линии. Это позволяет расширить зону защиты до

275-279 метров при капитальных вложениях 22000 рублей. Данное техническое решение является нецелесообразным, так как не позволяет существенно повысить защищённость линии электропередачи 0,4 кВ. Для повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ можно использовать другие технические решения, которые позволят полностью обеспечить чувствительность защитных коммутационных аппаратов к току однофазного короткого замыкания. На примере рассматриваемой сельской электрической сети 0,4 кВ были рассмотрены разные варианты повышения защищённости: замена устаревшего автоматического выключателя на современный выключатель с микропроцессорным расцепителем с капитальными вложениями 84629 рублей; использование секционирующих предохранителей с капитальными вложениями 22000 рублей; использование современных устройств секционирования (мультиконтактных коммутационных систем) с капитальными вложениями от 50000 до 150000 рублей в зависимости от технического оснащения. Все указанные варианты позволяют полностью обеспечить защиту электрической сети 0,4 кВ.