Принцип выявления обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В

Опасность электропоражений людей и животных при эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В (ВЛ-0,38 кВ) общеизвестна [1–9]. Существующие токовые защиты не реагируют на обрывы фазных и нулевого проводов, поэтому ВЛ-0,38 кВ с такими повреждениями длительное время могут находиться под напряжением [8, 9].

Решение задачи распознавания режимов работы ВЛ-0,38 кВ необходимо разделить на следующие части:

• 1)    определение режимов работы ВЛ, связанных с обрывами фазных и нулевого проводов (несимметричных режимов работы) и опасных как для людей и животных, так и подключенных к электрической сети электроприемников;

• 2)    определение нормальных режимов работы электрической сети, на которые устройства защиты не должны реагировать;

• 3)    определение перечня информационных параметров, характеризующих как различные несимметричные, так и нормальные режимы работы ВЛ;

• 4)    выявление логических признаков – параметров электрической сети (в нашем случае различного рода напряжений), различающих и характеризующих разные режимы ее работы;

• 5)    определение логических связей между признаками;

• 6)    построение функциональной схемы устройства защиты – анализатора режима работы электрической сети.

Для определения структуры устройств защиты от несимметричных режимов работы электрической сети напряжением 380 В нужно, с одной стороны, знать параметры сети, на которые они должны реагировать, а с другой стороны, параметры, от которых следует отстраиваться.

Из достаточно большого круга повреждений ВЛ-0,38 кВ выберем наиболее характерные и опасные, связанные с обрывами фазных и нулевого проводов:

• 1)    обрыв фазного провода;

• 2)    обрыв фазного провода с его падением на землю со стороны питания;

• 3)    обрыв нулевого провода;

• 4)    обрыв нулевого провода с его падением со стороны потребителя;

• 5)    одновременный обрыв фазного и нулевого проводов.

В нормальном режиме работы электрической сети следует учесть изменение несимметрии фазных нагрузок питающихся электроприемников, которое оказывает существенное влияние на напряжения в электрической сети.

Для разработки устройства защиты, позволяющего выявлять обрывы фазных и нулевого проводов, проведем анализ изменения напряжений при интересующих нас нормальных и несимметричных режимах работы электрических сетей.

На рис. 1 приведена схема питания потребителей электрической энергии по ВЛ-0,38 кВ. Работу ВЛ рассмотрим при нормальном режиме ее работы и двух вариантах несимметричных режимов электрической сети – обрыве фазного (ОФП) и нулевого (ОНП) проводов. Пунктирными линиями 1 и 2 обозначены два участка ВЛ (сечения 1 и 2) – до и после места возникновения несимметрии ли-

Рис. 1. Принципиальная схема электрической сети напряжением 380 В с воздушной линией электропередачи

нии (со стороны источника питания и со стороны потребителя). На схеме показаны: фазные напряжения на выводах силового трансформатора ( U _А, U _В, U _С) и на вводе потребителя ( U _АN, U _ВN, U _СN) относительно нулевого провода N; напряжение U N.t между нулевым проводом N и землей t; R ЗУ.ТП , R ЗУ.П – сопротивления заземляющих устройств трансформаторной подстанции и потребителя электроэнергии; R П – сопротивление повторных заземлителей ВЛ-0,38 кВ; Z НАГР – сопротивление нагрузки потребителя. На вводе потребителя включен микропроцессорный трехфазный счетчик электроэнергии.

Исследование распределения напряжений в разных точках электрической сети напряжением 380 В с глухо заземленной нейтралью при нормальных и возникновении несимметричных режимов работы проведено с использованием компьютерной модели, построенной на основе программного комплекса Matlab. Компьютерная модель электрической сети с применением системы TN-C включает в себя следующие элементы: энергосистему; силовой трансформатор напряжением 10/0,4 кВ; одиночную, радиальную, четырехпроходную воздушную линию с повторными заземлителями нулевого провода; электрическую нагрузку [10].

Обрывы фазных и нулевого проводов рассматривались в двух точках ВЛ: сразу после питающего трансформатора напряжением 10/0,4 кВ и перед потребителем. При этом учитывалось влияние следующих факторов:

• 1)    изменение сопротивления нагрузки Z НАГР = = R НАГР в одной фазе или в двух фазах одновременно в диапазоне 0–100 % их расчетной мощности;

• 2)    изменение сопротивления заземляющего устройства R_ЗУ.П, установленного в нейтрали трехфазной нагрузки потребителя в диапазоне от 1 Ом до ∞.

Для оценки состояния электрической сети проведено исследование изменений: напряжений фаз UАi.N, UВi.N, UСi.N относительно нулевого провода N воздушной линии в разных точках ВЛ; на- пряжения несимметрии UНС = 3U0 трехфазной системы напряжений относительно нулевого провода; напряжения нулевой последовательности U0; напряжения нулевого провода UNi.t относительно земли.

Диапазоны изменения напряжений электрической сети напряжением 380 В для предельных ее состояний представлены в табл. 1.

На основе этих данных можно определить логические признаки режимов работы электрической сети напряжением 380 В, которые приведены в табл. 2. Они получены путем дискретизации по уровням контролируемых параметров – напряжений фаз относительно нулевого провода U_Фi.N со стороны потребителя и напряжения несимметрии U _НС. В качестве фазного напряжения U_Ф принято фазное напряжение на зажимах трансформатора компьютерной модели при нормальном режиме работы сети и симметричной нагрузке – U Ф = 233,7 В.

Анализ логических признаков, приведенных в табл. 2, показывает:

• 1)    при нормальном режиме работы электрической сети и изменении несимметрии нагрузок потребителя в диапазоне 0–100 % их расчетной мощности напряжения на фазах U_Фi.N меняются в пределах (0,79–1,12)U_Ф, напряжение несимметрии U_НС – (0–0,52)U_Ф;

• 2)    при обрыве фазного провода существенными признаками этого несимметричного режима являются отсутствие напряжения на проводе поврежденной фазы со стороны потребителя U ФП.N = 0 и повышение напряжения несимметрии до величины U НС = (0,7–1,04)U Ф ;

• 3)    при обрыве нулевого провода и предельной несимметрии нагрузок напряжение несиммет-рии может достигать значений U_НС = (1,24–3)U_Ф, а напряжения на фазах находиться в пределах U_Фi.N = (0–1,732)U_Ф. Следует отметить, что предельный режим одновременного полного отсутствия нагрузок на двух фазах и обрыва нулевого провода (соответствующий режиму обрыва двух фазных и нулевого проводов), при котором напря-

  Таблица 1

  Диапазоны изменения напряжений электрической сети напряжением 380 В

  Режим	Величина нагрузки потребителя, %	R ЗУ.П , Ом	В месте возникновения несимметрии со стороны источника питания			В месте возникновения несимметрии со стороны потребителя
  			UAN, В	U BN , В	U CN, В	U AN , В	U BN , В	U CN , В	U НС , В	U 0 , В	U N.t , В
  Нормальный	Z Н.А = 0	1	260,1	190,3	209,3	260,1	190,3	209,3	106,2	35,4	4,2
  		∞	260,7	190,0	209,3	260,7	190,0	209,3	108	36	17,7
  	Z Н.А = Z Н.В =0	1	261,3	237,5	185,2	261,3	237,5	185,2	119,4	39,8	4,7
  		∞	261,9	237,7	184,6	261,9	237,7	184,6	121,8	40,6	19,9
  Обрыв провода фазы А	Z Н.А = 0	1	260,1	190,3	209,3	0	190,3	209,3	164,7	54,9	4,2
  		∞	260,7	190	209,3	0	190	209,3	163,8	54,6	17,7
  	ZН.А = ZН.В = 0	1	261,3	237,5	185,2	0	237,5	185,2	168,9	56,3	4,7
  		∞	261,9	237,7	184,6	0	237,7	184,6	168	56	19,9
  Обрыв провода фазы В	Z Н.А = 0	1	261,3	237,5	185,2	261,3	0	185,2	243,3	81,1	4,7
  		∞	261,9	237,7	184,6	261,9	0	184,6	243,6	81,2	19,9
  	Z Н.А = Z Н.В =0	1	261,3	237,5	185,2	261,3	0	185,2	243,3	81,1	4,7
  		∞	261,9	237,7	184,6	261,9	0	184,6	243,6	81,2	19,9
  Обрыв провода фазы С	Z Н.А = 0	1	237,5	185,2	261,3	237,5	185,2	0	168,9	56,3	4,7
  		∞	237,5	184,6	261,9	237,7	184,6	0	168	56	19,9
  	Z Н.А = Z Н.В =0	1	233,7	233,7	233,7	233,7	233,7	0	233,7	77,9	0
  		∞	233,7	233,7	233,7	233,7	233,7	0	233,7	77,9	0
  Обрыв нулевого провода	Z Н.А = 0	1	235,6	216,5	212,4	328,7	183,8	182,9	289,5	96,5	22,8
  		∞	233,7	221,9	211,1	350,6	182,3	182,3	350,6	116,9	116,9
  	Z Н.А = Z Н.В =0	1	239	231,5	223,4	342,2	343,8	66,4	487,5	162,5	38,4
  		∞	233,7	233,7	233,7	404,8*	404,8*	0*	701,1	233,7	233,7

  
  

  Логические признаки режимов работы ВЛ-0,38 кВ

  Таблица 2

  Режим	Признаки
  	UФi.N, о.е.	U НС , о.е.
  Нормальный	1,12U Ф > U Фi.N > 0,79U Ф	0,52U Ф > U НС > 0
  Обрыв фазного провода	UФП.N = 0	1,04U Ф > U НС > 0,7U Ф
  Обрыв нулевого провода	1,732U Ф > U Фi.N > 0*	3U Ф > U НС > 1,24U Ф

  
  

жения на двух возрастают до линейного значения, а на третьей фазе с нагрузкой (в рассматриваемом случае на фазе С) U ФС.N становится равным нулю (в табл. 1 и 2 значения напряжений помечены звездочкой *), маловероятен. В большинстве случаев напряжение на фазе С U ФС.N будет отличаться от нуля.

Таким образом, видна взаимосвязь контролируемых параметров и характерных режимов работы электрической сети. После этого можно определить структуру дополнительных функций, которыми необходимо дополнить микропроцессорные счетчики электрической энергии с целью выявления обрывов фазных и нулевого проводов, или построить функциональную схему отдельно выполняемого анализатора режимов работы электрической сети.

Рассмотрим возможность использования трехфазных микропроцессорных счетчиков электроэнергии для выявления несимметричных режимов работы ВЛ. На рис. 2 показана схема уста- новки таких счетчиков с передачей информации по силовой электрической сети – PLC-каналу. Современные счетчики, кроме обработки информации о потребляемой электроэнергии, позволяют измерять и вычислять широкий перечень напряжений, токов, мощностей и др., в том числе некоторые показатели ее качества. Кроме того, они позволяют сопоставлять вычисляемые параметры с некоторыми уставками и при выходе их за заданные значения производить отключения потребителей. Например, при недопустимом снижении напряжения на какой-либо фазе счетчик может отключить потребителя [11–13]. Из этого перечня мы используем только информацию о напряжениях фаз относительно нулевого провода и вычисляемое напряжение несимметрии системы трех фазных напряжений относительно нулевого провода.

Предлагается дополнить микропроцессорный счетчик рядом функций, которые позволили бы выявлять несимметричные режимы работы ВЛ и организовывать передачу отключающего импульса

GSM модем

УСПД 164-01М

OF1

ТМГ-160/10 v

А В C N

ТП-10/0,4 кВ

PLC Модем СЕ832С4

По-тре-битель

Потребители

СЕЗОЗ S31

Потребитель

CF109 f^™

Vl— I U4 I.™™*™

ВЛ-380 В

Рис. 2. Схема включения микропроцессорных счетчиков с передачей информации по PLC-каналу по PLC-каналу в трансформаторную подстанцию для отключения автоматического выключателя QF2, установленного в начале ВЛ (см. рис. 2).

В микропроцессорном счетчике в его измерительно-логическом блоке предлагается внести следующие дополнительные функции:

• 1.    Сравнение напряжений на всех трех фазах с некоторой уставкой напряжения U_Фi ≤ U_УСТ.1. Снижение напряжения U_Фi до определенного минимального уровня является признаком обрыва фазного провода.

• 2.    Сравнение напряжения несимметрии с другой уставкой напряжения U НС ≥ U УСТ.2 . Повышение напряжения U НС выше определенного уровня является признаком обрыва нулевого провода.

В данной статье описывается один вариантов набора дополнительных функций для микропроцессорного счетчика электрической энергии, которые могут быть также реализованы в виде отдельного устройства – анализатора режимов работы электрической сети. В результате анализа изменений напряжений фаз сети относительно нулевого провода на вводе потребителя можно выявлять и фиксировать три состояния электрической сети:

• –    нормальный режим работы;

• –    обрыв фазного провода;

• –    обрыв нулевого провода.

На рис. 3, а приведена функциональная схема анализатора режимов работы электрической сети. Здесь обозначено: ПНА, ПНВ, ПНС – преобразователи переменного напряжения в логический сигнал F или F с уставкой но напряжению UУСТ1; С – сумматор напряжений; ПНN – преобразователь переменного напряжения в логический сигнал N или N с уставкой но напряжению UУСТ2; ИА, ИВ, ИС, И1 – логические элементы И; ИЛИ1, ИЛИ2 – логические элементы ИЛИ. На рис. 3, б показана стилизованная диаграмма напряжений анализатора режимов работы при различных состояниях электрической сети.

Напряжения фаз сети относительно нулевого провода U AN , U BN , U CN подаются на входы трех преобразователей ПН А , ПН В , ПН С и входы сумматора С. В результате векторного суммирования трех напряжений на выходе сумматора С получается напряжение несимметрии U _НС системы трех фазных напряжений на вводе потребителя относительно нулевого провода. Преобразователи ПН_А, ПН_В, ПН_С имеют уставку по напряжению U_УСТ1 = 0,1U_Ф, которая обеспечивает изменение выходного сигнала F с логической единицы до логического нуля одного из преобразователей ПН i только при обрыве фазного провода и соответствующем понижении напряжения на фазе U Фi относительно нулевого провода. Преобразователь ПН N имеет уставку по напряжению 0,6U_Ф и его выходной сигнал N изменяется с логического нуля до логической единицы при обрыве нулевого провода и повышении напряжения несимметрии U_НС.

Сигналы F с инверсных выходов преобразователей ПН А , ПН В , ПН С подаются на первые входы логических элементов И одноименных фаз (соответственно И А , И В , И С , рис. 3, а) и на входы логического элемента ИЛИ 1 , а сигналы F с неинверсных выходов преобразователей – на логические элементы И отстающей и опережающей фаз.

Рис. 3. Функциональная схема анализатора режима работы сети (а) и стилизованная диаграмма напряжений (б)

Такая схема соединений в нормальном режиме работы электрической сети обеспечивает запрет для логических элементов И от преобразователей одноименных фаз, а при возникновении обрыва фазного провода и понижении напряжения на фазе – разрешение для логического элемента И поврежденной фазы и подтверждение запрета для логических элементов И здоровых фаз. Логические элементы И_А, И_В, И_С позволяют определять фазу, в которой произошел обрыв провода. Выходной сигнал К (см. рис. 3, б) логического элемента ИЛИ 1 в нормальном режиме равен логическому нулю, а при возникновении обрыва провода на любой из фаз ВЛ становится равным логической единице.

Полученные сигналы К, K, N, N позволяют идентифицировать различные состояния воздушной линии (см. рис. 3, б).

• 1.    Сигналы К и N с инверсных выходов логического элемента ИЛИ 1 и преобразователя напряжения ПН N подаются на входы логического элемента И₁. Его выходной сигнал Е будет равен логической единице только при нормальном режиме работы воздушной линии.

• 2.    Сигнал К на выходе логического элемента ИЛИ₁ равен логической единице при обрыве любого фазного провода.

• 3.    Сигнал N на выходе преобразователя напряжения ПН N равен логической единице при обрыве нулевого провода.

• 4.    Сигнал L на выходе логического элемента ИЛИ 2 равен логической единице как при обрыве

• 5.    С помощью логических элементов И А , И В , И С показывается провод оборванной фазы.

фазных так и нулевого проводов и может быть использован для формирования команды отключения ВЛ.

Функциональная схема может быть дополнена различного рода информационными блоками индикации как режимов работы электрической сети, так и указания вида повреждения.

Микропроцессорный счетчик электрической энергии (или отдельно выполненный анализатор режимов работы электрической сети) устанавливается на конечных участках ВЛ на вводе потребителя (см. рис. 2). При обрывах фазных и нулевого проводов формируется сигнал «Команда отключения», который по PLC-каналу предается на трансформаторную подстанцию, где с помощью блока отключения БО и автоматического выключателя QF2 должно обеспечиваться отключение поврежденной воздушной линии.

Заключение

• 1.    Установленные и приведенные в статье диапазоны изменения напряжений электрической сети напряжением 380 В позволили предложить логические признаки различных режимов работы ВЛ-0,38 кВ.

• 2.    На основании этих признаков предлагается дополнить применяемые в настоящее время в электрических сетях напряжением 380 В микропроцессорные счетчики определенными функциями, позволяющими выявлять обрывы фазных и нулевого проводов.

• 3.    Разработана функциональная схема устройства, включение которого в выпускаемые в нашей стране микропроцессорные счетчики, обеспечит отключение ВЛ-0,38 кВ при возникновении указанных повреждений, что повысит электробезопасность для жителей, получающих электроэнергию в свои дома по этим линиям.