Опыт измерений при однофазном коротком замыкании в электрической сети 0,4 кВ

Введение. В настоящее время значительное внимание уделяется повышению надежности электроснабжения и электробезопасности эксплуатации сельских электрических сетей 0,4 кВ. Это обусловлено тем, что допустимая протяженность ВЛ 0,4 кВ, составляющая 500 м согласно технической политике ПАО «Россети» [1], а также требованиям главы 2.4

ПУЭ [2], в действующих электрических сетях 0,4 кВ может значительно превышать указанное значение, что, кроме снижения надежности способствует необеспеченности чувствительности защитных коммутационных аппаратов к токам однофазного короткого замыкания (ОКЗ) ввиду увеличения сопротивления петли «фаза-ноль». Так, в Челябинской области суммарная протяженность воздушных линий (ВЛ) электропередачи 0,4 кВ оставляет 13000 км при их общем количестве 20250 единиц, а средняя протяженность – 640 метров [3]. В свою очередь, в 20 регионах ЦФО РФ наибольшая протяженность сельских электрических сетей 0,4 кВ характерна для филиала «Орелэнерго» со значением 985 метров, а наименьшая – для филиала «Кировэнерго» со значением 737 метров, при этом среднее значение по регионам ЦФО – 787 метров [4] К низким значениям токов однофазных коротких замыканий приводят также и малые мощности понижающих трансформаторов сельских электрических сетей 0,4 кВ. В Челябинской области средняя мощность трансформаторной подстанции 610/0,4 кВ составляет 200-250 кВА [5]. В электросетевой организации – филиале ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» среднеарифметическое значение мощности одного трансформатора составляет 153,6 кВА, а наибольшее количество (1454 единицы из 6206) трансформаторов имеет мощность 100 кВА [6]. При этом по 20 регионам ЦФО среднее значение мощности силового трансформатора сельской электрической сети 0,4 кВ – 200 кВА [4].

Автоматические выключатели и предохранители, не способны произвести отключение защищаемой цепи за нормированное время по причине завышенной протяженности сетей, которая в совокупности с малыми сечениями используемых проводов и малой мощностью трансформаторов приводит к большому значению сопротивления петли фаза-ноль и, соответственно, малому току однофазного короткого замыкания, значение которого может быть ниже или равно номинальному току защитного коммутационного аппарата (ЗКА) [7].

Одним из способов защиты ЛЭП от удалённых ОКЗ является секционирование, при котором в рассечку линии устанавливают защитный аппарат. Идеи секционирования сетей появились более 80 лет назад, что было обусловлено необходимостью повышения электробезопасности их эксплуатации. Данное положение отмечено в работе Спевакова П.И. в журнале «Электричество» 1939 г. [8]. Ученым предложено устанавливать защитные коммутационные аппараты: плавкие предохранители (ПП) и автоматические выключатели (АВ), - в рассечку проводов электрической сети 0,4 кВ, на таком расстоянии, чтобы выполнялись требования по обеспечению чувствительности к токам однофазного короткого замыкания.

Подобные работы ведутся и в настоящее время. Например, разработан способ защиты длинных ЛЭП, реализуемый путем установки в ЛЭП автоматического выключателя [9], имеющий недостаток, заключающийся в невозможности автоматизации устанавливаемого в линию автоматического выключателя, что ограничивает его применение и не позволяет производить дистанционное управление защитным коммутационным аппаратом, а также реализовывать функцию автоматического повторного включения.

Несовершенство существующих способов защиты обусловлено низкой кратностью токов ОКЗ к токам срабатывая защит, а также отсутствием чувствительности к обрывам проводов [10].

В настоящее время защиты, обеспечивающие отключение электрической сети 0,4 кВ при возникновении в ней однофазного короткого замыкания вследствие обрыва фазы, отсутствуют в электрических сетях. Применяемые в настоящее время защитные коммутационные аппараты не обеспечивают возможность отключения такого режима, так как в данном случае между фазным проводником и землей может находится переходное сопротивление, значительно снижающее ток короткого замыкания. Также сам грунт в различные сезоны годы может иметь большое сопротивление. В связи с этим, изучение процесса при замыкании фазного провода на землю является актуальным.

Цель работы заключается в эмпирическом определении тока при разных видах ОКЗ и сравнении полученных результатов с расчетными значениями.

Материалы и методы исследования.

Для инструментального определения тока ОКЗ разных видов был использован прибор MZC-300 производства польской компании Sonel, позволяющий измерять полное сопро тивление петли «фаза-нуль» и значение ожидаемого тока короткого замыкания для 6                  Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 3 (36)

номинального напряжения сети [11], используемый специалистами службы диагностики филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» для выбора уставок защитных коммутационных аппаратов в сельских электрических сетях 0,4 кВ.

Сравнение измеренных электрических параметров производилось с расчетными значениями тока металлического однофазного короткого замыкания и сопротивления до точки короткого замыкания, определенных по 2 методам: по упрощенному методу расчета тока однофазного короткого замыкания путем определения сопротивления петли «фаза-ноль», рассмотренного в работе [12, 13, 14], и методу симметричных составляющих в соответствии с ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ», который использовался в работе [7] для оценки чувствительности защитных коммутационных аппаратов.

Объект исследования - воздушная линия (ВЛ) электропередачи 0,4 кВ, расположена в Орловской области Орловского района деревне Жилина с диспетчерским наименованием ВЛ 0,4 кВ №3 ТП 10/0,4 кВ Прб-16-11 ПС 110/10/6 кВ «Приборная». Поопорная схема ВЛ 0,4 кВ с точкой исследования К1 представлена на рисунке 1. Сведения о протяженности и типах проводниках, используемых в электрической сети 0,4 кВ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Длины и сечения проводников сельской электрической сети 0,4 кВ с системой накопления электрической энергии.

Участки электрической сети (пролеты между опорами)	Марка и сечение провода	Длина, км
Фидер №3
ТП-№15, №2-№1/1, №7-№2/4, №2/2-№3/3, №9-№4/2, №12-№6/2, №15-№7/1, №11-№5/14, №5/4-№9/2, №5/4-№8/1, №5/6-№10/4, №5/10-№11/1, №5/10-№12/3, №5/13-№13/1	СИП-2 3х50+1х54,6	2,16
Итого:		2,16

Исходя из таблицы 4.1 следует, что исследуемая электрическая сеть 0,4 кВ имеет протяженность 2,16 км и полностью выполнена самонесущим изолированным проводом типа СИП-2 3х50+1х54. К линии подключен 51 потребитель. Линия электропередачи преимущественно трёхфазная на всём протяжении, однако потребители, в большинстве, однофазные. Также следует отметить, что суммарная протяженность линии 2,16 км с учётом отпаек не соответствует допустимой протяженности 2 км, указанной в технической политике ПАО «Россети» [1].

Упрощенная схема проведенного опыта представлена на рисунке 2. Суть физического моделирования заключалась в том, что электрические параметры (ток однофазного короткого замыкания и сопротивления до точки замыкания) в случае возникновения устойчивого металлического однофазного короткого замыкания с использованием прибора MZC-300 определялись по цепи фаза-ноль, то есть фактически при соприкосновении между собой фазного и нулевого проводов. Данное значение тока однофазного короткого замыкания непосредственно рассчитывается по упрощенному методу петли «фаза-ноль» и методу симметричных составляющих согласно ГОСТ 28249-93.

Рисунок 1 – Исследуемая воздушная линия электропередачи 0,4 кВ

При этом значение тока однофазного короткого замыкания при обрыве фазного провода и его падении на землю определялось по цепи фаза-земля. Это осуществлялось физическим моделированием, заключающимся в создании цепи между клеммой L1 прибора учета Wh потребителя №48 (рисунок 1) и землей через прибор MZC-300 путем использования искусственного электрода (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема измерений прибором MZC-300 в проведенном опыте определения электрических параметров при обрыве фазного провода на землю и металлическом однофазном коротком замыкании

Опыт проводился 3 апреля 2022 года в 12:00 по московскому времени. Температура окружающего воздуха на момент испытаний составляла +5◦C.

Результаты исследований и их обсуждение.

Результаты электрических измерений, полученные в ходе опыта, и расчетные параметры по указанным методикам представлены в таблице 2. Исходя из результатов исследования следует, что расчетные значения токов однофазного короткого замыкания и сопротивления до точки ОКЗ, полученные по методу петли «фаза-ноль» и методу симметричных составляющих, отличаются между собой в 1,3 раза. При этом наименьшее значение тока однофазного короткого замыкания и, соответственно, наибольшее значение сопротивления до точки однофазного короткого замыкания характерно для упрощенного метода петли «фаза-ноль».

Фактическое значение тока металлического однофазного короткого замыкания на опоре №11/1, вводе потребителя №48, полученное измерением с использованием прибора MZC-300 составляет 230 А, что в 1,2-1,6 раза, или на 14%-36% больше полученных расчетным путем значений. Наиболее близкие значения электрических параметров к измеренным имеют полученные по ГОСТ 28249-93 расчетные значения. Данная погрешность обусловлена возможными неточностями в оценке длин пролетов между опорами. Длина линии определялась по количеству пролётов и их длинам. Так, персонал электросетевой организации условно считает, что расстояние между всеми пролетами сельских электрических сетей 0,4 кВ составляет 40 м, что также характерно и для других филиалов электросетевой организации ПАО «Россети Центр и Приволжье». Но фактические расстояния могут быть гораздо меньше для недопущения большой стрелы провеса провода, значения которой четко регламентированы ПУЭ для различных типов местности и класса напряжения линии. В частности, данная линия проходит по населённому пункту как с коммунально-бытовыми потребителями, так и с объектами сельского хозяйства и общественно значимыми потребителями, что обуславливает необходимость обеспечения высокого уровня электробезопасности населения, проживающего в зоне ее трассы. То есть фактическое расстояния до точки К1 может быть не 880 метров, что соответствует длине 22 пролетов линии от трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ до потребителя №48, а 600-700 м.

Таблица 2 – Полученные расчетные и измеренные значения электрических параметров при устойчивом однофазном коротком замыкании и обрыве фазного провода на землю на опоре №11/1

№ п/п	Метод расчета / измеряемая цепь	Значение тока однофазного короткого замыкания, А	Значение сопротивления до точки однофазного короткого замыкания, Ом
1	Измерение по цепи «фаза-ноль»	230	0,73
2	Измерение по цепи «фаза-земля»	2,52	87,4
3	Расчетный метод петли «фаза-ноль»	148	1,56
4	Расчетный метод по ГОСТ 28249-93	196	1,17

Значение тока ОКЗ при обрыве фазного провода и его падении на землю составляет всего 2,52 А, что в 91 раз меньше чем ток металлического замыкания между фазным и нулевом проводником в этой же точке электрической сети 0,4 кВ и в 59-77 раз меньше расчетных значений, а сопротивление до места замыкания в этом случае составляет 87,4 Ом. В случае реального возникновении ОКЗ при обрыве провода при данном значении тока падение фазного напряжения будет незначительным, что позволит дальше работать потребителям. Значение же тока аварийного режима будет накладываться на ток нагрузки и фактически не повлияет на общий ток в сети. Аварийным режим будет меньше проявляться в случае повреждения на отпайках к одному или нескольким потребителям в наиболее удаленных точках сети, как это представлено на примере исследуемой ВЛ 0,4 кВ. Так как обрыв происходит не в магистрали сети, где протекает основная нагрузка, то фазные токи и ток в нулевой проводнике не изменятся и смещения нейтрали может не возникнуть. В этом заключается трудность устранения данного аварийного режима проявляется в невозможности срабатывания стандартных токовых защит с использованием плавких предохранителей и автоматических выключателей [15], а также использования защит по напряжению. Устойчивое ОКЗ при обрыве фазного провода и его падении не землю также не помогут устранить защиты, основанные на дифференциальном принципе сравнения фазных токов в сети 0,4 кВ, так как при наличии однофазных потребителей ток аварийного режима будет меньше рабочих токов потребителей, что приведет к ложному срабатыванию защиты и невозможности ее отстройки [16]. В источнике [17] предлагается использовать в сельских электрических сетях 0,4 кВ защиты, контролирующие переходные процессы в сети и фиксирующие броски тока. Но с учетом малого значения тока аварийного режима, что было выявлено на примере ВЛ 0,4 кВ №3 ТП 10/0,4 кВ Прб-16-11 ПС 110/10/6 кВ «Приборная», ток аварийного режима сопоставим с током нагрузки мощного однофазного электроприемника: электродвигателя, печи, прибора отопления и др. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время эффективных защит от подобных аварийных режимов нет. Теоретически устранение данного аварийного режима должно осуществляться исходя из значений электрических углов между векторами токов и напряжений, и их изменения при однофазном коротком замыкании. Контроль значений электрических углов должен осуществлять микропроцессорным устройством. Эта функция может быть реализована в разработанных пунктах сетевого секционирования и мультиконтактных коммутационных системах, оснащенных вакуумными контакторами и микроконтроллерным блоком управления [18, 19], а также при реализации концепции цифровых трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ, в которых автоматические выключатели и предохранители заменены вакуумными контакторами, управляемыми микроконтроллерным блоком управления [20], однако это требует ещё практических исследований для подтверждения работоспособности данного метода. Кроме того, указанный режим ОКЗ может ликвидироваться при выявлении факта обрыва провода, например, как в [21].

Заключение.

В ходе исследования, с использованием прибора MZC-300, осуществлялось измерение электрических параметров при возникновении металлического однофазного короткого замыкания фазного и нулевого проводов, а также замыкания фазного провода на землю в электрической сети 0,4 кВ. Выполнялось сравнение результатов измерений с расчетными значениями, полученными с использованием метода симметричных составляющих в соответствии с ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ» и методапетли «фаза-ноль».

Выявлено, что фактическое значение тока металлического однофазного короткого замыкания, полученное измерением с использованием прибора MZC-300 составляет 230 А, что на 14%-36% больше расчетных значений. Наиболее близкие значения были получены по методу расчета токов короткого замыкания в соответствие с ГОСТ 28249-93. Значение тока однофазного короткого замыкания при обрыве фазного провода и его падении на землю составляет 2,52 А, что в 91 раз меньше чем ток металлического замыкания между фазным и нулевом проводником в этой точке электрической сети 0,4 кВ. Измеренное значения сопротивления до места замыкания составляет 87,4 Ом.

На значение тока однофазного короткого замыкания, полученное моделированием обрыва фазного провода и его падением на землю могут оказывать влияние как климатические факторы, так и различные типы почв: песок, бетон, чернозем, глина, супесь и др. Так, полученное значение 3 апреля 2022 года при температуре окружающего воздуха +5◦C может значительно отличаться от значений при другой температуре в другие месяцы года в этой же точке сети.

Известные в настоящее время защиты сельских электрических сетей 0,4 кВ, реагирующие на фазные токи и ток в нулевом проводе, дифференциальные защиты и защиты, функционирующие на основе контроля переходных процессов, не могут устранить исследованный в данной работе режим однофазного короткого замыкания при обрыве фазного провода на землю, что обуславливает актуальность разработки устройств защиты с использованием микроконтроллерной или микропроцессорной техники, осуществляющей мониторинг параметров сети, состояния оборудования сети и управление коммутационными аппаратами.

Aleksandr Aleksandrovich Lansberg, master student of the 1st course of preparation 13.04.02 "Electrical power engineering and electrical engineering", specialist of the laboratory of power supply and heat supply of the FGBNU FNAC VIM