Результаты опытно-промышленной эксплуатации устройства секционирования линий электропередачи 0,4 кВ МКС-2-3В

Введение . Проблема защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ от токов однофазного короткого замыкания (КЗ) является актуальной на протяжении длительного периода времени. Это обусловлено низкими значениями токов аварийного режима однофазного КЗ в наиболее удалённых точках электрической сети 0,4 кВ. Низкие значения токов аварийного режима связаны с завышенной протяжённостью электрических сетей 0,4 кВ, малым сечением используемых проводов и небольшой мощностью силовых трансформаторов, что приводит к большим значениям сопротивления петли «фаза-0». Совокупность данных особенностей не обеспечивает возможности отключения тока однофазного КЗ за 0,4 секунды, установленные пунктом 1.7.79 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) для фазного напряжения 220 В при заземлении нейтрали типа TN [1].

С целью повышения защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ от однофазных КЗ на протяжении длительного периода времени предлагались различные способы и технические решения. Одним из технических решений является сетевое секционирование линий электропередачи 0,4 кВ. Впервые этот способ был предложен Спеваковым П.И. в конце 1930-ых [2]. Предложенный способ заключается в установке в рассечку проводов электрической сети 0,4 кВ автоматических выключателей и плавких предохранителей, позволяющих сократить зону действия защитного коммутационного аппарата, установленного на вводе линии электропередачи 0,4 кВ. Аналогичные технические решения на протяжении длительного периода времени предлагались учёными НИУ МЭИ, РГАУ-МСХА.

В последние годы 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, заключающаяся в использовании секционирующих предохранителей по протяжённости воздушной линии электропередачи 0,4 кВ [3]. Концепция была проиллюстрирована на примере повышения защищённости от однофазных КЗ радиальной воздушной линии электропередачи 0,4 кВ, подключенной к трансформатору мощностью 160 кВА со схемой и группой соединения обмоток Y/Y н -0 протяжённостью 500 метров (провод сечением 35 мм²) [4]. Выявлены зависимости, которые позволяют определить место установки секционирующих плавких предохранителей, что обеспечивает срабатывание защитных коммутационных аппаратов за время не более 5 с [5]. Данные исследования позволили разработать методики выбора места установки секционирующих плавких предохранителей [6], что позволяет повысить электробезопасность эксплуатации воздушных линий электропередачи 0,4 кВ в 50 и более раз [7].

Более современным техническим решением, предложенным Виноградовой А.В., является секционирующий пункт, который позволяет осуществлять функции защиты и автоматики в сельских электрических сетях 0,4 кВ [8, 9]. Секционирующий пункт был внедрён в промышленную эксплуатацию в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» в 2016 году. Коммутационным аппаратом в секционирующем пункте, который обеспечивает включение и отключение электрической сети 0,4 кВ, является вакуумный контактор [10]. Управление секционирующим пунктом осуществляется микроконтроллерным блоком управления, в том числе, производящим измерение параметров электрической сети 0,4 кВ [11]. Для выбора места установки секционирующих пунктов в электрической сети 0,4 кВ разработаны методики, которые учитывают эффекты от повышения защищённости электрической сети 0,4 кВ от однофазных КЗ и надёжности электроснабжения потребителей [12, 13]. Предложены технические решения по способам крепления секционирующего пункта на опорах сельской электрической сети 0,4 кВ [14]. Также осуществлено технико-экономическое обоснование использования устройства на примере электрической сети 0,4 кВ с производственными сельскохозяйственными потребителями [15].

Модернизированными версиями секционирующего пункта, которые учитывают особенности конфигурации электрической сети 0,4 кВ, являются мультиконтактные коммутационные системы, например, типа МКС-2-3В [16, 17]. Мультиконтактные коммутационные системы оснащены вакуумными контакторами, что соответствует современному уровню развития электрооборудования в мире. Управление устройствами осуществляется микроконтроллерными блоками управления, непрерывно передающим данные о работе устройств диспетчеру электросетевой организации.

В рамках данной концепции в июне 2023 года в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» было внедрено устройство МКС-2-3В, предназначенное для секционирования линии электропередачи 0,4 кВ с отпайкой. Внешний вид разработанного устройства в ходе опытно-промышленной эксплуатации в августе 2023 года представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Устройство секционирования линий электропередачи 0,4 кВ МКС-2-3В в ходе опытно-промышленной эксплуатации

Устройство разработано в рамках гранта от Фонда содействия инновациям по договору №17749ГУ/2022 от 13 мая 2022 года и является аналогом реклоузера для электрических сетей 0,4 кВ. На разработанное устройство получен патент РФ №2802722. Устройство МКС-2-3В содержит 2 низковольтных вакуумных контактора для секционирования магистрального участка и отпайки, так как 90% сельских электрических сетей 0,4 кВ имеют одну отпайку в точке разветвления линии [18]. Управление контакторами осуществляется микроконтроллерным блоком, который с использованием датчиков тока и напряжения обеспечивает мониторинг фазных напряжений, фазных токов и токов в нейтральных проводах в точке установки устройства МКС-2-3В. Данные электрические параметры в совокупности с положением вакуумных контакторов передаются в центр управления сетями с использованием SCADA-системы ОИК «СИСТЕЛ». Это позволяет диспетчеру электросетевой компании непрерывно получать данные о состоянии электрической сети и обеспечивать, при необходимости, управление её конфигурацией за счёт включения или отключения контакторов устройства. Одной из основных задач МКС-2-3В является защита сети от удалённых однофазных коротких замыканий в отпайке и на участке магистрали за устройством, отключение и локализация повреждённого участка. Рассмотрим результаты опытно-промышленной эксплуатации устройства.

Цель работы заключается в обзоре результатов опытно-промышленной эксплуатации устройства сетевого секционирования линий электропередачи 0,4 кВ типа МКС-2-3В.

Материалы и методы исследования. В ходе исследования использовались методы инженерного эксперимента, эмпирических исследований. Согласно договору «Об оказании услуги по проведению опытно-промышленной эксплуатации оборудования», заключенного между ФГБНУ ФНАЦ ВИМ и филиалом ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», устройство сетевого секционирования линий электропередачи 0,4 кВ – МКС-2-3В, было внедрено в электрическую сеть 0,4 кВ с диспетчерским наименованием ВЛ 0,4 кВ №1 КТП 10/0,4 кВ Кул-5-3. Поопорная схема электрической сети 0,4 кВ, в которую было установлено устройство МКС-2-3В, представлена на рисунке 2. Как было отмечено ранее, монтаж устройства на опоре №7 был произведён 27 июня 2023 года.

За время эксплуатации в рамках программы опытно-промышленной эксплуатации было совершено 3 технических осмотра устройства, в рамках которого контролировались различные дефекты, отмеченные в программе опытнопромышленной эксплуатации. Следует отметить, что при каждом из осмотров не было зафиксировано ни одного дефекта.

Так как предлагаемое устройство МКС-2-3В предназначено для повышения надежности электроснабжения, то наиболее целесообразно оценить социальный эффект для населения Орловского района, подключенного к рассматриваемой линии электропередачи 0,4 кВ, на примере сокращения количества жалоб на надёжность электроснабжения. Так, в центре обращения потребителей филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» были взяты данные с 2018 года по настоящее по жалобам потребителей, подключенных к ВЛ 0,4 кВ №1 ТП Кул-5-3. Они представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Жалобы потребителей ВЛ 0,4 кВ №1 ТП Кул-5-3

№ п/п	Дата обращения	Причина обращения	Номер потребителя	Опора
1	22.10.2018	Качество электроэнергии	1	№1/2
2	13.02.2019	Частые отключения электроэнергии	4	№2/1
3	25.02.2019	Частые отключения электроэнергии	4	№2/1
4	03.10.2020	Частые отключения электроэнергии	4	№2/1
5	10.04.2021	Качество электроэнергии	4	№2/1

В таблице 1 представлены 5 жалоб, зафиксированных специалистами электросетевой организации. Среди 5 жалоб 2 связаны с тематикой качества электроэнергии, а другие 3 – с надежностью электроснабжения, которые следует рассматривать при оценке социального эффекта от внедрения устройства секционирования МКС-2-3В.

Рисунок 2 – Поопорная схема электрической сети 0,4 кВ, в которой осуществлялась опытно-промышленная эксплуатации устройства МКС-2-3В

С учётом вышеизложенного материала рассмотрим результаты опытнопромышленной эксплуатации устройства секционирования МКС-2-3В, в электрической сети 0,4 кВ Орловского района.

Результаты исследований и их обсуждение.

Социальный эффект от внедрения устройства МКС-2-3В можно представить в виде таблицы 2, в которой отображены жалобы с момента до установки устройства и после установки устройства в электрическую сеть 0,4 кВ.

Таблица 2 – Социальный эффект от внедрения устройства МКС-2-3В в виде жалоб потребителей на надежность электроснабжения

Жалоб до установки устройства, шт.	Жалоб после установки устройства, шт.
3	0

Исходя из таблицы 2, можно сделать вывод, что с 27.06.2023 года в рассматриваемой электрической сети 0,4 кВ не наблюдалось жалоб на надёжность электроснабжения.

При установке устройства секционирования линий электропередачи 0,4 кВ МКС-2-3В в июне 2023 года была организована передача данных, фиксируемых микроконтроллерным блоком управления устройством. Передача осуществляется через роутер в центральную приемо-передающую станцию ЭНТЕК с последующей трансляцией информации в SCADA-систему «Оперативно-информационный комплекс (ОИК) «SYSTEL». Данная SCADA-система используется как в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», так и в других филиалах компаний ПАО «Россети Центр» и ПАО «Россети Центр и Приволжье». В указанной SCADA-системе была разработана мнемосхема устройства секционирования МКС-2-3В, которая представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Мнемосхема устройства МКС-2-3В в SCADA-системе ОИК «SYSTEL»

Разработанная мнемосхема, представленная на рисунке 3, позволяет в режиме реального времени обеспечивать контроль работы устройства. Мнемосхема позволяет реализовывать следующие функции: контролировать текущее положение вакуумных контакторов устройства; обеспечивать переключение управления устройством с местное на дистанционное; посылать сигналы на включение и отключение вакуумных контакторов устройства и реализовывать их блокировку; обеспечивать мониторинг напряжений на участках линий электропередачи 0,4 кВ, отходящих от устройства; а также фиксировать численные значение токов однофазного короткого замыкания при аварийных режимах работы электрической сети. Так, график напряжений на отпайке устройства МКС-2-3В за 3 ноября 2023 года в SCADA-системе ОИК «SYSTEL» представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – График напряжений на отпайке устройства МКС-2-3В за 3 ноября 2023 года в SCADA-системе ОИК «SYSTEL»

Диспетчер электрических сетей Орловского РЭС может в режиме реального времени контролировать электрические параметры сети 0,4 кВ с устройством секционирования МКС-2-3В и управлять ею, находясь в десятках километров от нее. В частности, SCADA-система ОИК «SYSTEL» позволяет выгрузить архив данных по телесигналам, телеизмерениям и телеуправлению с устройства за определенный период времени.

Таким образом, технический эффект от использования устройства секционирования в электрической сети 0,4 кВ заключается в обеспечении мониторинга электрических параметров сети, повышения надёжности электроснабжения за счёт сокращения времени перерывов в электроснабжении потребителей и защищённости от удалённых однофазных коротких замыканий. За счёт ограничения зоны действия защитного автоматического выключателя, установленного в начале линии электропередачи 0,4 кВ, до точки установки устройства секционирования, удалось повысить чувствительность защитных коммутационных аппаратов к токам однофазных коротких замыканий в 4,6 раза [19].

В ходе опытно-промышленной эксплуатации не удалось зафиксировать случаи срабатывания устройства секционирования при возникновении аварийных режимов, вызванных короткими замыканиями. В свою очередь, преднамеренные короткие замыкания на действующей сети реализованы не были для предотвращения порчи электроприёмников коммунально-бытовых потребителей и травмирования персонала электросетевой компании.

Экономическими эффектами от использования предлагаемого устройства сетевого секционирования линий электропередачи 0,4 кВ типа МКС-2-3В является сокращения ущербов недоотпуска электроэнергии, неоплаты за электроэнергию, устранений аварийных отключений персоналом электросетевых компаний. Подробно данные эффекты в данной работе не рассматриваются.

Выводы.

В работе рассматриваются результаты опытно-промышленной эксплуатации устройства секционирования МКС-2-3В в электрической сети 0,4 кВ Орловского района, обслуживаемой филиалом ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго». Выявлено, что в результате использования устройства МКС-2-3В удалось добиться социального эффекта для сельских коммунально-бытовых потребителей за счёт сокращения жалоб на отключения с 3 единиц до установки устройства до 0 жалоб после установки устройства. Технический эффект от использования устройства секционирования МКС-2-3В заключается в обеспечении мониторинга электрических параметров сети 0,4 кВ, которые передаются диспетчеру Орловского РЭС с использованием SCADA-системы ОИК «СИСТЕЛ». За счёт использования устройства МКС-2-3В удалось повысить чувствительность защитных коммутационных аппаратов к токам однофазных коротких замыканий в 4,6 раза по сравнению с радиальной схемой.