автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение электробезопасности при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий напряжением 380 В

На правах рукописи

Млоток Алексей Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРЫВАХ ФАЗНЫХ И НУЛЕВОГО ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда (электроэнергетика)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 НОЯ 2014

Челябинск - 2014

005555890

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) на кафедре «Безопасность жизнедеятельности».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Сидоров Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

Никольский Олег Константинович заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Электрификация производства и быта» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул.

Ерёмина Тамара Владимировна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», г. Улан-Удэ.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет», г. Чита.

Защита состоится 26 декабря 2014 г., в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (НИУ) по адресу, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1007.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) и на сайте ЮУрГУ http:/Avwv.susu.ac.ru:800I/ru/dissertation/d-21229805/ mlotok-aleksey-vladimirovich.

Автореферат разослан « » -/У_2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, д. 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: +7(351)-267-91-23, e-mail: grigorevma@susu.ac.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета Д2/ д. т. н., доцент

Григорьев

Максим Анатольевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Наиболее частым повреждением в электрических сетях напряжением 380 В с глухозаземлённой нейтралью являются обрывы фазных и нулевого проводов. Это не только приводит к нарушению электроснабжения потребителей, но и создает электро- и пожароопасные ситуации.

Анализ статистических данных показывает, что ежегодно на 100 км линий напряжением 380 В приходится 40-50 повреждений, причем около 40% составляют обрывы фазных проводов.

По данным ОАО «МРСК Урала» каждый год при возникновении указанных электроопасных ситуаций погибает 4-5 человек, в том числе, дети.

Практика эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В показывает отсутствие технических решений, обеспечивающих определение возникновения обрывов фазных и нулевого проводов и отключение опасных участков.

Поэтому обоснование, разработка и внедрение системы защиты, которая позволяет своевременно выявлять обрывы фазных и нулевого проводов и отключать линии, где они произошли, является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнена в соответствии с приказом ОАО «МРСК Урала» от 31.08.2012 г. №233 «О реализации программы по предотвращению электротравматизма сторонних лиц».

Цель работы - создание системы защиты при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий напряжением 380 В (ВЛ-380 В).

Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования напряжений, возникающих в электрической сети при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий напряжением 380 В.

2. На основании указанных исследований обосновать критерии выявления обрывов фазных и нулевого проводов указанных линий.

3. Разработать систему защиты при обрывах фазных и нулевого проводов, основанную на измерении режимных параметров воздушных линий напряжением 380 В.

4. Провести комплексные испытания разработанной системы защиты и оценить повышение уровня электробезопасности в результате её внедрения в практику эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В.

Объект исследования - воздушные линии электропередачи напряжением 380 В при возникновении в них обрывов фазных и нулевого проводов.

Предмет исследования — выявление закономерностей в изменении напряжений в электрической сети при возникновении обрывов фазных и нулевого проводов, позволяющих разработать защиту от указанных режимов.

Методологическая и теоретическая основа исследования: в основу данной работы легли труды И.А. Будзко, Т.Б. Лещинской, Т.В. Ерёминой, O.K. Никольского, И.Ф. Суворова, А.И. Сидорова и других учёных, внесших значительный вклад в науку о развитии электробезопасности при эксплуатации электрических сетей напряжением до 1000 В.

Обоснование и достоверность полученных результатов подтверждаются корректным применением компьютерной модели для анализа возможных режимов на линиях напряжением 380 В, хорошим совпадением этих результатов с данными, полученными на физической модели и в опытной электрической сети, практикой эксплуатации мелкой серии разработанной системы защиты при обрывах фазных и нулевого проводов в электрических сетях Красноармейского РЭС ПО «Центральные электрические сети» филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго».

Научная новизна основных положений и результатов, выносимых на защиту:

1. Установлены закономерности в изменении напряжений, возникающих при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий в электрических сетях напряжением 380 В с изменяющейся несимметричной фазной нагрузкой, позволившие определить логические признаки, обеспечивающие выявление этих обрывов.

2. Разработаны критерии выявления различных режимов работы воздушной линии напряжением 380 В, что обеспечило возможность предложить дополнительные функции для микропроцессорного счетчика электрической энергии с целью использования его для определения появления обрывов на указанной линии.

3. Система защиты при обрывах фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В, отличающаяся от известных тем, что для определения указанных обрывов производится измерение только напряжений в электрической сети в конце воздушной линии, а команда отключения по каналам связи передаётся на коммутационные аппараты, установленные в начале линии.

4. Результаты испытаний разработанной защиты на физической модели и в опытной электрической сети.

Практическая значимость работы и реализация её результатов:

1. Создана система защиты при обрывах фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В, установленная в опытную эксплуатацию на 10 линиях Красноармейского РЭС ПО «Центральные электрические сети» филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго».

2. Применение разработанной системы защиты при эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В повышает уровень электробезопасности не менее чем в 20 раз.

3. Результаты исследований используются в учебном процессе ЮжноУральского государственного университета при подготовке специалистов по направлению «Техносферная безопасность».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные положения, приведённые в диссертации, соответствуют области исследований специальности 05.26.01 - Охрана труда (электроэнергетика), в частности, п. 3 «Разработка методов контроля, оценки и нормирования опасных и вредных факторов производства, способов и средств защиты от них».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и получили одобрение на: V Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (г. Челябинск, 2012 г.); LII и LIII Международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному комплексу» (г. Челябинск, 2013, 2014 гг.); Международной заочной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2013 г.); VII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (г. Душанбе, 2014 г.); 65-й научной конференции «Наука ЮУрГУ» (г. Челябинск, 2013 г.); семинарах аспирантов и докторантов кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ЮУрГУ (2012-2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 работы - в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (116 наименований), семи приложений. Содержит 179 страницы основного текста, в том числе 57 рисунок, 18 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования; определены объект и предмет исследования; изложены научная новизна и практическая ценность работы; приведены основные положения работы, выносимые на защиту; отражены вопросы реализации и апробации полученных результатов.

В первой главе на основании анализа научно-технической литературы по проблеме обрывов фазных и нулевого проводов воздушных линий электрических сетей напряжением 380 В с глухозаземлённой нейтралью показано, что данный вид повреждения в электрической сети является опасным как для электроприёмников в связи с частичной пофазной потерей напряжений или значительной несимметрией напряжений фаз относительно нулевого провода, так и для населения и животных, которые могут оказаться вблизи этого места повреждения.

Установлено также, что обрывы фазных и нулевого проводов воздушных линий являются одним из наиболее частых видов повреждений электрических сетей напряжением 380 В и на их долю приходится от 40 до 62 % общего числа повреждений в указанных сетях.

В Челябинской области протяжённость воздушных линий электропередачи напряжением 380 В, располагающихся вдоль улиц и дорог населённых пунктов и посёлков городского типа, составляет около 13 тыс. км, из них только 3 % выполнены самонесущими изолированными проводами, а остальные — неизолированными проводами. Количество этих линий в Челябинской области составляет около 20230 шт. Каждая такая линия является потенциальным источником повышенной опасности, что подтверждается уровнем их износа - 80-90 %.

На территории, обслуживаемой сетевой компанией ОАО «МРСК Урала» (Свердловская и Челябинская области, Пермский край), с 2004 по 2012 гг. в сетях напряжением 380 В пострадало 57 посторонних лиц, в том числе, 7 детей в возрасте до 14 лет.

Рассмотрим изменение условий электробезопасности при обрыве нулевого провода. Здесь следует проанализировать два варианта: в сети нагрузка распределена по фазам равномерно и нагрузка в сети несимметрична. На рис. 1 приведена схема электрической сети, где произошёл обрыв нулевого провода. В каждом из указанных выше вариантов следует проанализировать два подварианта: обрыв нулевого провода и отсутствие события 3 (замыкание одной из фаз на корпус электроприёмника, подключенного к нулевому проводу) и обрыв нулевого провода с одновременным или несколько более поздним возникновением события 3.

Т ВЛ-380 В

Рис. 1. Схема электрической сети при обрыве нулевого провода и возникновении событий: 1 - прикосновение человека к оборванному нулевому проводу; 2 — прикосновение человека к корпусу электроприёмника (ЭПО, подключенному к нулевому проводу; 3 - замыкание одной из фаз на корпус этого электроприёмника; К-зу.тп - сопротивление заземления нейтрали трансформатора Т; Кш-Кта - сопротивление повторных заземлений нулевого провода ВЛ-380 В; ЯС31 — сопротивление заземления электроприёмника

При обрыве нулевого провода, отсутствии замыкания одной из фаз сети на корпус электроприёмника за местом обрыва и наличии в сети симметричной нагрузки (возникновение событий 1 или 2) не создаёт какую-либо

угрозу для жизни человека. Необходимо отметить, что описанная ситуация в электрических сетях до 1000 В, обеспечивающих электроэнергией любые потребители, практически не возможна.

При одновременном возникновении событий 2 и 3 ток через тело человека определится по формуле:

В предельном случае (Rc3i = 0) ток 1ь будет равен нулю. При RC3i= 00 ток Ih и R-зу.тп = 4 Ом, Rni = 30 Ом и Rh = 1000 Ом и i = 7 получим Ih ~ 129 мА, что также представляет угрозу для жизни человека.

При обрыве любого из фазных проводов и отсутствии касания оборванного провода земли прикосновение человека к этому проводу будет равносильно его включению на фазное напряжение.

Проблемой защиты при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий напряжением 380 В в нашей стране занимались В.А. Андреев, A.B. Григорьев, A.JI. Дубов, Х.М. Желиховский, С.И. Коструба, Р.Ш. Са-гутдинов, В.И. Сукманов, A.M. Федосеев и многие другие, представляющие различные научные, учебные и другие организации.

Найденные ими решения, разработанные устройства не получили широкого распространения, что подтверждается статистикой электротравматизма с посторонними лицами, оказавшимися вблизи места обрыва фазных и нулевого проводов.

Решение этой проблемы требует проведения собственных теоретических и экспериментальных исследований режимных параметров, в частности, изменений напряжений электрической сети, возникающих при обрывах фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований напряжений электрической сети, возникающих при обрывах фазных и нулевого проводов воздушных линий напряжением 380 В, от которых питается изменяющаяся несимметричная фазная нагрузка.

Общеизвестно, что на напряжения и токи в электрической сети в общем случае влияют:

- различные несимметричные режимы работы электроприёмников, искажающих симметрию трёхфазной системы напряжений относительно нулевого рабочего провода при симметричном режиме работы самой электрической сети;

- различные сочетания обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии;

- различные сочетания замыканий фазных проводов с нулевым проводом воздушной линии, а также замыканий этих проводов на землю;

- различные короткие замыкания в параллельных воздушных линиях, питающихся от одной трансформаторной подстанции.

Rh "(К-зутп + Riu) + R

(1)

На рис. 2 представлена принципиальная схема трёхфазной четырёхпро-водной электрической сети, состоящей из трёхфазного трансформатора Т, подключенного к сети напряжением 6-10 кВ, четырёхпроводной воздушной линии и нагрузки потребителей электрической энергии в конце линии.

Т

6-10/0,4 кВ

ВЛ-380 В

Потребитель

//////;//////////V;//////у////////////у

Рис. 2. Принципиальная схема электрической сети напряжением 380 В

На рис. 2 используются следующие обозначения:

К-зу.тп, И-ш R-3y.ii - сопротивления заземляющих устройств трансформаторной подстанции, повторных заземлений нулевого провода воздушной линии и потребителя электроэнергии;

Бн, Zн - мощность и сопротивление нагрузки потребителя;

А, В, С, N - обозначения соответственно фазных и нулевого проводов;

I — потенциал земли;

1 и 2 - пунктирные линии (сечения), обозначающие место возникновения различных повреждений в сети;

иды.ъ ивы.т, исы.т — фазные напряжения относительно нулевого провода на выводах силового трансформатора ^

Ua.ni, Ub.ni> Uc.ni и и д. ив.ыг, ис.к2 - напряжения фазных проводов относительно нулевого провода соответственно до и после повреждения. Напряжения после повреждения примем равными напряжениям на вводе потребителя - на вводных зажимах микропроцессорного счётчика электрической энергии;

и^, им.ь иыг., - напряжения между нулевым проводом N и землёй I;

ОФ и ОН - обозначения соответственно обрывов фазных и нулевого проводов.

В диссертации были рассмотрены следующие режимы работы электрической сети:

1. Нормальный режим работы электрической сети, при котором трансформаторная подстанция и воздушная линия находятся в рабочем состоянии.

2. Обрывы фазных проводов воздушной линии.

3. Обрывы пулевого провода.

4. Одновременный обрыв фазных и нулевого проводов.

5. Короткие замыкания.

В каждом из указанных режимов рассматривались различные подрежимы, и их общее число составило 34.

Аналитические исследования режимных параметров электрической сети напряжением 380 В представляются достаточно трудоёмким процессом. Объясняется это тем, что для каждого из 34 подрежимов электрической сети необходимо решать соответствующие им уравнения состояния сети. Кроме этого, наличие несимметричной нагрузки также приводит к усложнению математической модели.

Снижение временных затрат без искажения результатов исследований можно обеспечить применением компьютерного моделирования. Нами для дальнейших исследований была применена компьютерная модель электрической сети напряжением 380 В типа ТЫ-С.

Выполненные на компьютерной модели исследования и установленные при этом закономерности в изменениях напряжений фазных проводов относительно нулевого провода иф^м2 и напряжения нулевой последовательности ио.2 после места возникновения повреждений (в конце линии) позволили обосновать критерии выявления обрывов фазных и нулевого проводов. Так, для воздушной линии напряжением 380 В критерием целостности фазных проводов является снижение напряжения на любой из фаз иошг до величины 33 В (0,15-иф). Если указанные напряжения меньше этой величины — произошёл обрыв хотя бы одного фазного провода. Критерием целостности нулевого провода является повышение напряжения нулевой последовательности ио.2 До величины 44 В (0,2-иф) при наличии несимметрии фазных нагрузок.

Значения указанных напряжений следует учесть при определении минимальной иусп и максимальной иустг уставок разрабатываемой системы защиты.

По выбранным критериям на компьютерной модели была проверена возможность выявления любого из 34 рассмотренных нами режимов электрической сети. Результаты этого исследования представлены в табл. 1.

В третьей и четвёртой главах представлены соответственно разработка системы защиты от обрывов фазных и нулевого проводов ВЛ-380 В и результаты экспериментальных исследований как режимов работы электрической сети, так и системы защиты на физической модели и в опытной электрической сети.

С целью проверки адекватности результатов компьютерного моделирования последние были проверены на физической модели и в опытной электрической сети. Исследования на физической модели электрической сети нормального режима, режимов обрыва фазных и нулевого проводов при широком изменении различных параметров электрической сети (измене-

ние нагрузки в одной или двух фазах одновременно в диапазоне от 100 % до 0 % максимальной расчётной мощности Рн.макс; изменение сопротивления заземляющего устройства потребителя) позволили получить результаты, практически совпадающие с данными компьютерного моделирования.

Таблица 1

Анализ возможности использования выбранных критериев для распознавания режимов работы электрической сети напряжением 380 В

Возможность использования параметра Номера режимов работы электрической сети

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ифШ2 + + + + + + + + + + + ±

+ + + + + + + + + + - ±

Возможность использования системы защиты + + + + + + + + + + + +*

Нормальный режим (НР) Аварийный режим

Продолжение табл. 1

Возможность использования параметра Номера режимов работы электрической сети

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

ифШ2 ± ± ± ± + + + + + + ± ±

Цо.Ш ± ± ± ± ± ± + ± + + ± ±

Возможность использования системы защиты +* +* +* +* + + + + + + +* +*

Аварийный режим

Окончание табл. 1

Возможность использования параметра Номера режимов работы электрической сети

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

и®Ш2 + + - + + - - - + +

+ + - - + ± - ± + +

Возможность использования системы защиты + + - + + - - - + +

Аварийный режим НР

+* означает, что режим может быть выявлен при наличии несимметрии нагрузки в сети (в воздушных линиях напряжением 380 В несимметрия нагрузки является характерным признаком)

В опытной электрической сети, спроектированной нами и построенной на полигоне филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго», было исследовано 53 различных подрежима, которые также подтвердили адекватность компьютерной модели. В табл. 2 представлено сопоставление результатов исследований режимов работы электрической сети напряжением

380 В с её предельными параметрами на компьютерной и физической моделях и в опытной электрической сети.

Таким образом, выполненные нами исследования режимных параметров (напряжений фаз относительно нулевого провода U<w.n2 и напряжения нулевой последовательности U0.2) позволили выявить и обосновать критерии для определения появления в электрической сети напряжением 380 В обрывов фазных и нулевого проводов. Это обеспечило возможность перехода к построению системы защиты от указанных аварийных режимов.

Развитие интеллектуальных электросетей (Smart Grid) привело к появлению «Smart Metering» (интеллектуального учёта электроэнергии). Микропроцессорные счётчики электрической энергии, обрабатывая входные напряжения и токи, обладают широкими функциональными возможностями. Если эти счётчики наделить дополнительными функциями, позволяющими определять состояние электрической сети, и, используя каналы передачи данных, передавать команду отключения повреждённой линии в трансформаторную подстанцию, то можно построить систему защиты воздушной линии от обрывов фазных и нулевого проводов. Существенной особенностью, отличающейся от известных аналогов, является то, что разработанная система защиты построена на измерении напряжений в конце воздушной линии, а команда отключения передаётся по каналам связи (например, сотового оператора связи GSM) на коммутационные аппараты, установленные в начале линии.

На рис. 3 представлена функциональная схема системы защиты от обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии электрической сети напряжением 380 В, а на рис. 4 показаны функциональные блоки, дополнительно введенные в микропроцессорный счётчик электрической энергии.

Рис. 3. Функциональная схема системы защиты от обрывов фазных и пулевого проводов

Таблица 2

Сопоставление результатов исследований режимов работы электрической

сети напряжением 380 В на компьютерной и физической моделях _и в опытной электрической сети (Язуп = °° Ом)_

№ п/п Режим работы воздушной линии Фазные нагрузки, % Рн.макс Напряжения сети, o.e. Результаты исследований

на компьютерной модели на физической модели в опытной электрической сети

1 Нормальный режим работы РНА= 100% Рнв= 100% Рн.с= Ю0% Ua.n2 0,9 0,916 0,995

Ub.n2 0,9 0,913 0,996

Uc.n2 0,9 0,906 1,002

U0.2 0 0,0026 0,002

2 Рн.а = 0 Рн.в= 100% Р„ с - 100% Ua.n2 1,115 1,084 1,186

ub.n2 0,813 0,885 0,904

Uc.n2 0,895 0,906 0,998

Uo.2 0,154 0,107 0,138

3 Рн.а — 0 Рн.в = о Рн.с = 100% ua.n2 1,118 1,085 1,192

ub.n2 1,016 1,024 1,084

Uc.n2 0,792 0,842 0,894

Uo.2 0,170 0,115 0,154

4 Обрыв провода фазы А Рн.в = 100% Рн.с= 100% Ua.N2 0 0,0021 0,0018

Ub.N2 0,810 0,859 0,926

Uc.N2 0,906 0,911 1,028

Uo.2 0,242 0,262 0,284

5 Рн.в = 0 % Рн.с = Ю0% Ua.N2 0 0,0023 0,0012

Ub.N2 0,999 1,024 1,099

Uc.N2 0,805 0,843 0,928

Uo.2 0,236 0,277 0,279

6 Рн.в = 100% Рн.с= 0% Ua.n2 0 0,0024 0,0014

Ub.N2 0,805 0,846 0,923

Uc.N2 1,117 1,081 1,219

Uo.2 0,354 0,331 0,386

7 Рн.в = 0 % Рн.с = 0 % Ua.n2 0 0 0

Ub.n2 1,00 1,012 1,009

Uc.N2 1,00 1,00 1,003

Uo.2 0,333 0,334 0,333

8 Обрыв нулевого провода Рн.а — 100% Рн.в = 100% Рн.с = 100% Ua.n2 0,9 0,914 0,988

Ub.n2 0,9 0,911 0,988

Uc.N2 0,9 0,913 0,991

Uo.2 0 0,0026 0,0014

9 Рн.а = 0 Рн.в = 100 % Рн.с = 100% Ua.n2 1,500 1,515 1,5000

Ub.N2 0,78 0,79 0,860

Uc.N2 0,78 0,798 0,858

Uo.2 0,50 0,503 0,50

10 Рн.а = 0,1-0,18% Рн.в = 0,1-0,18% Рн.с — 100% Ua.n2 1,730 1,733 1,731

Ub.N2 1,730 1,733 1,731

Uc.N2 0,0002 0,0037 0,0042

Uo.2 0,9987 1,00 1,00

Рис. 4. Функциональные блоки, дополнительно введённые в микропроцессорный счётчик электрической энергии

На рис. 3, 4 обозначено: 1 - трансформаторная подстанция; 2 - автоматический выключатель; 3 — воздушная линия; 4 — микропроцессорный счётчик электрической энергии; 5 - блок измерения фазных напряжений относительно нулевого провода; 6 — блок дополнительных функций; 7 — блок формирования команды отключающего сигнала; 8 - канал передачи команды отключающего сигнала (например, по каналу сотового оператора связи GSM); 9 — исполнительный блок; 10, 11, 12, 15 — преобразователи мгновенного фазного напряжения в логический сигнал; 13, 16 - логические блоки ИЛИ; 14 — блок суммирования трёх мгновенных фазных напряжений относительно нулевого провода.

При построении системы защиты использовано напряжение несимметрии Uhc трёхфазной системы напряжений относительно нулевого провода, которое связано с напряжением нулевой последовательности соотношением Uhc = 3-U.0- Напряжение Uo ранее рассматривалось в работе при исследовании режимов работы электрической сети напряжением 380 В.

При нормальном режиме работы электрической сети значения напряжений фаз относительно нулевого провода близки к номинальным значениям, а напряжение нулевой последовательности U0 даже при предельных вариантах несимметрии фазных нагрузок потребителя (отсутствие нагрузки на одной или сразу на двух фазах) не превышает 17 % иф, а напряжение несимметрии Uhc, соответственно, 51 % иф. От этого напряжения нужно отстраивать систему защиты при нормальном режиме работы электрической сети — обеспечивается выбором максимальной уставки Uycre = 0,6-иф.

При обрыве фазного или нулевого провода возникает аварийная ситуация на четырёхпроводной воздушной линии, опасная как для электрооборудования электрической сети, потребителей электрической энергии, так и для людей и животных, находящихся вблизи оборванных проводов:

— при обрыве фазного провода напряжение на фазе относительно нулевого провода за местом повреждения (со стороны потребителя - на входе микропроцессорного счётчика) становится близким к нулевому значению. С учётом возможных напряжений на оборванном фазном проводе со стороны потребителя (до 10 % и®), возникающих при определённых режимах работы электрической сети, минимальная уставка системы защиты принята иУСт1 = 0,15-иФ;

— при обрыве нулевого провода напряжения на участке электрической сети за местом повреждения (со стороны потребителя — на входе микропроцессорного счётчика) зависят от симметрии фазных нагрузок потребителя и, как показали выполненные нами ранее исследования, их значения могут находиться в пределах

• при изменении нагрузки на одной фазе

Г 1,0-иФ>иФШ2> 1,5-иФ;

0<инс<1,5-иФ и \ (2)

I 1,0-иФ>иФШ2>0,866-иФ;

• при изменении нагрузки на двух фазах

1,(ЮФ > 11<м.м2 > 1,732-иФ = ил;

о < инс < з,о-иФ и

(3)

1,0-иФ>иФца>0.

Выбор максимальной уставки иуст2 = 0,6-иф означает, что система защиты будет выявлять обрыв нулевого провода в том случае, если напряжение несимметрии превысит значение инс > 0,6-иФ, то есть при наличии определённой несимметрии фазных нагрузок потребителей, которая характерна при питании однофазных электроприёмников. Это отмечено в примечании к табл. 2 и относится к режимам 12-16, 23, 24, которые возникают при обрыве нулевого провода воздушной линии.

Логика изменений напряжений фаз относительно нулевого провода и напряжения несимметрии и была использована нами для выявления обрывов соответственно фазных и нулевого проводов.

Система защиты от обрывов фазных и нулевого проводов, основой которой является доработанный Производителем по нашему заданию микропроцессорный счётчик электрической энергии, была исследована в различных режимах на физической модели и в опытной электрической сети. Результаты проведённых испытаний полностью подтвердили работоспособность разработанной нами системы, что зафиксировано в соответствующих Актах, приведённых в диссертации.

На рис. 5, 6 представлены физическая модель и фрагмент опытной электрической сети с доработанным микропроцессорным счётчиком электрической энергии.

Рис. 5. Стенд для испытаний разработанной системы защиты на физической модели электрической сети

Рис. 6. Испытания разработанной системы в опытной электрической сети

В настоящее время ведётся опытная эксплуатация системы защиты на 10 линиях Красноармейского РЭС ПО «Центральные электрические сети» филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго».

Изменение уровня электробезопасности в электрических сетях с глухо-заземлённой нейтралью, образованных воздушными линиями 380 В, было оценено с помощью логико-вероятностного метода, адаптация которого к указанным сетям была ранее выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности» Южно-Уральского государственного университета.

Расчёты показывают, что внедрение в практику эксплуатации разработанной нами системы защиты обеспечит повышение уровня электробезопасности не менее чем в 20 раз. Кроме того, это внедрение обеспечивает социально-экономический эффект, обусловленный предотвращением гибели людей и животных.

Основные выводы

В диссертационной работе предложено новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящее в обеспечении условий электробезопасности при эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В посредством внедрения в эксплуатацию разработанной системы защиты при обрывах фазных и нулевого проводов в указанных линиях.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы работы:

1. На компьютерной модели электрической сети напряжением 380 В были проведены исследования 34 подрежимов, результаты которых позволили установить закономерности в изменениях напряжений в этой сети при обрывах фазных и нулевого проводов.

2. Анализ установленных закономерностей в изменении напряжений при возникновении обрывов фазных и нулевого проводов дал возможность обосновать логические признаки, характеризующие различные режимы, возникающие при эксплуатации воздушных линий напряжением 380 В, и позволяющие выявлять эти режимы.

3. Исследования в опытной электрической сети, а также реальных электрических сетях подтвердили достоверность результатов, полученных на компьютерной модели сети.

4. Разработана система защиты при обрывах фазных и нулевого проводов, основанная на применении микропроцессорного счетчика электроэнергии, логическая часть которого дополнена программой (функциями) выявления обрывов фазных и нулевого проводов.

5. Предложена организация передачи команды отключения в электрической сети напряжением 380 В с периферийных устройств на аппараты коммутации воздушных линий.

6. Внедрение разработанной системы защиты при обрывах фазных и нулевого проводов позволит повысить уровень электробезопасности в

электрической сети с глухозаземленной нейтралью, содержащей воздушные линии электропередачи напряжением 380 В, не менее чем в 20 раз.

7. Опытная партия (10 экз.) системы защиты при обрывах фазных и нулевого проводов установлена на воздушных линиях Красноармейского РЭС филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго».

Основные научные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Валеев, Р.Г. Моделирование электрической сети напряжением 380 В с воздушными линиями в программной среде Matlab-Simulink [Текст] / Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, A.M. Ершов, А.И. Сидоров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2013. - № 9-10. - С. 116-128.

2. Ершов, A.M. Исследование аварийных режимов в сельских электрических сетях напряжением 380 В [Текст] / A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, А.И. Сидоров // Техника в сельском хозяйстве. - 2013. -№6.-С. 18-21.

3. Млоток, A.B. Принцип выявления обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В [Текст] / A.B. Млоток // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика.-2014.-Т. 14.-№ 1.-С. 41--Г7.

Публикации в других изданиях:

4. Ершов, A.M. Построение защиты воздушных линий электропередачи напряжением 380 В от однофазных замыканий на землю [Текст] / A.M. Ершов, А.И. Сидоров, Р.Г. Валеев, A.B. Млоток // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сборник материалов V Международной научно-практической конференции. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. - Т. 1. - С. 223- 227.

5. Валеев, Р.Г. Методика проведения экспериментальных исследований параметров воздушных линий электропередачи напряжением 380 В [Текст] / Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, А.И. Сидоров, A.M. Ершов, Е.Л. Шахин. -Электробезопасность. - 2012. - № 2-3. - С. 3-10.

6. Валеев, Р.Г. Компьютерная модель для исследования несимметричных режимов работы воздушных линий напряжением 380 В [Текст] / Р.Г. Валеев, A.M. Ершов, А.И. Сидоров, A.B. Млоток // Материалы L1I Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2013. - 4.V. -С. 131-135.

7. Валеев, Р.Г. Исследование токов и напряжений в различных режимах работы воздушных линий напряжением 380 В на компьютерной модели [Текст] / Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, A.M. Ершов, Г.С. Валеев, А.И. Сидоров // Наука ЮУрГУ: материалы 65-й научной конференции. Секции тех-

нических наук. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. - Т.2. -С. 149-150.

8. Ершов, A.M. Физическая модель для исследования несимметричных режимов работы электрической сети напряжением 380 В [Текст] / A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, А.И. Сидоров // Энергетика в современном мире: Сборник статей VI Международной заочной научно-практической конференции. - Чита: ЗабГУ, 2013. - С. 46-52.

9. Млоток, A.B. Актуальность разработки защит воздушных линий напряжением 380 В от обрывов фазных и нулевых проводов [Текст] / A.B. Млоток // Материалы LIII научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2014.-Ч. IV.-С. 144-150.

10. Млоток, A.B. Опытная электрическая сеть напряжением 380 В [Текст] / A.B. Млоток, A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, А.И. Сидоров. - Вестник Инженерной школы ДВФУ. - 2014,- № 2 (19). - С. 96-107.

11. Ершов, A.M. Разработка физической модели электрической сети напряжением 380 В [Текст] / A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, А.И. Сидоров, A.B. Млоток. - Электробезопасность. - 2014. - № I. - С. 3-18.

12. Млоток, A.B. Основные опасности, возникающие при обрывах фазных и нулевого проводов [Текст] / A.B. Млоток. - Электробезопасность. -2014,-№2.-С. 3-9.

13. Млоток, A.B. Повышение уровня электробезопасности в сетях 0,4 кВ при внедрении системы защиты от обрывов фазных и нулевого проводов [Текст] / A.B. Млоток // Электробезопасность. - 2014. - № 3. -С. 33-37.

14. Сидоров, А.И. О защите электрических сетей напряжением 380 В от аварийных режимов [Текст] / А.И. Сидоров, A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, A.B. Млоток // Материалы VII международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования». - Душанбе: ТТУ, 2014.-Ч. I. - С.78-82.

Млоток Алексей Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРЫВАХ ФАЗНЫХ И НУЛЕВОГО ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В

Специальность 05.26.01 — «Охрана труда (электроэнергетика)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 29.10.2014. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 70 экз. Заказ 438/563.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.