автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение надежности функционирования однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ в распределительных электрических сетях

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) ß р g Q Д

~ 3 AHR

На правах рукописи

ГОНЧАРОВ Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОДНОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 кВ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2000

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Молодцов Виктор Семенович кандидат технических наук доцент Нагай Владимир Иванович

Ведущая организация:

Государственное унитарное предприятие Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.

Защита состоится У, ОО ? • /а" на заседании диссертационного совета Д 063.30.01 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте), 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана ■/'О. 00 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.А. Золотарев

Ш9.1М-ПЫ.К О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В практике эксплуатации распределительных электрических сетей наблюдаются повреждения однофазных электроприемников (ЭГ1) напряжением 220 В при обрыве нулевого провода. Выпускаемые электротехнической промышленностью устройства защиты в этих условиях зачастую неэффективны.

Действующий ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии нормирует показатели ее качества. В частности, установившееся значение отклонений напряжения не должно превышать ± 5%, а предельное значение - ± 10%. Под отклонением напряжения понимают разность между действительным (11) и номинальным (итол1) напряжениями, выраженную в процентах

зи^-и»™ юо%. ива„

Значительную долю потребителей электроэнергии составляет сфера быта, т.е. однофазные и трехфазные приемники напряжением до 1 кВ, среди них важную долю составляют жилые дома, административные, офисные и общественные здания, получающие и потребляющие электроэнергию на напряжении 0,4 кВ. В последние годы четко прослеживается рост претензий указанных потребителей к поставщикам электроэнергии за ненадлежащее качество электрической энергии, обусловившее повреждения приемников, прежде всего, дорогостоящей видео - и аудиоаппаратуры, персональных компьютеров, холодильников и др.

Статистические данные по г. Ростову-на-Дону показывают, что ежегодно Ростовские городские электрические сети выплачивают в виде штрафов за повреждение бытовой техники более 30 тыс. руб. При этом, как показал анализ, 2/3 исков отклоняется по разным причинам. Таким образом, ежегодный ущерб из-за отклонений напряжения составляет в первом приближении 0,1 руб. на одного человека без учета морального ущерба. Моральный ущерб (по публикациям в печати) в этом случае может быть принят равным материальному, т.е. суммарный ущерб составляет 0,2 руб./чел в год. Приведенные соображения объясняют актуальность разработки мероприятий и средств для уменьшения отклонений напряжения у потребителей напряжением до 1 кВ.

Актуальность работы подтверждается ее выполнением по плану госбюджетных НИР НГТУ-ЮРГТУ (НПИ) по комплексной научно-технической программе «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка технических средств, предотвращающих повреждение однофазных ЭП напряжением до 1 тсВ при обрыве нулевого провода.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи: - разработка полной и упрощенной математических моделей распределительной линии 0,4 кВ при обрывах нулевого провода;

- снижение отклонений фазных напряжений до допустимых значений с помощью замкнутой системы нулевых проводов;

- разработка устройств защиты однофазных ЭП напряжением до 1 кВ от отклонений напряжения;

- определение рационального сечения нулевого провода распределительной линии напряжением до 1 кВ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении описанных задач использовались методы теории линейных электрических цепей, в том числе метод симметричных составляющих, релейной защиты, математического моделирования, методы оптимизации, лабораторные и натурные эксперименты и др.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в следующем.

1. Разработана математическая модель воздушной линии напряжением до 1 кВ при обрыве нулевого провода, учитывающая несимметрию нагрузки и наличие основных и повторных заземлений, а также замкнутой системы нулевых проводов.

2. Предложена электрическая сеть напряжением до 1 кВ с замкнутой системой нулевых проводов и установлены условия, при которых отклонения фазных напряжений при обрывах нулевого провода в ней не выходят из заданного диапазона.

3. Предложена система защиты однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ от отклонений фазных напряжений при обрывах нулевого провода.

4. Предложены расчетные выражения для определения сечения нулевого провода распределительной линии напряжением до 1 кВ исходя из условий допустимой несимметрии токов, обрыва линейного провода и экономической целесообразности по затратам. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Установленное значение допустимого неравенства токов в фазных проводах распределительной линии напряжением до 1 кВ является критерием исключения недопустимых отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода.

Замкнутая система нулевых проводов и система защиты однофазных ЭП напряжением до 1 кВ от отклонений фазных напряжений позволяют исключить повреждения однофазных ЭП при обрыве пулевого провода.

Расчетные выражения для определения сечения нулевого провода позволяют обоснованно подходить к выбору указанного провода в условиях проектирования и эксплуатации.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработан модуль защиты однофазных ЭП, предназначенный для совместной работы с устройством защитного отключения, реагирующим на дифференциальный ток (УЗО). Указанный модуль освоен в производстве предприятием «Ирис» (г. Ростов-на-Дону). Выпущена опытная партия в количестве 100 образцов, которые внедрены в г. Ростове-на-Дону.

Результаты исследований по снижению отклонений фазных напряжений обобщены в главе 10 учебного пособия «Городские электрические сети» для повышения квалификации инженерно-технических работников распределительных электрических сетей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIX (1997 г.), XXI (1999 г .) и XXII (2000 г.) сессиях Всероссийского научного семинара «Кибернетика электрических систем» но тематикам «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика электрооборудования», г. Новочеркасск.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах и учебном пособии для повышения квалификации персонала распределительных электрических сетей.

Работа выполнена под руководством д.т.н., профессора Кужекова С.Л.

1. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОДНОФАЗНЫХ ПРИЕМНИКОВ ЛИНИИ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ ОТ ОТКЛОНЕНИЙ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ [1,2, 4,5,6]

Основной причиной, вызывающей недопустимые значения отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода, является неравенство (несимметрия) нагрузок по фазам. В соответствии с методом симметричных составляющих любой несимметричный режим трехфазной цепи можно представить в виде совокупности трех симметричных режимов: прямой, обратной и нулевой последовательностей. В электрических сетях напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью при исправном нулевом проводе в общем случае существуют токи всех видов последовательностей. При оборванном нулевом проводе токи нулевой последовательности отсутствуют, поэтому нескомпенсированные напряжения нулевой последовательности вызывают отклонения фазных напряжений.

Известно большое количество методов симметрирования трехфазных систем. Их подразделяют на методы внешнего и внутреннего симметрирования. Внешним симметрированием принято называть компенсацию токов обратной и (или) пулевой последовательностей с помощью дополнительных по отношению к сети специальных устройств. Внутренним симметрированием называют равномерное распределение однофазных ЭП по фазам, осуществляемое без дополнительных по отношению к сечи устройств.

Системы внешнего симметрирования базируются в основном на применении специальных устройств, генерирующих токи или напряжения обратной и (или) нулевой последовательностей. Наиболее простой и широко применяемой на практике является схема Штейкметца. Непосредственное применение указанной схемы в распределительных электрических сетях нецелесообразно из-за нестабильности нагрузок по фазам. Уменьшение отклонений фазных напряжений, возникающих при обрыве нулевых прово-

дов линий напряжением 0,4 кВ, до допустимого значения часто осуществляется с помощью следующих способов:

- стабилизация напряжения с пофазным регулированием;

- симметрирование токов с помощью конденсаторно-вентильных схем или реакторно-вентильных схем.

Однако, стабилизаторы и симметрирующие устройства обладают существенными недостатками: высокая стоимость, необходимость специального автоматического регулятора, недостаточно высокая надежность. При установке на питающей подстанции указанных устройств и обрыве нулевого провода с их помощью не удается скомпенсировать возникающие в фазах напряжения пулевой последовательности. По существу эти устройства должны функционировать при исправном нулевом проводе.

С учетом изложенного, а также того факта, что обрыв нулевого провода приводит к тяжелым последствиям, в работе особое внимание уделено разработке способа снижения отклонений фазных напряжений и защиты от отклонений напряжения. Выполнение этих задач потребовало разработки математических моделей линии напряжением 0,4 кВ.

1.1 .Математическая модель линии напряжением до 1 кВ

Необходимость разработки математической модели лиши напряжением до 1 кВ обусловлена стремлением уменьшить отклонения фазных напряжений при обрыве нулевого провода с помощью системы повторных заземлений и дополнительных связей. На рис. 1 приведена электрическая схема замещения линии напряжением до 1 кВ. В схеме учтено: нагрузка подключена в п точках (узлах);

сопротивления нагрузки могут отличаться как по узлам, так и по фазам;

число повторных заземлений равно числу узлов нагрузки; моделируемая линия имеет связь в начале и в конце нулевого провода с двумя смежными линиями;

Наиболее удобно представить рассматриваемую математическую модель системой узловых напряжений, имеющей вид для к-узла:

ч-1

где Уц. - собственная проводимость узла к; Уы - взаимная проводимость узлов к, ш; й^ - напряжение узла к относительно узла 0; и„ - напряжение узла гп относительно узла 0; 1к - задающий ток узла к.

Рис. 1 Схема замещения воздушной линии

При решении с помощью персонального компьютера систему уравнений, записанных по методу узловых напряжений, удобно представить в матричной форме. Таким образом

где [у] - квадратная матрица проводимостей; и - матрица-столбец узловых напряжений;

/] - матрица-столбец задающих токов.

В разработанной модели содержатся 28 узлов (земля принята за нулевой узел).

С помощью разработанной модели были проанализированы 4 режима работы линии.

1. Нормальный режим при симметричной нагрузке.

2. Обрыв нулевого провода в начале линии при несимметричной нагрузке (проводимости двух фаз одинаковы, третьей - отличается в 2 раза) при наличии внешних связей со смежными линями по нулевом}' проводу.

3. То же при отсутствии внешних связей со смежными линиями по нулевому проводу.

4. Обрыв нулевого провода с коротким замыканием фазного и нулевого проводов.

Расче ты с помощью указанной модели показали, что выбором сопротивлений повторных заземлений и внешних связей со смежными линиями в режиме обрыва нулевого провода без КЗ на него одного из линейных проводов можно ограничить отклонения фазных напряжений до допустимых пределов.

При практических расчетах можно использовать расчетные выражения, полученные с помощью метода эквивалентного генератора. Рассмотрим В Л напряжением до 1 кВ, питающуюся от трехфазного трансформатора, например, со схемой соединения У/ У -0 (рис 2). Линия защищена предохранителями Б. Известны сопротивления заземления повторного заземления в конце линии 1\_п.з.> проводимости фаз ( с нагрузкой) УА, , Ус . Нулевой провод имеет разрыв.

В анализе использован метод эквивалентного генератора. В соответствии с ним делается разрыв в цепи повторного заземления и вычисляется ЭДС холостого хода по выражению (рис.3,а)

£ = + + ЕСГС ,

у, + у, + ус

где Еа,Ё„,Ёс - комплексы ЭДС фаз Л,В и С соответственно;

УА, Ув , Ус - комплексы полных проводимостей фаз.

Так как в режиме холостого хода нулевая последовательность в токах отсутствует, то полные проводимости фаз являются проводимостями прямой последовательности (проводимости прямой и обратной последо-

вательности приняты равными, что соблюдается практически всегда). Полные проводимости фаз определяются по выражению

Yi = (ZTl + Zm+ZmУ\ где '¿-ц - полное сопротивление короткого замыкания трансформатора;

- полное сопротивление фазы ВЛ; полное сопротивление нагрузки.

По значению Ехх вычисляется ток 13 в сопротивлениях и Кп.з (режим короткого замыкания, рис.3,6), напряжение между нейтральной точкой звезды силового трансформатора и нагрузки (в конце линии) Иц. Затем вычисляются напряжения на приемниках фаз по выражению

Ь'фК = Ел*--/•?(/?•, +Я,73), или

г/ _ V 1-Л.В.С _+ Кп.з /1\

и Фк ~ ^ФК ~ у ' , - -1 V1 /

Следует отметить, что проводимости У; фаз являются проводимостя-ми нулевой последовательности, что особенно важно при учете сопротивления трансформатора, то есть

^ = (2Т0 + %ло+ 2цо) , где 1ю - полное сопротивление нулевой последовательности трансформатора;

- то же для ВЛ;

2ц0 - 2н1 - полное сопротивление нагрузки. Введем дополнительные упрощающие положения.

№

Обозначим 0т - --напряжение смещения нейтралей в режиме

¿-А '

1-л.в.с

холостого хода. Заменим в первом приближении

li.ii.cj &НЛГГ

где 0'с - линейное напряжение сети;

$т.ном - номинальная мощность трансформатора. Обозначим Яз^Кз + Кп.з, тогда выражение (1) принимает вид

о

Иск = Ефк -и оо -Г-ТТТГЬ-• (2)

А3£ + с ' Т.НОМ

Основной критерий отсутствия недопустимого отклонения фазных напряжений

I.

= \Ефк~и фк

(3.)

(5

Сеть

-В-

-в-

-о-

5'

(К

Рис. 2 Упрощённая электрическая схема линии напряжением до 1 кВ

О

4=3-4=1-

4=3-1

г„+гЛ1

-сп-

-С=Н

'"(О

а) связь 1\Т1-МН разомкнута

Аюв

-а-

о-

р.

б) связь Ыт-Кц замкнута Рис. 3 Схема замещения линии напряжением до 1 кВ

^ ФДОЛ

и

С учетом (3), полагая расчетное отклонение напряжения равным допустимому, получаем AU/10„<Um- *--. (4)

K3Z + ис' ^т ном

Из выражения (4) можно получить допустимое значение суммарного сопротивления заземлений „<— ^son^c__ (5)

3 да, „ !jj _ЛТ Т I

ном \и оо аидоп }

В качестве примера рассмотрим короткое замыкание фазного и нулевого проводов в конце линии, выполненной алюминиевым проводом А-35. Нулевой провод в месте соединения с трансформатором оборван. Длина линии 1 - 0,5 км. Удельное сопротивление линии 20.уд.,л = 0,83 Ом/км; сопротивление прямой последовательности Zu= 0,415 Ом. Номинальная мощность трансформатора St.hom = 100 кВА, схема соединения Y/Y. Сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора Z0.t~ 0,78 Ом, прямой последовательности Zu = 0,075 Ом.

Считаем, что трансформатор работает с номинальной симметричной ширузкой, т.е.

z =i^=J!2L=M4 ом.

/й,т STH0U 100-Ю3

Вычислим значение Um по выражению

Ye&Y,

Um

— i=A,B,C

'Л.в.с

где (УА=(г1т+гл)"! = (0,075+0,415)'1 = 2,04 Сим;

Ув=Ус = (г,т+ гл + гнАгг)"1 = (0,075+0,415+1,44)-' = 0,518 Сим;

У У, * 2,04+0,518+0,518 = 3,08 Сим.

После подстановки числовых значений получим им « 110 В. Допустимое значение суммарного сопротивления заземлений составляет

Лзгл0п< 22;38°2 -0,32 Ом.

ном

[им-Аидоп) 100-10Ч1Ю-22) Из приведенного примера видно, что при нормативных значениях сопротивлений заземлений в случае обрыва нулевого провода с коротким замыканием на него линейного провода фазные напряжения неповрежденных фаз превысят допустимый уровень. Расчет показывает, что эти па-пряжения достигнут 290 В (при допустимом значении 242 В).

Таким образом, выбором сопротивлений повторных заземлений в аварийных условиях ( короткое замыкание линейного провода на нулевой с обрывом последнего) не удается обеспечить сохранение фазных напряжений в допустимых пределах. Выходом из создавшегося положения является оснащение линий и потребителей специализированными устройствами защиты. При этом следует рассмотреть возможность использования в качестве параметров, на которые реагируют устройства защиты, фазных на-

пряжений и токов нулевой последовательности (в нулевом проводе, сопротивлении заземления силового трансформатора и тока, подходящего к нейтрали трансформатора).

1.2. Система защиты однофазных приемников от повреждений и анормальных режимов

Основными аварийными и анормальными режимами для линий и однофазных потребителей напряжением до 1 кВ являются:

■ короткие замыкания;

■ перенапряжения (атмосферные или обусловленные попаданием напряжения выше 1 кВ в сеть до 1 кВ);

■ недопустимые значения токов утечки на землю (по условиям безопасности для жизни человека и животных, а также пожароопасно-сти);

м перегрузки;

■ отклонения напряжения выше допустимых значений.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок, требованиями законодательных актов, нормативной документацией по обеспечению потребителей электроэнергией и Правилами пользования последней, устройства защиты должны действовать следующим образом (таблица 1).

Таблица 1

Требуемые действия защиты в сети до 1 кВ

№ Вид повреждения или анормального режима Действие защиты Повторная подача питания

1 Короткие замыкания Отключение Вручную

' 2 Перенапряжения Ограничение напряжения до допустимого значения Автоматическая

3 Недопустимые значения токов утечки на землю Отключение Вручную

4 Перегрузка Отключение Автоматическая (после выдержки времени, достаточной для охла- /кдсккя прпсмнпка)

5 Отклонения напряжения выше допустимых значений Отключение Автоматическая

Сети напряжением до .1 кВ строятся по радиальному принципу (рис.4). Питающий трансформатор Т обеспечивает питание одной или нескольких линий W (воздушных или кабельных). Распределение энергии осуществляется с помощью распределительных пунктов РШ-РГЖ Последний из них используется для непосредственною питания однофазных электроприемников. Применительно к жилому многоквартирному дому можно идентифицировать РПК как этажный или квартирный щиток, а остальные РП2-РП(М-1) - как щитки дома, подъезда и др.

Система защиты сети напряжением до 1 кВ должна минимизировать ущерб в аварийных и анормальных режимах при приемлемых инвестициях и эксплуатационных расходах. По экономическим соображениям не на всех автоматических выключателях QF следует устанавливать полные комплекты защит.

На рис.4 приведена предлагаемая схема расстановки устройств защиты однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ. Защита от перенапряжений осуществляется разрядниками F1-F3 и ограничителями перенапряжений RbR-2- Защита от коротких замыканий обеспечивается максимальными расцепителями I» автоматов QF1-QFN, от перегрузки - тепловыми расцепителями 1> (или аналогом их). Защита от прикосновения осуществляется с помощью известных устройств защитного отключения (УЗО) А 1>. Новым элементом, предлагаемым к реализации, являются устройства защиты от недопустимых отклонений напряжения \AU\>, которые следует устанавливать в различных точках сети: непосредственно у потребителя (QN) или в щитках (квартирном, этажном). Предлагается также оснастить питающую трансформаторную подстанцию защитой от отклонений фазных напряжений по одному из двух принципов.

1. Для районов с малым удельным сопротивлением фунта - разность А10 токов (подтекающего к нейтрали трансформатора Т из земли и в нулевом проводе).

2. Для районов с большим удельным сопротивлением грунта - трехфазное реле максимального напряжения, реагирующее на фазные напряжения и осуществляющее копоткое замыкание н конце линии контактором КМ. При возникающем при этом коротком замыкании действует максимальный расцепитель автомата QF2 и обесточивается линия W. Контакторы должны быть установлены на всех линиях, отходящих от шин РП1.

Автором предложены структурные схемы комплектных устройств защиты однофазных приемников от повреждений и анормальных режимов, изображенные на рис.5 и 6. В их состав входят: Q- автоматический выключатель, обеспечивающий отключение питания при коротких замыканиях, перегрузке и токах утечки (прикосновении к фазному проводу, находящемуся под напряжением); í » - реле токовой отсечки; I > - реле перегрузки; ДТТ - дифференциальный трансформатор тока; ПО - пороговый орган (компаратор); ВО - выходной орган; ИЛИ1 - первый элемент ИЛИ; КМ -

Электроприемники

•С

Рис. 4 Предлагаемая схема расстановки устройств защиты в электрической сети напряжением до 1 кВ

РЕМ 1_1

РЕ N1 И

РЕ

РЕЫ И

N

Питающая сеть

О

ф

I»

сф]

| дтт

и >

Нагрузка

РЕ N1 L1

-4!

О

Рис. 7 Принципиальная схема МЗОН

Г7

контактор переменного тока; и>, и< - реле максимального и минимального напряжения, соответственно; ИЛИ2 - второй элемент ИЛИ.

Комплектное устройство по варианту 1 работает следующим образом. В нормальном нагрузочном режиме автомат <3 и контактор КМ включены, потребитель получает питание. Реле токовой отсечки, перегрузки, максимального и минимального напряжения, а также пороговый орган ПО находятся в несработанном состоянии. При коротком замыкании в цепи нагрузки срабатывает реле отсечки I» и отключает автомат через первый элемент ИЛИ1. При возникновении перегрузки срабатывает реле перегрузки I > и также отключает автомат Если ток утечки достигает недопустимого значения, то вторичный ток дифференциального трансформатора тока (пропорциональный разности токов фазного и нулевого проводов) достаточен для срабатывания органа ПО. Последний отключает автомат (3 через первый элемент ИЛИ1.

Если отклонение напряжения превышает допустимое по модулю значения, то срабатывает одно из реле напряжения и> или и< и производит отключение контактора через второй элемент ИЛИ2.

Достоинством предложенной структурной схемы является то, что она устраняет отмеченный письмом Главгосэнергонадзора № 46-6/34-ЭТ от 23.10.95 г. недостаток электронных устройств защитного отключения (УЗО). Последний заключается в том, что при обрыве нулевого провода электронное УЗО теряет питание и оказывается неработоспособным. В случае использования предложенного комплектного устройства обрыв нулевого провода (равно как и фазного провода) вызывает отключение контактора КМ и питание к нагрузке не подводится.

В структурной схеме защиты по рис.6 используется ключ К, управляемый реле максимального напряжения и дополнительный резистор Я. На рис. 7 приведена принципиальная схема модуля защиты от отклонений напряжения для второго варианта комплектного устройства. При появлении отклонений напряжения, превышающих порог срабатывания модуля, последний создает ток утечки достаточный для срабатывания УЗО.

11редттриятием " Ирис." (г. Ростов-на-Дону) разработана техническая документация и выпущена опытная партия в количестве 100 экз. предложенных модулей защиты. Модули внедрены в городском хозяйстве г. Ростова-на-Дону.

2.СНИЖЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ

ОБРЫВЕ НУЛЕВОГО ПРОВОДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ [3] Для уменьшения отклонений фазных напряжений предложено построить трехфазную чегырехироводную сеть напряжением 0,4 кВ следующим образом (рис. 8):

0Б2 д82 Т2 АВС О

ТК^_,\1Ш_\.

Т1 АВС О

>1111 .X-

т

/у/

т

ОБ! (ЗБЗ ТЗ АВС О

-(Жь-^+ЬЬ^--

П32

УЛв к1

П31

\Усв к2

пзз

Рис.8. Однолинейная схема предлагаемой сети 0,4 кВ

1) соединить между собой нулевые точки обмоток низшего напряжения питающих трансформаторов смежных подстанций системы электроснабжения;

2) соединить между собой концы нулевых проводов смежных линий напряжением 0,4 кВ.

При этом для уменьшения сопротивления нулевой последовательности силовых трансформаторов последние должны иметь схему соединения треугольник-звезда с выведенной нейтралью.

Исходя из требований надежности, целесообразно соединить нейтраль каждого трансформатора с нейтралями двух смежных. Это позволит исключить повреждение однофазных приемников при одновременном обрыве нулевых проводов на двух линиях, отходящих от смежных подстанций. Соединение нейтралей трансформаторов и нулевых проводов линий повышает безопасность обслуживания линий, так как при обрыве нулевого провода ни одна из его частей не оказывается под напряжением, близким к номинальному фазному.

Заменим сопротивления линий связи \¥св.нЬ \УСВ.Н2 в начале линии \У!, питаемой от трансформатора Т1, и в конце линии \Л7са.];!, \¥са.к2, включая основные и повторные заземления смежных линий, питаемых от трансформаторов Т2 и ТЗ, одним эквивалентным Тогда при обрыве нулевого провода на линии "Лм можно записать

и

и.

'ZC.+R-}U

■ (6)

Полагая напряжение между нейтралями равным допустимому отклонению, получим

=

I ¿Гг.

7 Р

св.доп 3£доп1

^ев.доп +-^ЗХлоп1 + ^ci.aon ^31доп1 УДг

(7)

где ZCBJOn, Rjjjoiii — допустимые значения сопротивлений связи и заземлений, соответственно. Полагая ZCBW)n= const, можно записать

Rv

-AUm-AU„Za YJ,

1.Л.В.С

Аналогично, полагая К-з£доп1 — const,

Ml

z.....

-Ai/„-AIУ,

l-A.B.C

Наибольшую трудность при определении ZCB.aon представляет нахождение расчетного режима работы линии W1. При этом следует рассмотреть несколько вариантов режимов:

1. Короткое замыкание фазного провода на нулевой с обрывом последнего.

2. Обрыв фазного и нулевого проводов.

3. Обрыв нулевого провода при несимметричной нагрузке.

В первом варианте напряжения неповрежденных фаз в пределе достигают 380 В, т.е. отклонения напряжения недопустимо велики. Однако этот режим является кратковременным и в этом случае должна действовать защита линии (автоматы или предохранители). Поэтому указанный режим не следует принимать в качестве расчетного. Эффективными средствами в этом режиме являются устройства защиты однофазных приемников от отклонения напряжения и автоматические регуляторы напряжения на вводе у потребителя (на случай отказа защиты линии).

Второй вариант характеризуется несколько пониженными напряже-ниялш у однофазных приемников (в пределе 190 В). Определим требуемое сопротивление Z0 осп в этом режиме. Будем полагать сопротивления нагрузки неповрежденных фаз одинаковыми и соответствующими номинальной мощности питающих трансформаторов. Тогда указанные сопротивления равны

^ф и ~ ^ ном / ^ ном )

где и„о„ = 380В — номинальное линейное напряжение; 8Н0М — номинальная мощность трансформатора.

Принимая ишм = 0.4 кВ (с целью учета сопротивления фазных проводов), получаем проводимости фаз УфН = 1/7,ф „ (табл.2).

Таблица 2

^номэ кВ А 100 160 250 400

Уф .н, См 0.625 1.0 1.56 2.5

Значение допустимого сопротивления Ъа доп определяется с помощью выражения

Ъ ДО/1

•ЕфУфн.

2"Дд| на Ъс,

Данное выражение получено из (6) путем замены при Уф д = 0, Уф в = ^ф с = Уф н- После преобразований получим

д и„т

"" £фГфн-2Д[/допГф„

Учитывая, что АЦ.0П = 0,1 ЕфНг, имеем

г =-±

о, дол ^ у

Допустимые значения 20 Д0П приведены в табл. 3.

Таблица 3

кВА 50 100 160 250 400

^-о.лоп, Ом 0.4 0.2 0.125 0.08 0.05

Значении 2СВяоп при нормированном сопротивлении = 4 Ом приведены в табл.4.

Таблица 4

Зном) кВА 50 100 | 160 250 400

2Салоп, Ом I 0.44 0.21 | 0.129| 0.08 0.05

Выполненные расчеты показали, что в рассматриваемом режиме для увеличения напряжения неповрежденных фаз до 198 В требуется прокладка мощных линий связи между подстанциями. Однако в этом нет необходимости, так как при напряжении, находящемся в пределах 180-240 В не наблюдаются повреждения однофазных приемников. Поэтому вариант 2 не является расчетным режимом.

В качестве расчетного следует принять вариант 3, характеризующийся обрывом нулевого провода при несимметричной нагрузке фаз.

Используя выражение (6), можно вычислить значения допустимого сопротивления связи между нейтральными точками источника и приемников при следующих допущениях:

1) нагрузка имеет активный характер;

2) проводимости двух фаз одинаковы и равны Утах=Уф п> а третьей фазы -Ymm*

Тогда выражение (1) при Uqo = Лидоп ~ 0,1ЕФ преобразуется к виду (R3v

заменено эквивалентным сопротивлением Z0,nn):

= (8)

где K=Ymin/Ymax — параметр, характеризующий несимметрию нагрузки. Вычисленные по выражению (8) значения Z0 J0n приведены на рис.9. Расчеты, выполненные для реальных сетей напряжением 0,4 кВ, показали, что во многих случаях дополнительные связи между нулевыми проводами позволяют уменьшить отклонения фазных напряжений до допустимых значений. Так, например, при мощности питающих трансформаторов SR0M= 250 кВА и расстояниях до каждой из двух смежных подстанций L = 1 км для этого достаточно выполнить указанные связи сталеалюминие-выми проводами АС-35.

Для определения параметров связей разработаны инженерная методика (для ручного расчета) и математическая модель (для автоматизированных расчетов), реализованные с помощью программы для персонального компьютера IBM PC.

Важное практическое значение имеет оценка допустимой степени неравенства нагрузок по фазам (неравенства токов в фазных проводах). С помощью несложных математических преобразований можно получить два выражения для Дг/ф (принято, что нагрузка имеет активный характер): при ZA<ZB = ZC

АС/Ф = при ZA > ZB = Zc

( Г

0.75 + (-i—+ 0.25

ч

иФ1 (9)

(10)

На рис. 10 приведены результаты расчетов по выражениям (9 ) и (10 ). Видно, что если неравенство токов в фазах при исправном нулевом проводе не более 27 %, то при обрыве последнего отклонения фазных напряже-кий нс превышают 10 с Поэтому персонал злсктркчсских сетей кс дол~ жен допускать неравенства токов в фазах линии, превышающего 27%, чтобы исключить при обрыве нулевого провода появление недопустимых отклонений фазных напряжений.

Рис. 9. Допустимые значения сопротивлений между нейтральными точками источника и нагрузки

Рис. 10. Оценка влияния неравенства нагрузок по фазам на Диф

3. ВЫБОР СЕЧЕНИЯ НУЛЕВОГО ПРОВОДА ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ КОММУНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ [ 5 ]

Сопротивление нулевого провода должно удовлетворять следующим требованиям.

1. В нормальных режимах при несимметричной на1рузке падение напряжения в нулевом проводе должно быть относительно невелико, чтобы отклонения фазных напряжений у приемников не выходили за допустимые пределы, определенные стандартом на качество электроэнергии.

2. Обрыв любого из проводов фаз линии не должен приводить к недопустимому снижению напряжений неповрежденных фаз.

3. Сечение нулевого провода должно быть экономически оправданным по капитальным затратам и эксплуатационным расходам.

Нагрузка линии, как правило, несимметрична, что является причиной появления недопустимых значений фазных напряжений при обрыве нулевого провода. Добиться полной симметрии нагрузки в общем случае невозможно. По этой причине важно определить допустимую границу не-симметрин, при которой обрыв пулевого провода не создает опасности выхода из строя однофазных приемников. В разделе 2 показано, что при обрыве нулевого провода фазные напряжения находятся в допустимых для аварийного режима пределах, если неравенство токов в фазах удовлетворяет условию

д/ ^¿ш*"1™ <о 27 ,

щах

где 1тах, Гт,„ - модули наибольшего и наименьшего фазных токов.

Режим работы линии с указанным значением А/, следует принять в качестве нормального расчетного (А1.расч= 0,27). По указанному режиму при максимальной нагрузке линии необходимо определять сечение нулевого провода. Можно показать, что допустимое падение напряжения в нулевом пповотте ппи этом

инп.доп~ 0,05 и0.кам=11 В, где и ¡¡¡.„аз,— 220 В - номинальное фазное напряжение.

Нагрузка на участках линии неодинакова, имеет ступенчатый характер, что не позволяет использовать в расчетах принцип экономической плотности тока. В коммунальных сетях в первом приближении можно принять распределение тока в фазных и нулевых проводах вдоль длины линии равномерным. Указанное допущсше базируется на приблизительно одинаковой плотности нагрузок вдоль длины линии. Тогда ток в точке, находящейся на расстоянии х от начала линии, равен

(11)

где 1„„ „ -ток в нулевом проводе в начале линии; / - длина линии.

Падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода составляет

'Г' (• 1^ = 0,51„.р±

о ч 9»

где - сопротивление нулевого провода от начала линии до точки х; „ - активное сопротивление нулевого провода линии; р = 0,0282 0м-мм7м -удельное электрическое сопротивление алюминия; - сечение нулевого провода.

Обычно у воздушных линий напряжением 0,4 кВ отношение активного сопротивления нулевого провода к его полному сопротивлению находится в пределах ~К„п1Ъ„п= 0,8-0,9. С учетом этого падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода игн„ = (0,8-0,9) инпаоп. Тогда по выражению (12) можно вычислить сечение пулевого провода. Значения qm для 1 = 1 км при А1,расч для различных нагрузок линии приведены в табл.5.

Таблица 5

Допустимые значения qн„ в нормальном расчетном режиме

8, кВА 50 100 160 250 400

Ч.НЫ -> Ш1 32,9 -28,9 65,8 -57,9 105 -92,6 164 -145 263 -231

Обрыв фазного провода не должен привести к снижению напряжений неповрежденных фаз более чем 0,9 Щ,иом. Учитывая это условие, с помощью расчетов с использованием векторной диаграммы напряжений неповрежденных фаз, можно найти допустимое напряжение на нулевом проводе ит ,)оп= 0,225 ифмом и вычислить сечение последнего. При принятом законе изменения тока в фазных проводах линии падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода при максимальной нагрузке фаз равно

г г _ г 1 ^ ^

тах| » , I - тал У 5 K^-'J

О V 1)Яш 1.«

где Тг-т - ток нагрузки линии в нормальном максимальном режиме.

Вычисленные по выражению (13) значения для длины линии 1 = 1 км при игт = (0,8-0,9) и„„ приведены в табл.6.

Таблица 6

Допустимые значения q„„ при обрыве фазного провода в нормальном расчетном режиме

> кВА 50 100 160 250 400

qнл, мм2 23,6-21 47,3-41,6 75,6-66,6 118-104 188-166

Экономически целесообразное сечение нулевого провода ограничивается капитальными затратами и стоимостью потерь в нем. Существует мнение, что потери от токов пулевой последовательности, в том числе в нулевом проводе, являются основной составляющей потерь в линии и уменьшение потерь от составляющих нулевой последовательности существенно сказывается на суммарных потерях. Определим вклад указанных составляющих з расчетном режиме. Пусть в одной из фаз ток максимален 1шах» ~ 1,0, а в двух других минимален 1т,п, = 0,73. Сдвиг по фазе между токами равен 120°. Токи отдельных последовательностей по методу симметричных составляющих равны: 11Ф = 0,82; 12«= 1о.= 0,09; ток в нулевом проводе 1„„, = 0,27. Потери в линии, обусловленные отдельными составляющими: Р,. = 3 • 0,822 = 2,0172; Р2. = Р0. = 3 • 0,092 = 0,0243; Р„„.= 0,1458 (если в наихудшем случае 11«„= 211^, где 11„„, - активные сопротивления фазного и нулевого проводов, соответственно).

Доля потерь, вызванных токами нулевой последовательности, составляет

Таким образом, потери, обусловленные токами обратной и нулевой последовательностей в расчетном режиме не влияют существенным образом на суммарные потери в линии. Выбор режима с более высоким значением М. в качестве нормального расчетного не оправдан, так как это приведет к массовому повреждению однофазных приемников при обрыве нулевого провода. Определение экономически целесообразного сечения нулевого провода производится при допущении, что ток в нулевом проводе изменяется по закону, описанному выражением (2.1). Потери в нулевом проводе равны

АР01%= „ / „--100 « 7,69%.

ДР I/2 (й? = ГГ = -

I нп I *НП.Х ч МП и

о 0 Чт 3 <

----МП и

Значение !„„.„ следует принять равным 0,27 1тах. Расчетные затраты на единицу длины нулевого провода воздушной линии определяются по выраженто

з = р„к* + О4)

где р„ = 0,16 - нормативный коэффициент экономической эффектив-

Пплтгт г^о тттг"г>г» ттлпттлгт /7'* ишХинЫишхиуп^Хшх! ' * ' >

К^ - удельные капиталовложения (руб/м-мм2) в нулевой провод

длиной 1 м и сечеггаем 1 мм ра = 0,03 — норма амортизации;

(' — Г"ГГ\Т»МГ\ЛТТ- 1 тгНт-и ГТПТАГЛТ. ■

~ - ~-------- — Л **** * » Д "")

т - время наибольших потерь.

Ущерб от обрыва нулевого провода в формуле расчетных затрат не учитывается, так как в данном режиме обрыв этого провода не приводит к недопустимым отклонениям фазных напряжений.

Экономически целесообразные сечения нулевого провода

Таблица 7

S, кВА 50 100 160 250 400

Я эк, мм2 11,78 23,6 37,6 58,9 94,24

Затраты минимальны, если выполняется условие (получено путем дифференцирования выражения (14))

(Р, + PaWy, = \С„оп, /1 „ ~~г1'

Чип

откуда экономически целесообразное сечение нулевого провода qHn.3x составляет

Стоимость воздушной линии длиной 1 км напряжением 0,4 кВ в настоящее время в среднем равна 150 -103 руб.; стоимость нулевого провода (с монтажом) ориентировочно составляет 5% от стоимости линии, т.е. 7,5 • 103 руб. (при сечении провода q„„ = 50 мм2). Таким образом, в первом приближении можно принять Kva= 150 руб/м-мм2. Экономически целесообразные сечения нулевого провода воздушной линии при х = 4000 час приведены в табл. 7.

Если воздушная (или кабельная) линия питает сосредоточенную нагрузку, то сечение ее нулевого провода может быть определено с помощью выражений (12-14) с учетом следующих корректировок. В выражение (12) вместо 0,5 1„„„ следует подставлять 1„„„; в выражение (13) вместо 0,5 1тал

следует подставлять Imai; а в выражение (14) вместо , соответственно

Таким образом, в существующих экономических условиях определяющим для выбора сечения нулевого провода является нормальный режим работы линии при допустимой несимметрии токов (AI, =0,27).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение важной прикладной задачи повышения надежности функционирования однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ в распределительных электрических сетях.

Выполненные в диссертации исследования позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Разработаны математические модели распределительной линии напряжением до 1 кВ, учитывающие наличие замкнутой системы нулевых проводов в электрической сети. Установлена необходимость оснащения электрической сети напряжением до 1 кВ специальными устройствами защиты от отклонения напряжения.

2. Предложена система защиты электрической сети напряжением до 1 кВ от отклонений напряжения. Разработаны два варианта комплектных устройств защиты однофазных электроприемников от отклонений фазного напряжения, использующие в качестве основы промышленные устройства защитного отключения. На базе одного из предложенных вариантов проведена ОКР и выпущена опытная партия модулей защиты от отклонений напряжения. Модули Енедрены в городском хозяйстве г.Ростова-на-Дону.

3. Предложена и обоснована распределительная сеть напряжением до 1 кВ с замкнутой системой нулевых проводов, обеспечивающая снижение до допустимого значения отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода. Применение предложенной замкнутой системы нулевых проводов особенно целесообразно при новом сетевом строительстве.

4. Установлено, что при оборванном нулевом проводе на линиях напряжением до 1 кВ отклонения фазных напряжений не превышают допустимого значения, если неравенство токов в линейных проводах не превышает 27%. Это положение является критерием допустимой несимметрии токов и должно использоваться персоналом электрических сетей при осуществлении симметрирования нагрузок.

5. Предложен подход к выбору сечения нулевого провода воздушных и кабельных линий напряжением до 1 кВ, использующий критерий допустимой несимметрии токов, допустимые значения отклонений напряжения (установившиеся и предельные), а также экономические соображения. Установлено, что в существующих экономических условиях при выборе сечения нулевого провода наибольшее значение имеет обеспечение требования допустимого установившегося отклонения фазных напряжений.

6. Результаты исследований обобщены в главе 10 учебного пособия «Городские электрические сети», предназначенного для повышения квалификации персонала распределительных электрических сетей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. Городские электрические сети: Учебное пособие/ Южно-Российский гос. техн. ун-т.-Новочеркасск, " Набла". 2000 г. 237 с.

2. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. О защите однофазных приемников электроэнергии от недопустимых отклонений напряжения // Изв. Вузов. Электромеханика. 1997. № 6. С. 57-61.

3. Кужеков C.JT., Гончаров C.B. Снижение отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода в электрических сетях напряжением 0,4 кВ // Изв. Вузов. Электромеханика. 1998. № 2-3. С.62-64.

4. Кужеков С.Л., Варфоломеев Е.П., Гончаров C.B. Защита однофазных приемников электроэнергии напряжением ниже 1 кВ. // Изв. Вузов. Электромеханика. 1998. № 2-3. С.121.

5. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. О выборе сечения нулевого провода линий напряжением 0,4 кВ коммунальных электрических сетей. // Изв. Вузов. Электромеханика. 1999. №3. С.100-102.

6. Гончаров C.B. Модуль защиты от отклонений напряжения для устройств защитного отключения. // Изв. Вузов. Электромеханика. 2000. №3.

Подписано в печать 24.10. 2000г Объем £0 п.л.

Печать оперативная. Тираж ¿00. Заказ 2/)б/

Южно-Российский государственный технический университет Типография ЮРГТУ Адрес ун-та и типографии: 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В практике эксплуатации распределительных электрических сетей наблюдаются повреждения однофазных электроприемников (ЭП) напряжением 220 В при обрыве нулевого провода. Выпускаемые электротехнической промышленностью устройства защиты в этих условиях зачастую неэффективны.

Действующий ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии нормирует показатели ее качества. В частности, установившееся значение отклонений напряжения не должно превышать ± 5%, а предельное значение - ± 10%. Под отклонением напряжения понимают разность между действительным (Ц) и номинальным (ином) напряжениями, выраженную в процентах $и=и~и"°" 100%.

Значительную долю потребителей электроэнергии составляет сфера быта, т.е. однофазные и трехфазные приемники напряжением до 1 кВ, среди них важную долю составляют жилые дома, административные, офисные и общественные здания, получающие и потребляющие электроэнергию на напряжении 0,4 кВ. В последние годы четко прослеживается рост претензий указанных потребителей к поставщикам электроэнергии за ненадлежащее качество электрической энергии, обусловившее повреждения приемников, прежде всего, дорогостоящей видео - и аудиоаппаратуры, персональных компьютеров, холодильников и др.

Статистические данные по г. Ростову-на-Дону показывают, что ежегодно Ростовские городские электрические сети выплачивают в виде штрафов за повреждение бытовой техники более 30 тыс. руб. При этом, как показал анализ, 2/3 исков отклоняется по разным причинам. Таким образом, ежегодный ущерб из-за отклонений напряжения составляет в первом приближении 0,1 руб. на одного человека без учета морального ущерба. Моральный ущерб (по публикациям в печати) в этом случае может быть принят равным материальному, т.е. суммарный ущерб составляет 0,2 руб./чел в год. Приведенные соображения объясняют актуальность разработки мероприятий и средств для уменьшения отклонений напряжения у потребителей напряжением до 1 кВ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка технических средств, предотвращающих лреждение однофазных ЭП напряжением до 1 кВ при обрыве нулевого -овода.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи: разработка полной и упрощенной математических моделей распределительной линии 0,4 кВ при обрывах нулевого провода;

- снижение отклонений фазных напряжений до допустимых значений с помощью замкнутой системы нулевых проводов;

- разработка устройств защиты однофазных ЭП напряжением до 1 кВ от отклонений напряжения;

- определение рационального сечения нулевого провода распределительной линии напряжением до 1 кВ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении описанных задач использовались методы теории линейных электрических цепей, в том числе метод симметричных составляющих, релейной защиты, математического моделирования, методы оптимизации, лабораторные и натурные эксперименты и др.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в следующем.

1. Разработана математическая модель воздушной линии напряжением до 1 кВ при обрыве нулевого провода, учитывающая несимметрию нагрузки и наличие основных и повторных заземлений, а также замкнутой системы нулевых проводов.

2. Предложена электрическая сеть напряжением до 1 кВ с замкнутой системой нулевых проводов и установлены условия, при которых отклонения фазных напряжений при обрывах нулевого провода в ней не выходят из заданного диапазона.

3. Предложена система защиты однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ от отклонений фазных напряжений при обрывах нулевого провода.

4. Предложены расчетные выражения для определения сечения нулевого провода распределительной линии напряжением до 1 кВ исходя из условий допустимой несимметрии токов, обрыва линейного провода и экономической целесообразности по затратам. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Установленное значение допустимого неравенства токов в фазных проводах распределительной линии напряжением до 1 кВ является критерием исключения недопустимых отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода.

Замкнутая система нулевых проводов и система защиты однофазных ЭП напряжением до 1 кВ от отклонений фазных напряжений позволяют исключить повреждения однофазных ЭП при обрыве пулевого прозода.

Расчетные выражения для определения сечения нулевого провода позволяют обоснованно подходить к выбору указанного провода в условиях проектирования и эксплуатации.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработан модуль защиты однофазных ЭП, предназначенный для совместной работы с устройством защитного отключения, реагирующим на дифференциальный ток (УЗО). Указанный модуль осзоен в производстве предприятием «Ирис» (г. Ростов-на-Дону). Выпущена опытная партия в количестве 100 образцов, которые внедрены в г. Ростове-на-Дону.

Результаты исследований по снижению отклонений фазных напряжений обобщены в главе 10 учебного пособия «Городские электрические сети» для повышения квалификации инженерно-технических работников распределительных электрических сетей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIX (1997 г.), XXI (1999 г .) и XXII (2000 г.) сессиях Всероссийского научного семинара «Кибернетика электрических систем» по тематикам «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика электрооборудования», г. Новочеркасск.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах и учебном пособии для повышения квалификации персонала распределительных электрических сетей.

1. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОДНОФАЗНЫХ ПРИЕМНИКОВ ЛИНИИ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ ОТ ОТКЛОНЕНИЙ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ [1,2,4,5,6]

Основной причиной, вызывающей недопустимые значения отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода, является неравенство (несимметрия) нагрузок по фазам. В соответствии с методом симметричных составляющих любой несимметричный режим трехфазной цепи можно представить в виде совокупности трех симметричных режимов: прямой, обратной и нулевой последовательностей. В электрических сетях напряжением 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью при исправном нулевом проводе в общем случае существуют токи всех видов последовательностей. При оборванном нулевом проводе токи нулевой последовательности отсутствуют, поэтому нескомпенсированные напряжения нулевой последовательности вызывают отклонения фазных напряжений.

Известно большое количество методов симметрирования трехфазных систем. Их подразделяют на методы внешнего и внутреннего симметрирования. Внешним симметрированием принято называть компенсацию токов обратной и (или) нулевой последовательностей с помощью дополнительных по отношению к сети специальных устройств. Внутренним симметрированием называют равномерное распределение однофазных ЭП по фазам, осуществляемое без дополнительных по отношению к сечи устройств.

Системы внешнего симметрирования базируются в основном на применении специальных устройств, генерирующих токи или напряжения обратной и (или) нулевой последовательностей. Наиболее простой и широко применяемой на практике является схема Штейкметца. Непосредственное применение указанной схемы в распределительных электрических сетях нецелесообразно из-за нестабильности нагрузок по фазам. Уменьшение отклонений фазных напряжений, возникающих при обрыве нулевых проводов линий напряжением 0,4 кВ, до допустимого значения часто осуществляется с помощью следующих способов:

- стабилизация напряжения с пофазным регулированием;

- симметрирование токов с помощью конденсаторно-вентильных схем или реакторно-вентильных схем.

Однако, стабилизаторы и симметрирующие устройства обладают существенными недостатками: высокая стоимость, необходимость специального автоматического регулятора, недостаточно высокая надежность. При установке на питающей подстанции указанных устройств и обрыве нулевого провода с их помощью не удается скомпенсировать возникающие в фазах напряжения нулевой последовательности. По существу эти устройства должны функционировать при исправном нулевом проводе.

С учетом изложенного, а также того факта, что обрыв нулевого провода приводит к тяжелым последствиям, в работе особое внимание уделено разработке способа снижения отклонений фазных напряжений и защиты от отклонений напряжения. Выполнение этих задач потребовало разработки математических моделей линии напряжением 0,4 кВ.

1Л Математическая модель линии напряжением до 1 кВ

Необходимость разработки математической модели линии напряжением до 1 кВ обусловлена стремлением уменьшить отклонения фазных напряжений при обрыве нулевого провода с помощью системы повторных заземлений и дополнительных связей. На рис. 1 приведена электрическая схема замещения линии напряжением до 1 кВ. В схеме учтено: нагрузка подключена в п точках (узлах); сопротивления нагрузки могут отличаться как по узлам, так и по фазам;

- число повторных заземлений равно числу узлов нагрузки; моделируемая линия имеет связь в начале и в конце нулевого провода с двумя смежными линиями; смежные липки имеют основные и повторные заземления. Наиболее удобно представить рассматриваемую математическую модель системой узловых напряжений, имеющей вид для к-узла: ш=0 где - собственная проводимость узла к;

У^ - взаимная проводимость узлов к, т; и,^ - напряжение узла к относительно узла 0;

ГТ иоттгчтмг^гттт/* \rjn-* т гтлпгиГАттт.тт О* м ----. ~ : .-. ---- >

1к - задающий гок узла к. и

При решении с помощью персонального компьютера систему уравнений, записанных по методу узловых напряжений, удобно представить в матричной форме. Таким образом

И-[с/] = |)]> где [у] - квадратная матрица проводимостей; - матрица-столбец узловых напряжений; - матрица-столбец задающих токов.

В разработанной модели содержатся 28 узлов (земля принята за путевой узел).

С помощью разработанной модели были проанализированы 4 режима работы линии.

1. Нормальный режим при симметричной нагрузке.

2. Обрыв нулевого провода в начале линии при несимметричной нагрузке (проводимости двух фаз одинаковы, третьей - отличается в 2 раза) при наличии внешних связей со смежными линями по нулевому проводу.

3. То же при отсутствии внешних связей со смежными линиями по нулевому проводу.

4. Обрыв нулевого провода с коротким замыканием фазного и нулевого проводов.

Расчеты с помощью указанной модели показали, что выбором сопротивлений повторных заземлений и внешних связей со смежными линиями в режиме обрыва нулевого провода без КЗ на него одного из линейных проводов можно ограничить отклонения фазных напряжений до допустимых пределов.

При практических расчетах можно использовать расчетные выражения, полученные с помощью метода эквивалентного генератора. Рассмотрим В Л напряжением до 1 кВ, питающуюся от трехфазного трансформатора, например, со схемой соединения У/ У -0 (рис 2). Линия защищена предохранителями Б. Известны сопротивления заземления 11з, повторного заземления в конце линии Ип.з.> проводимости фаз ( с нагрузкой) УА, Ув , Ус . Нулевой провод имеет разрыв.

В анализе использован метод эквивалентного генератора. В соответствии с ним делается разрыв в цели повторного заземления и вычисляется ЭДС холостого хода по выражению (рис.3,а)

У, ч- У, + Ус где ЕЛ,ЁВ,Ёс - комплексы ЭДС фаз А,В и С соответственно;

УА, Ув , Ус - комплексы полных проводимостей фаз.

Так как в режиме холостого хода нулевая последовательность в токах отсутствует, то полные проводимости фаз являются ироводимостями прямой последовательности ( проводимости прямой и обратной последого:-" „ ! вательности приняты равными, что соблюдается практически всегда). Полные проводимости фаз определяются по выражению

У1 = (гп + гл,+ гш)"1, где - полное сопротивление короткого замыкания трансформатора; Ъти - полное сопротивление фазы ВЛ; 2цг полное сопротивление нагрузки.

По значению Ехх вычисляется ток 13 в сопротивлениях и Яп.з (режим короткого замыкания, рис.3,6), напряжение между нейтральной точкой звезды силового трансформатора Их и нагрузки (в конце линии) Затем вычисляются напряжения на приемниках фаз по выражению

Офк = ЕФК-1^ или

А ы

1,/М.Я.С )

1)

Следует отметить, что проводимости У; фаз являются проводимостя-ми нулевой последовательности, что особенно важно при учете сопротивления трансформатора, то есть = (2-го + 2Л0+ Zнo ) , где Ъю - полное сопротивление нулевой последовательности трансформатора;

Х»о - то же для ВЛ;

1цо = 2Н1 - полное сопротивление нафузки. Введем дополнительные упрощающие положения.

Хад

Обозначим 0т = — напряжение смещения нейтралей в режиме

-я.в.с холостого хода. Заменим в первом приближении ^ V' и2 гг2

I о с л.а.с ; °иагр «® где ис - линейное напряжение сети;

5тном - номинальная мощность трансформатора. Обозначим Яз2;=К-з + И-из, тогда выражение (1) принимает вид и<ж=Ефк-им-. (2)

Основной критерий отсутствия недопустимого отклонения фазных напряжений

Рис. 2 Упрощённая электрическая схема линии напряжением до 1 кВ

Ь ) связь Ит-Ыц замкнута

Рис. 3 Схема замещения линии напряжением до 1 кВ сопротивления заземлений кзгдол 5-/ л°п —г

С учетом (3), полагая расчетное отклонение напряжения равным допустимому, получаем AUт„ —--• (4)

Из выражения (4) можно получить допустимое значение суммарного

U^ç St.HOM [Uoo ~ дол )

В качестве примера рассмотрим короткое замыкание фазного и нулевого проводов в конце линии, выполненной алюминиевым проводом А-35. Нулевой провод в месте соединения с трансформатором оборван. Длина линии 1 = 0,5 км. Удельное сопротивление линии Zo.yn.n~ 0,83 Ом/км; сопротивление прямой последовательности Zn= 0,415 Ом. Номинальная мощность трансформатора St.hom = Ю0 кВА, схема соединения Y/Y. Сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора Zq т = 0,78 Ом, прямой последовательности Z,T = 0,075 Ом.

Считаем, что трансформатор работает с номинальной симметричной ншружой, т.е. г;1 «о2 z = = Ом. STH0M 100-Ю3

Вычислим значение UQ0 но выражению

ГТ вс

ЫА.В.С где (Ya=(Zit+Z„)'! = (0,075+0,415)"' = 2,04 Сим;

YB=YC = (Z1T+ Zj. + Zhatp)"1 = (0,075+0,415+1,44)"' = 0,518 Сим; Y, = 2,04+0.518+0,518 = 3.08 Сим. л.й.С

После подстановки числовых значений получим иж « 110 В.

Допустимое значение суммарного сопротивления заземлений составляет

Кзелоп, =. „0,32 Ом.

I00-104U0-22)

Из приведенного примера видно, что при нормативных значениях сопротивлений заземлений в случае обрыва нулевого провода с коротким замыканием на него линейного провода фазные напряжения неповрежденных фаз превысят допустимый уровень. Расчет показывает, что эти напряжения достигнут 290 В (при допустимом значении 242 В).

Таким образом, выбором сопротивлений повторных заземлений в аварийных условиях ( короткое замыкание линейного провода на нулевой с обрывом последнего) не удается обеспечить сохранение фазных напряжений в допустимых пределах. Выходом из создавшегося положения является оснащение линий и потребителей специализированными устройствами защиты. При этом следует рассмотреть возможность использования в качестве параметров, на которые реагируют устройства защиты, фазных напряжений и токов нулевой последовательности (в нулевом проводе, сопротивлении заземления силового трансформатора и тока, подходящего к нейтрали трансформатора).

1.2. Система защиты однофазных приемников от повреждений и анормальных режимов

Основными аварийными и анормальными режимами для линий и однофазных потребителей напряжением до 1 кВ являются: короткие замыкания; м перенапряжения (атмосферные или обусловленные попаданием напряжения выше 1 кВ в сеть до 1 кВ); недопустимые значения токов утечки на землю (по условиям безопасности для жизни человека и животных, а также пожароопасно-сти); перегрузки; отклонения напряжения выше допустимых значений.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок, требованиями законодательных актов, нормативной документацией по обеспечению потребителей электроэнергией и Правилами пользования последней, устройства защиты должны действовать следующим образом (таблица 1).

Таблица I

Требуемые действия защиты в сети до 1 кВ

Вид повреждения или анормального режима Действие защиты Повторная подача питания

1 Короткие замыкания Отключение Вручную

Перенапряжения Ограничение напряжения до допустимого значения Автоматическая

3 Недопустимые значения токов утечки на землю Отключение Вручную

4 Перегрузка Отключение Автоматическая (после выдержки времени, достаточной для охлаждения приемника)

5 Отклонения напряжения выше допустимых значений Отключение Автоматическая

Сети напряжением до 1 кВ строятся по радиальному принципу (рис.4). Питающий трансформатор 'Г обеспечивает питание одной или нескольких линий V/ (воздушных или кабельных). Распределение энергии осуществляется с помощью распределительных пунктов РШ-РГШ. Последний из них используется для непосредственного питания однофазных электроприемников. Применительно к жилому многоквартирному дому можно идентифицировать РГТМ как этажный или квартирный щиток, а остальные РП2-РП(Ы-1) - как щитки дома, подъезда и др.

Система защиты сети напряжением до 1 кВ должна минимизировать ущерб в аварийных и анормальных режимах при приемлемых инвестициях и эксплуатационных расходах. По экономическим соображениям не на всех автоматических выключателях (У следует устанавливать полные комплекты защит.

На рис.4 приведена предлагаемая схема расстановки устройств защиты однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ. Защита от перенапряжений осуществляется разрядниками Е1-ЕЗ и ограничителями перенапряжений ЯьР-г- Защита от коротких замыканий обеспечивается максимальными расцепителями I» автоматов (^РЫ^ЕЫ, от перегрузки - тепловыми расщепителями 1> (или аналогом их). Защита от прикосновения осуществляется с помощью известных устройств защитного отключения (УЗО) Д 1>. Новым элементом, предлагаемым к реализации, являются устройства защиты от недопустимых отклонений напряжения |Д£/|>, которые следует устанавливать в различных точках сети: непосредственно у потребителя (ОМ) или в щитках (квартирном, этажном). Предлагается также оснастить питающую трансформаторную подстанцию защитой от отклонений фазных напряжений по одному из двух принципов.

1. Для районов с малым удельным сопротивлением грунта - разность Д10 токов (подтекающего к нейтрали трансформатора Т из земли и в нулевом проводе).

2. Для районов с большим удельным сопротивлением грунта - трехфазное реле максимального напряжения, реагирующее на фазные напряжения и осуществляющее короткое замыкание в конце линии контактором КМ. При возникающем при этом коротком замыкании действует максимальный расцепитель автомата ОР2 и обесточивается линия Ш. Контакторы должны быть установлены на всех линиях, отходящих от шин РП1.

Автором предложены структурные схемы комплектных устройств защиты однофазных приемников от повреждений и анормальных режимов, изображенные на рис.5 и 6. В их состав входят: <3- автоматический выключатель, обеспечивающий отключение питания при коротких замыканиях, перегрузке и токах утечки (прикосновении к фазному проводу, находящемуся под напряжением), I ^ - реле токовой отсечки; I -11 - реле перегрузки; ДТТ - дифференциальный трансформатор тока; ПО - пороговый орган (компаратор); ВО - выходной орган; ИЛИ1 - первый элемент ИЛИ; КМ

Рис. 4 Предлагаемая схема расстановки устройств защиты в электрической сети напряжением до 1 кВ

РЕЕМ 11

N1 П

5 Структурная схема комплектного устройства защиты однофазных приёмников ( вариант 1)

РЕ

РЕ

РЕМ |1 N

Питающая сеть О ф I» г|~1

1> ДТТ и >

Нагрузка

N1 И

Рис. 6 Структурная схема комплектного устройства защиты однофазных приёмников ( вариант 2)

Рис. 7 Принципиальная схема МЗОН контактор переменного тока; и>, 11< - реле максимального и минимального напряжения, соответственно; ИЛИ2 - второй элемент ИЛИ.

Комплектное устройство по варианту 1 работает следующим образом. В нормальном нагрузочном режиме автомат С! и контактор КМ включены, потребитель получает питание. Реле токовой отсечки, перегрузки, максимального и минимального напряжения, а также пороговый орган ПО находятся в несработанном состоянии. При коротком замыкании в цепи нагрузки срабатывает реле отсечки I» и отключает автомат через первый элемент ИЛИ1. При возникновении перегрузки срабатывает реле перегрузки I > и также отключает автомат С>. Если ток утечки достигает недопустимого значения, то вторичный ток дифференциального трансформатора тока (пропорциональный разности токов фазного и нулевого проводов) достаточен для срабатывания органа ПО. Последний отключает автомат О через первый элемент ИЛИ1.

Если отклонение напряжения превышает допустимое по модулю значения, то срабатывает одно из реле напряжения 1Ь или и< и производит отключение контактора через второй элемент ИЛИ2.

Достоинством предложенной структурной схемы является то, что она устраняет отмеченный письмом Главгосэнергонадзора № 46-6/34-ЭТ от 23.10.95 г. недостаток электронных устройств защитного отключения (УЗО). Последний заключается в том, что при обрыве нулевого провода электронное УЗО теряет питание и оказывается неработоспособным. В случае использования предложенного комплектного устройства обрыв нулевого провода (равно как и фазного провода) вызывает отключение контактора КМ и питание к нагрузке не подводится.

В структурной схеме защиты по рис.6 используется ключ К, управляемый реле максимального напряжения и дополнительный резистор Я. На рис. 7 приведена принципиальная схема модуля защиты от отклонений напряжения для второго варианта комплектного устройства. При появлении отклонений напряжения, превышающих порог срабатывания модуля, последний создает ток утечки достаточный для срабатывания УЗО.

11редппиятием " Ирис " ( г, Ростов-на-Дону) разработана техническая документация и выпущена опытная партия в количестве 100 экз. предложенных модулей защиты. Модули внедрены в городском хозяйстве г. Ростова-на-Дону.

2.СНИЖЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ

ОБРЫВЕ НУЛЕВОГО ПРОВОДА. В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ [3] Для уменьшения отклонений фазных напряжений предложено построить трехфазную четырехнроводную сеть напряжением 0,4 кВ следующим образом (рис. 8):

Рис.8. Однолинейная схема предлагаемой сети 0,4 кВ

1) соединить между собой нулевые точки обмоток низшего напряжения питающих трансформаторов смежных подстанций системы электроснабжения;

2) соединить между собой концы нулевых проводов смежных линий напряжением 0,4 кВ.

При этом для уменьшения сопротивления нулевой последовательности силовых трансформаторов последние должны иметь схему соединения треугольник-звезда с выведенной нейтралью.

Исходя из требований надежности, целесообразно соединить нейтраль каждого трансформатора с нейтралями двух смежных. Это позволит исключить повреждение однофазных приемников при одновременном обрыве нулевых гшоводов на двух линиях, отходящих от смежных подстанций. Соединение нейтралей трансформаторов и нулевых проводов линий повышает безопасность обслуживания линий, так как при обрыве нулевого провода ни одна из его частей не оказывается под напряжением, близким к номинальному фазному.

Заменим сопротивления линий связи \¥св „], \¥св¡а 2 начале линии \У., питаемой от трансформатора Т1, и в конце линии \¥сз.кЬ ЛЛГСВ.К2, включая основные и повторные заземления смежных линий, питаемых от трансформаторов Т2 и ТЗ, одним эквивалентным Zcв. Тогда при обрыве нулевого гшовода на линии *\лч можно записать и

I.?.

6) л,в.с ) + Яъи

Полагая напряжение между нейтралями равным допустимому отклонению, получим

ЛЬ» = W

-а.в.с

7 R св.доп ЗЕдоп! сплоа ^ЗГаоп!

7) где ZCB лоп, Кз^доп! — допустимые значения сопротивлений связи и заземлений, соответственно. Полагая ZCBaon= const, можно записать

Л,я,с

-A U,

Аналогично, полагая R3&,oni= const,

AV 2

-лг/

-Л.Й.С

Наибольшую трудность при определении 2СВ.Д0П представляет нахождение расчетного режима работы линии При этом следует рассмотреть несколько вариантов режимов:

1. Короткое замыкание фазного провода на нулевой с обрывом последнего.

2. Обрыв фазного и нулевого проводов.

3. Обрыв нулевого провода при несимметричной нагрузке.

В первом варианте напряжения неповрежденных фаз в пределе достигают 380 В, т.е. отклонения напряжения недопустимо велики. Однако этот режим является кратковременным и в этом случае должна действовать защита линии (автоматы или предохранители). Поэтому указанный режим не следует принимать в качестве расчетного. Эффективными средствами в этом режиме являются устройства защиты однофазных приемников от отклонения напряжения и автоматические регуляторы напряжения на вводе у потребителя (на случай отказа защиты линии).

Второй вариант характеризуется несколько пониженными напряжениями у однофазных приемников (в пределе 190 В). Определим требуемое сопротивление Тодоп в этом режиме. Будем полагать сопротивления нагрузки неповрежденных фаз одинаковыми и соответствующими номинальной мощности питающих трансформаторов. Тогда указанные сопротивления равны где ином = 380 В — номинальное линейное напряжение; 5„ом — номинальная мощность трансформатора.

Принимая ином = 0.4 кВ (с целью учета сопротивления фазных проводов), получаем проводимости фаз Уф.„ = 1/2ф н (табл.2).

Таблица 2 ном> кВ-А 100 160 250 400

См 0.625 1.0 1.56 2.5

Значение допустимого сопротивления Z0 доп определяется с помощью выражения I у

Ф фн2УфЛЯ0П+1|

Данное выражение получено из (6) путем замены г. + Д„ на при Уф А = 0, Уф в = У^.с = Уф.„. После преобразований получим доп

Учитывая, что ДИ-ц- = 0,1 ЕфН,, имеем

1 =—— О. ДОП . ^ у фн

Допустимые значения 20 л0П приведены в табл. 3.

Таблица 3 $ном> К^А 50 100 160 250 400

2о.доп, Ом 1 0.4 0.2 0.125 | 0.08 0.05 значения г,свдоп при нормированном сопротивлении Кз^ = 4 им приведены в табл.4.

Таблица 4 ном) кВА 50 100 160 250 400

2св.доп, Ом 0.44 0.21 0.129 0.08 0.05

Выполненные расчеты показали, что в рассматриваемом режиме для увеличения напряжения неповрежденных фаз до 198 В требуется прокладка мощных линий связи между подстанциями. Однако в этом нет необходимости, так как при напряжении, находящемся в пределах 180-240 В не наблюдаются повреждения однофазных приемников. Поэтому вариант 2 не является расчетным режимом.

В качестве расчетного следует принять вариант 3, характеризующийся обрывом нулевого провода при несимметричной нагрузке фаз.

Используя выражение (6), можно вычислить значения допустимого сопротивления связи между нейтральными точками источника и приемников при следующих допущениях:

1) нагрузка имеет активный характер;

2) проводимости двух фаз одинаковы и равны Угаах=Уф а третьей фазы -Y

1 mm

Тогда выражение (1) при Uoo = Дидап= ОДЕф преобразуется к виду (R^ заменено эквивалентным сопротивлением zo.aon): где K=Ymin/Ymax — параметр, характеризующий несимметрию нагрузки. Вычисленные по выражению (8) значения Z0m„ приведены на рис.9. Расчеты, выполненные для реальных сетей напряжением 0,4 кВ, показали, что во многих случаях дополнительные связи между нулевыми проводами позволяют уменьшить отклонения фазных напряжений до допустимых значений. Так, например, при мощности питающих трансформаторов SB0M= 250 кВА и расстояниях до каждой из двух смежных подстанций L = I км для этого достаточно выполнить указанные связи сталеалюминие-вымй проводами АС-35.

Для определения параметров связей разработаны инженерная методика (для ручного расчета) и математическая модель (для автоматизированных расчетов), реализованные с помощью программы для персонального компьютера IBM PC.

Важное практическое значение имеет оценка допустимой степени неравенства нагрузок по фазам (неравенства токов в фазных проводах). С помощью несложных математических преобразований можно получить два выражения для ДГ/ф (принято, что нагрузка имеет активный характер): при ЪА<ЪВ = Ъс д/7. = ф при ZA > ZB = Zc

0.75 + 1 —" + 0.25] 1+2 К J

Л; (9)

-г г. ,

На рис. 10 приведены результаты расчетов по выражениям (9 ) и (10 ). Видно, что если неравенство токов в фазах при исправном нулевом проводе не более 27 %, то при обрыве последнего отклонения фазных напряже

ЦТГТ* ИД» ГТГ\С»Т>Г.ТТТ701Г\Т 1 П О/л ГТгЧ-ЭТГ^.ГЛ.' ГТ -^паТ.-Т-ТЛГЛи"АГ>!/■ ТXV гтг\гт жен допускать неравенства токов в фазах линии, превышающего 27%, чтобы исключить при обрыве нулевого провода появление недопустимых отклонений фазных напряжений.

Рис. 9. Допустимые значения сопротивлений между нейтральными точками источника и нагрузки

Рис. 10. Оценка влияния неравенства нагрузок по фазам на ДиФ

3. ВЫБОР СЕЧЕНИЯ НУЛЕВОГО ПРОВОДА ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 0,4 КВ КОММУНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ [ 5 ]

Сопротивление нулевого провода должно удовлетворять следующим требованиям.

1. В нормальных режимах при несимметричной нагрузке падение напряжения в нулевом проводе должно быть относительно невелико, чтобы отклонения фазных напряжений у приемников не выходили за допустимые пределы, определенные стандартом на качество электроэнергии.

2. Обрыв любого из проводов фаз линии не должен приводить к недопустимому снижению напряжений неповрежденных фаз.

3. Сечение нулевого провода должно быть экономически оправданным по капитальным затратам и эксплуатационным расходам.

Ькирузка линии, как правило, несимметрична, что является причиной появления недопустимых значений фазных напряжений при обрыве нулевого провода. Добиться полной симметрии нагрузки в общем случае невозможно. По этой причине важно определить допустимую границу несимметрии, при которой обрыв пулевого провода не создает опасности выхода из строя однофазных приемников. В разделе 2 показано, что при обрыве нулевого провода фазные напряжения находятся в допустимых для аварийного режима пределах, если неравенство токов в фазах удовлетворяет условию д/ , где Гтах, Гт,„ - модули наибольшего и наименьшего фазных токов.

Режим работы линии с указанным значением М. следует принять в качестве нормального расчетного (д1,расч= 0,27). По указанному режиму при максимальной нагрузке линии необходимо определять сечение нулевого провода. Можно показать, что допустимое падение напряжения в нулевом п^ово "е гп^и этом

V индол ~ 0,05 Иф.тм—^-1 В, где 220 В - номинальное фазное напряжение.

Нагрузка на участках линии неодинакова, имеет ступенчатый характер, что не позволяет использовать в расчетах принцип экономической плотности тока. В коммунальных сетях в первом приближении можно принять распределение тока в фазных и нулевых проводах вдоль длины линии равномерным. Указанное допущение базируется на приблизительно одинаковой плотности нагрузок вдоль длины линии. Тогда ток в точке, находящейся на "асстоянки х от начала линии, ^авен (11) где !„„ „ -ток в нулевом проводе в начале линии; / - длина линии.

Падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода составляет

Ч'-тК^Ч1-^"0^^'(12) где - сопротивление нулевого провода от начала линии до точки х; Кн„ „ - активное сопротивление нулевого провода линии; р = 0,0282 Ом-мм2/м -удельное электрическое сопротивление алюминия; - сечение нулевого провода.

Обычно у воздушных линий напряжением 0,4 кВ отношение активного сопротивления нулевого провода к его полному сопротивлению находится в пределах = 0,8+0,9. С учетом этого падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода игт = (0,8+0,9) им„.а0„. Тогда по выражению (12) можно вычислить сечение нулевого провода. Значения q„„ для 1 = 1 км при М.расч Для различных нагрузок линии приведены в табл.5.

Таблица 5

Допустимые значения в нормальном расчетном режиме

Б, кВА 50 100 160 250 400

Ч»/» 32,9 + 65,8 + 105 + 164 + 263 +

ММ 28,9 57,9 92,6 145 231

Обрыв фазного провода не должен привести к снижению напряжений неповрежденных фаз более чем 0,9 ¡Уф.„ОЛ(. Учитывая это условие, с помощью расчетов с использованием векторной диаграммы напряжений неповрежденных фаз, можно найти допустимое напряжение на нулевом проводе ин„доп = 0,225 ифном и вычислить ссчение последнего. При принятом законе изменения тока в фазных проводах линии падение напряжения на активном сопротивлении нулевого провода при максимальной нагрузке фаз равно г, Г/ Г. Лр^-пкг гнп ~ I » „ИХ | * .1 5 V (;<?„„ ?.„ где 1РЛах - ток нагрузки линии в нормальном максимальном режиме.

Вычисленные по выражению (13) значения для длины линии 1 = 1 км при \Згнп = (0,8+0,9) и„„ приведены в табл.6.

Таблица 6

Допустимые значения ач„ при обрыве фазного провода в нормальном расчетном режиме л ^

У'-'/

1 ~ ! . 1 ии !Ои ¿эи 400 кВА Я,т,ММ2 23,6+21 47,3+41,6 75,6+66,6 118+104 188+166

Экономически целесообразное сечение нулевого провода ограничивается капитальными затратами и стоимостью потерь в нем. Существует мнение, что потери от токов нулевой последовательности, в том числе в нулевом проводе, являются основной составляющей потерь в линии и уменьшение потерь от составляющих нулевой последовательности существенно сказывается на суммарных потерях. Определим вклад указанных составляющих в расчетном режиме. Пусть в одной из фаз ток максимален 1тах» = 1,0, а в двух других минимален 1тщ. = 0,73. Сдвиг по фазе между токами равен 120°. Токи отдельных последовательностей по методу симметричных составляющих равны: I]. = 0,82; 12.= 1о.= 0,09; ток в нулевом проводе 1„„ ,= 0,27. Потери в линии, обусловленные отдельными составляющими: Р,. = 3 • 0,822 = 2,0172; Р2. = Р0. = 3 • 0,092= 0,0243; ?„„,= 0,1458 (если в наихудшем случае 11Л„= 21^, где К.н„, - активные сопротивления фазного и нулевого проводов, соответственно).

Доля потерь, вызванных токами нулевой последовательности, составляет дРот%=-^.±5«:---юо к 7,69%.

Таким образом, потери, обусловленные токами обратной и нулевой последовательностей в расчетном режиме не влияют существенным образом на суммарные потери в линии. Выбор режима с более высоким значением ДГ, в качестве нормального расчетного не оправдан, так как это приведет к массовому повреждению однофазных приемников при обрыве нулевого провода. Определение экономически целесообразного сечения нулевого провода производится при допущении, что ток в нулевом проводе изменяется по закону, описанному выражением (2.1). Потери в нулевом проводе равны о О Чт 3 <?„„

Значение !„„.„ следует принять равным 0,27 11ШЦ.

Расчетные затраты на единицу длины нулевого провода воздушной линии определяются по выражению

3 = + рЛ^Х (14)

V -> <?,, ) где р„ = 0,16 - нормативный коэффициент экономической эффективности ¡сапиталовложепий /7/;

Куо - удельные капиталовложения (руб/м-мм2) в нулевой провод длиной 1 м и сечением 1 мм ра = 0,03 — норма амортизации;

Г1 — гтаг.тллт^. 1 рНт.и ППГАТМ. "Т'ЧГТ'Л/Л'ЛСГ^ГЛГТТ ■ т - время наибольших потерь.

Ущерб от обрыва нулевого провода в формуле расчетных затрат не учитывается, так как в данном режиме обрыв этого провода не приводит к недопустимым отклонениям фазных напряжений.

Таблица 7

S, кВА 50 100 160 250 400

Ч:ж, ММ 11,78 23,6 37,6 58,9 94,24

Затраты минимальны, если выполняется условие (получено путем дифференцирования выражения (14) ) . sp- 1 п т2 Р р„^ра)куь= -Сг,™ /„„» — 7> ^ <7™ откуда экономически целесообразное сечение нулевого провода qH„ эк составляет

IS? "

4p„ + pj л",„

Стоимость воздушной линии длиной 1 км напряжением 0,4 кВ в настоящее время в среднем равна 150 103 руб.; стоимость нулевого провода (с монтажом) ориентировочно составляет 5% от стоимости линии, т.е. 7,5 • 103 руб. (при сечении провода q„„ = 50 мм2). Таким образом, в первом приближении можно принять = 150 руб/м-мм2. Экономически целесообразные сечения нулевого провода воздушной линии при т = 4000 час приведены в табл. 7.

Если воздушная (или кабельная) линия питает сосредоточенную нагрузку, то сечение ее нулевого провода может быть определено с помощью выражений (12-14) с учетом следующих корректировок. В выражение (12) вместо 0,5 lmH следует подставлять в выражение (13) вместо 0,5 Imitt следует подставлять lmax\ а в выражение (14) вместо , соответственно i аким ооразом, в существующих экономических условиях определяющим для выбора сечения нулевого провода является нормальный ре-жиу 7аботы линии при допустимой несимметрии токов (л/. =0,27).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение важной прикладной задачи повышения надежности функционирования однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ в распределительных электрических сетях.

Выполненные в диссертации исследования позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Разработаны математические модели распределительной линии напряжением до 1 кВ, учитывающие наличие замкнутой системы нулевых проводов в электрической сети. Установлена необходимость оснащения электрической сети напряжением до 1 кВ специальными устройствами защиты от отклонения напряжения.

2. Предложена система защиты электрической сети напряжением до 1 кВ от отклонений напряжения. Разработаны два варианта комплектных устройств защиты однофазных электроприемников от отклонений фазного напряжения, использующие в качестве основы промышленные устройства защитного отключения. На базе одного из предложенных вариантов проведена ОКР и выпущена опытная партия модулей защиты от отклонений напряжения. Модула внедрены в городском хозяйстве г.Ростова-на-Дону.

3. Предложена и обоснована распределительная сеть напряжением до 1 кВ с замкнутой системой-нулевых проводов, обеспечивающая снижение до допустимого значения отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода. Применение предложенной замкнутой системы кулевых проводов особенно целесообразно при новом сетевом строительстве.

4. Установлено, что при оборванном нулевом проводе на линиях напряжением до 1 кВ отклонения фазных напряжений не превышают допустимого значения, если неравенство токов в линейных проводах не превышает 27%. Это положение является кри орием допустимой несимметрии токов и д - - : ; - . .- ■ • алом электрических сетей при осуществлен» С;.; :

5. Предложен о \ • ■ •. .го провода воздушных и кабельных л- >ующий критерий допустимой не;.;»-. отклоне'" >же-ния (устак- - • оми ажения. Уста, л; V 'ри выборе с;- ь - ,спеченке треоован < напряжений.

6. Ре •• мя «Городе . ' ния кза-лификаци

1. Кужеков С . ¡а^ов C.B. Городские электрические сети: Учебное пособие/ Южпо-Российский гос. техн. ун-т.-Новочеркасск, " Набла". 2000 г. 237 с.

2. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. О защите однофазных приемников электроэнергии от недопустимых отклонений напряжения // Изв. Вузов. Электромеханика. 1997. № 6. С. 57-61.

3. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. Снижение отклонений фазных напряжений при обрыве нулевого провода в электрических сетях напряжением 0,4 кВ // Изв. Вузов. Электромеханика. 1998. № 2-3. С.62-64.

4. Кужеков С.Л., Варфоломеев Е.П., Гончаров C.B. Защита однофазных приемников электроэнергии напряжением ниже 1 кВ. // Изв. Вузов. Электромеханика. 1998. № 2-3. С.121.

5. Кужеков С.Л., Гончаров C.B. О выборе сечения нулевого провода линий напряжением 0,4 кВ коммунальных электрических сетей. // Изв. Вузов. Электромеханика. 1999. №3. С.100-102.

6. Гончаров C.B. Модуль защиты от отклонений напряжения для устройств защитного отключения. // Изв. Вузов. Электромеханика. 2000. №3.

Подписано в печать 2'1 {0, 2 ООО г Объем {О п. л.

Печать оперативная. Тираж {OD. Заказ W6{

Южно-Российский государственный технический университет Типография ГОРГТУ Адрес ун-та и типографии: 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132