автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Повышение уровня электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1000 В при однофазных коротких замыканиях

На правах рукописи

¡^йс^У

Валеев Рустам Галимянович

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда (электроэнергетика)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

27 НОЯ 2014

Челябинск — 2014

005555924

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 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский 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 интернет-портале ЮУрГУ: http://www.susu.ac.ru:8001/ru/dissertation/d-21229805/valeev-rustam-gaHrnyanovich.

Автореферат разослан «/^ » ■/ j_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 Д212.293.0,5 / , Григорьев

д. т. н., доцент

Максим Анатольевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ литературных источников показал, что в России эксплуатируются примерно 800 тыс. км воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением 380 В. Это составляет почти треть (32,76%) от общей протяженности электрических сетей напряжением 0,38-220 кВ. Из них свыше 50 % отслужили более 30 лет. Показатели надежности электроснабжения в связи с высоким износом распределительных электрических сетей напряжением 380 В за последние годы снижаются. По данным ОАО «Россети» по состоянию на 2013 г. в сетях напряжением 380 В в среднем за год происходит до 100 отключений на 100 км.

Одним из частых видов повреждений В Л напряжением 380 В являются однофазные короткие замыкания на нулевой рабочий провод и связанные с ним металлические конструкции (корпуса электрооборудования, заборы, гаражи, трубопроводы и т. д.). Возникающие при этом токи обусловливают появление опасных для людей и животных напряжений прикосновения и шага. Кроме того, они могут являться причиной возникновения пожаров.

Сегодня для защиты ВЛ от однофазных коротких замыканий в основном применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели, устанавливаемые в начале воздушной линии. Известно, что зона действия данных аппаратов защиты в большинстве случаев не превышает 100— 250 м от начала воздушной линии. В то же время для отдельных ВЛ электрических сетей напряжением 380 В характерны достаточно большая протяженность, достигающая 2000 м, и, как следствие, неэффективность работы токовых защит, основанных на применении плавких предохранителей и автоматических выключателей.

До появления седьмого издания Правил устройства электроустановок (ПУЭ) главным критерием выбора параметров плавких предохранителей и автоматических выключателей являлся коэффициент чувствительности, минимальное значение которого равнялось 3, что соответствовало времени срабатывания защиты с учетом разброса их защитных характеристик примерно 80 с. В ПУЭ седьмого издания в качестве главного критерия эффективности работы аппаратов защиты принято время срабатывания, которое не должно превышать 5 с для сетей, питающих вводные распределительные устройства, распределительные щиты и т. д. Известные на сегодня методические рекомендации по выбору параметров и мест расстановки токовых защит опирались на требования предыдущих изданий ПУЭ, которые не соответствуют требованиям ПУЭ 7-го издания.

В настоящее время отсутствует методика выбора параметров и мест установки плавких предохранителей и автоматических выключателей по длине воздушной линии напряжением 380 В, применение которой обеспечивает время срабатывания токовых защит не более 5 с. Это создаёт предпосылки к принятию ошибочных решений по выбору параметров и места

расстановки токовых защит в электрической сети как на этапе проектирования, так и эксплуатации. Поэтому создание новой методики выбора параметров и мест установки плавких предохранителей и автоматических выключателей является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - повышение уровня электробезопасности при эксплуатации электроустановок путем разработки новой методики выбора параметров и мест расстановки плавких предохранителей по длине воздушных линий электропередачи напряжением 380 В, обеспечивающей время срабатывания защиты не более 5 с.

Для достижения заявленной цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Выполнить анализ влияния различных факторов на величину тока однофазного короткого замыкания в воздушных четырехпроводных линиях напряжением 380 В и предложить необходимые изменения в методику расчета токов однофазного короткого замыкания.

2. Разработать компьютерную модель электрической сети напряжением 380 В, позволяющую проводить анализ работы этой сети как в нормальном, так и в аварийных режимах.

3. С учётом результатов, полученных на компьютерной модели, сформулировать требования к физической модели и опытной электрической сети, создать эти объекты и провести комплекс исследований режимных параметров на этих объектах.

4. Разработать методику выбора параметров и мест расстановки токовых защит, применение которой на стадии проектирования и при эксплуатации будет обеспечивать время их срабатывания не более 5 с.

Объект исследования - воздушные линии электропередачи напряжением 380 В в режиме однофазного короткого замыкания.

Предмет исследования - установление закономерностей в изменении тока однофазного короткого замыкания под воздействием различных факторов, позволяющих обосновать построение защиты воздушных линий электропередачи напряжением 380 В, отвечающих требованиям ПУЭ 7-го издания и тем самым обеспечивающих повышение уровня электробезопасности.

Методологическая и теоретическая основа исследования. В основу работы легли труды В.А. Андреева, A.B. Беляева, И.А. Будзко, Н.Д. Григорьева, И.О. Егорушкина, А.Б. Ослона, И.П. Крючкова, O.K. Никольского, П.И. Спевакова, И.Ф. Суворова, С.А. Ульянова, А.И. Якобса и др., внесшие значительный вклад в теорию расчета аварийных режимов в электрических сетях напряжением 380 В и построения защиты указанных электрических сетей. При проведении работы использованы фундаментальные положения теоретических основ электротехники, теории электробезопасности, а также методы компьютерного, физического моделирования и натурных испытаний.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются корректным применением известных методов расчета и анализа электрических цепей, экспериментальными исследованиями аварийных режимов работы электрической сети, корректным использованием вычислительных программных комплексов, удовлетворительной сходимостью данных компьютерного и физического моделирования с результатами экспериментов и измерений в опытной электрической сети напряжением 380 В.

Научная новизна основных положений и результатов, выносимых на защиту:

1. Предложен алгоритм расчета токов однофазного короткого замыкания, учитывающий эффект «теплового спада», сопротивление дуги в месте замыкания и сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора и ВЛ, что позволяет уточнить величину токов однофазного короткого замыкания.

2. Обоснована и построена компьютерная модель электрической сети напряжением 380 В в программной среде Ма11аЬ-81тиНпк, отличающаяся возможностью задания параметров сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора и воздушной линии электропередачи напряжением 380 В.

3. Разработана методика выбора параметров и мест расстановки средств токовых защит в воздушной линии напряжением 380 В, применение которой на стадии проектирования и при эксплуатации обеспечивает время их срабатывания не более 5 с.

4. Выполнена оценка повышения уровня электробезопасности в электрических сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1000 В при реализации разработанной методики выбора параметров и мест расстановки токовых защит в воздушной линии напряжением 380 В.

Практическая значимость работы и реализация её результатов:

1. Разработаны рекомендации по уточнению методики расчета токов однофазного короткого замыкания.

2. Разработанная методика выбора параметров и расстановки средств токовых защит передана филиалу «МРСК Урала» - «Челябэнерго» и используется в процессе эксплуатации и при проектировании электрических сетей напряжением 380 В, что подтверждается актом внедрения.

3. В электрической сети, обеспечивающей электроэнергией потребителей села Селезян Еткульского района Челябинской области, проведена расстановка средств токовых защит в соответствии с разработанной методикой выбора параметров и мест расстановки токовых защит, что подтверждается актом использования.

4. Результаты исследований применяются в учебном процессе ЮжноУральского государственного университета при изучении курсов «Безопасность жизнедеятельности» студентами электроэнергетических

специальностей, а также при подготовке специалистов по направлению «Техносферная безопасность».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.26.01 - «Охрана труда (электроэнергетика)», определяющей разработку методов контроля, оценки и нормирования опасных и вредных факторов производства, способов и средств защиты от них.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: V Международной научно-практической конференции «Безопасность в третьем тысячелетии» (ЮУрГУ, г. Челябинск, 2012 г.), LII и LUI международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» (ЧГАА, г. Челябинск, 2013 и 2014 гг.), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (ЗабГУ, г. Чита, 2013 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 2013-2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 3 работы - в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (145 наименований), десяти приложений. Содержит 180 страниц основного текста, в том числе 54 рисунка и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель 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 выполнен анализ состояния электрических сетей напряжением 380 В, дана их краткая характеристика, проведен анализ опасностей, обусловленных возникновением токов однофазных коротких замыканий (ОКЗ), и краткий обзор защит от ОКЗ электрических сетей напряжением 380 В, содержащих воздушные линии электропередачи.

В настоящее время примерно 50 % электрических сетей напряжением 380 В, выполненные воздушными линиями с голыми проводами, отслужили более 30 лет. Реконструкция таких сетей идет медленными темпами, поскольку требует значительных капитальных вложений. Для указанных сетей характерен высокий уровень аварийности и электротравматизма, обусловленный неудовлетворительным техническим состоянием электри-

ческих сетей и, как правило, неэффективной работой релейных защит, установленных в этих сетях.

Известно, что основными требованиями, предъявляемыми к релейной защите, являются чувствительность, надёжность, селективность и быстродействие. Зачастую эти требования не выполняются в силу различных причин, что приводит к опасности поражения электрическим током людей и животных.

Существующие способы и средства защиты от ОКЗ имеют различные принципы действия. Наиболее широкое применение в действующих электрических сетях нашли защиты, реагирующие на повышение токов в фазных проводах (автоматические выключатели и плавкие предохранители) и тока в нулевом проводе (автоматические выключатели, работающие совместно с реле типа РЭ13-2). Применение этих защит обусловлено их простой конструкцией, надежностью и низкой стоимостью.

Защиты, реагирующие на ток в нулевом проводе, имеют ряд недостатков, таких как:

- при ОКЗ отключается вся линия электропередачи;

- необходимость отстраиваться от токов несимметрии;

- возможны ложные срабатывания при пиковых нагрузках и самоликвидирующихся коротких замыканиях (например, схлестывание проводов, перекрытие межизоляционного промежутка птицами и т. д.);

- реле, которые применяются в качестве датчика, включаются в рассечку нулевого провода, повышая вероятность обрыва нуля;

- необходимость учёта снижения токов в нулевом проводе при ОКЗ из-за наличия повторных заземлений нулевого провода.

В данной работе для защиты В Л 380 В в качестве защитных аппаратов предлагается использовать плавкие предохранители по следующим причинам:

- низкая стоимость;

- простота конструкции;

- возможность установки секционирующих аппаратов, что повышает надежность электрической сети в целом;

- не требуют при обслуживании высокой квалификации специалистов.

Такой подход позволит максимально быстро произвести реконструкцию защиты электрических сетей напряжением 380 В и повысить уровень электробезопасности.

Для повышения эффективности работы защиты, построенной на основе применения плавких предохранителей, необходимо определить закономерности в изменении тока ОКЗ по длине линии электропередачи, провести анализ факторов, влияющих на величину тока ОКЗ, а затем разработать методику выбора параметров аппаратов защиты и мест их расстановки в электрической сети так, чтобы это обеспечивало выполнение требований ПУЭ 7-го издания.

Во второй главе рассмотрены существующие методы расчета токов ОКЗ и факторы, влияющие на величину этого тока.

В результате анализа существующих методов расчёта токов ОКЗ установлено, что основными методами расчёта токов ОКЗ являются метод симметричных составляющих и метод фазных координат, а остальные -производные от них.

К числу факторов, заметно влияющих на величину тока ОКЗ, относятся сопротивление силового трансформатора, конструктивные особенности воздушных линий напряжением 380 В, увеличение активного сопротивления проводника при нагреве его током короткого замыкания, сопротивление дуги в месте замыкания и др.

В результате проведенного анализа было установлено, что в методике расчета токов ОКЗ в действующих нормативных документах допущен ряд неточностей.

Сопротивление нулевой последовательности для трансформатора со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем», приведенное в паспорте заводом-изготовителем, некорректно использовать в расчетах тока ОКЗ. Это обусловлено тем, что определение сопротивления нулевой последовательности заводами-изготовителями проводится при испытательном напряжении порядка 10 % от номинального фазного напряжения, чтобы избежать повреждений трансформаторов. Такие испытания дают значение сопротивления нулевой последовательности, отличное от реального в режиме однофазного короткого замыкания. В своё время Всесоюзным энергетическим институтом (ВЭИ) было установлено, что сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора, при увеличении испытательного напряжения Uhoi ДО значений, равных (0,8-l,05)U®, уменьшалось примерно в 2 раза по отношению к заводским данным. Подобные зависимости были получены и в работах профессора A.A. Пясто-лова. Справочные данные о сопротивлениях нулевой последовательности с учетом рекомендации ВЭИ были опубликованы в работе М.Р. Найфельда ещё в 1968 г. и используются по настоящее время. В ней предложено для трансформаторов напряжением 6-10 кВ данные о сопротивлении нулевой последовательности, взятые из паспорта трансформатора, умножать на понижающий коэффициент 0,5-0,55.

В нормативных документах активное сопротивление нулевой последовательности воздушной линии электропередачи (Яовл) принято полагать равным сопротивлению прямой последовательности (Ящл), что некорректно. Активное сопротивление нулевой последовательности воздушной линии электропередачи следует определять по формуле:

Ковл - К-ол(Ф) +3'К-ол(Н)'

(1)

где И-ол(Ф) - активное сопротивление фазного провода воздушной линии (кабельной линии) электропередачи напряжением 380 В, мОм;

К-ол(Н)) - активное сопротивление нулевого провода воздушной линии электропередачи напряжением 380 В, мОм.

Влиянием сопротивления повторных заземлений нулевого провода при расчете тока ОКЗ можно пренебречь, поскольку их наличие только улучшит условия работы защит, реагирующих на ток в поврежденной фазе. В то же время условия работы защиты, включенной в рассечку нулевого провода, ухудшаются. Взаимное расположение проводов воздушной линии на опорах также оказывает влияние на индуктивное сопротивление. Однако разница между значениями сопротивлений, полученными нами для различных типов взаимного расположения проводов, составляет не более 10 %. Поэтому в практических расчетах этот фактор также можно не учитывать.

Учёт сопротивления дуги в месте замыкания представляется достаточно сложной задачей, однозначного решения которой до сих пор нет. Трудность в определении точного значения сопротивления дуги обусловлена тем, что его величина зависит от случайных факторов, таких как скорость ветра, расстояние между токоведущими частями, параметры питающей сети и др. Анализ литературных источников позволил сделать выводы о том, что для трансформаторов мощностью менее 250 кВА включительно сопротивлением дуги в месте замыкания можно пренебречь. За трансформатором мощностью 250 кВА и более удобно использовать поправочный коэффициент Кс, полученный путем обработки примерно 1000 натурных испытаний, проведённых Сибирским отделением ОРГРЭС. Поправочный коэффициент Кс представляет собой отношение тока дугового столба к току металлического ОКЗ. Данный коэффициент в диапазоне изменения полного сопротивления короткозамкнутой цепи от 40 до 200 мОм предлагается определять аналитическим выражением

-0 006-Z^ -0(П12 7^

Кс =0,9177415-0,2103849-е ' к -0,242055-е ' к, (2) где ¿к - модуль полного сопротивления короткозамкнутой цепи, мОм.

При значении сопротивления ZjJ5 более 200 мОм сопротивлением дуги в месте замыкания можно пренебречь, так как его величина будет незначительной по сравнению с сопротивлением Z^.

Эффект «теплового спада» тока короткого замыкания в нормативных документах предлагается учитывать с помощью поправочного коэффициента К0 в зависимости от величины тока короткого замыкания для различных сечений проводов и времени срабатывания защиты - 0,2. 0,6, 1,0 и 1,5 с. Приведенная методика не позволяет оценить влияние теплового спада за время, отличное от заданных.

Комплексная электрическая нагрузка, как правило, приводит к увеличению величины тока ОКЗ в месте замыкания и способствует уменьшению времени срабатывания защиты. Для выбора уставок (параметров) токовых защит необходимо учитывать минимальное значение тока ОКЗ. Поэтому влиянием комплексной электрической нагрузки на величину тока ОКЗ можно пренебречь.

Используя полученные результаты, были разработаны рекомендации по уточнению расчета тока ОКЗ и предложен алгоритм расчета минимального значения тока однофазного короткого замыкания, учитывающий взаимное влияние друг на друга и на величину тока ОКЗ таких факторов, как эффект «теплового спада», сопротивление дуги в месте замыкания, сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей силового трансформатора и ВЛ с учётом уточнённого значения активной составляющей сопротивления нулевого провода.

Таким образом, в данной работе предложено при расчётах токов ОКЗ учитывать не только собственно сами указанные факторы, но и их взаимное влияние друг на друга, т. е. учитывать в комплексе.

В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные исследования режимных параметров электрической сети 380 В.

Для проведения теоретических исследований нами была разработана компьютерная модель электрической сети напряжением 380 В в программной среде МаНаЬ-БтиНпк.

На компьютерной модели были проведены исследования по определению:

— зависимости изменения токов ОКЗ в функции длины В Л 380 В;

— распределения потенциала нулевого провода вдоль В Л 380 В в режиме ОКЗ;

— изменения фазных напряжений при ОКЗ в различных точках ВЛ 380 В.

Результаты, полученные на компьютерной модели, показали, что однофазные короткие замыкания на нулевой рабочий провод могут вызвать значительное повышение напряжения в неповрежденных фазах и привести к появлению опасных потенциалов на зануленных металлических конструкциях даже при наличии повторных заземлителей.

Для оценки корректности результатов, полученных на компьютерной модели, была разработана физическая модель, общий вид которой представлен на рис. 1.

Анализ результатов моделирования на физической модели показал, что компьютерная модель адекватно отражает реальные физические процессы, протекающие в электрической сети.

Исследования, проведенные на компьютерной и физической моделях, позволили сформулировать основные требования к опытной электрической сети напряжением 380 В.

Опытная электрическая сеть - это обособленная реальная электрическая сеть напряжением 380 В, которая получает питание от действующей электрической сети напряжением 10 кВ.

у ___________ ~---------------

Рис. 1. Внешний вид физической модели электрической сети напряжением 380 В

Для проведения натурных исследований на основании проекта, разработанного в Южно-Уральском государственном университете (НИУ), филиал ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго» построил реальную электрическую сеть напряжением 380 В на своём учебном полигоне, расположенном в селе Миасском, обслуживаемом Красноармейским РЭС ПО ^Центральные электрические сети». В состав опытной электрической сети входят трансформатор типа ТМГ-160 кВА, воздушная линия напряжением 380 В длиной 481 м, выполненная, в основном, неизолированным проводом марки АС-4х35 мм" (см. рис. 2).

В опытной электрической сети проведены эксперименты по определению возможности защиты от ОКЗ в точках различной удаленности от питающей трансформаторной подстанции (ТП) плавкими предохранителями и автоматическими выключателями, установленными в начале В Л 380 В. Результаты, полученные в ходе экспериментов, представлены в табл. 1, из которой видно, что ни плавкий предохранитель, ни автоматический выключатель не обеспечивают нормируемое ПУЭ время срабатывания - 5 с.

Необходимо отметить, что даже при двухфазном КЗ время срабатывания автоматического выключателя составило 10,3 с. Все замеры производились двумя измерительными комплектами Ресурс-иР2М, имеющими предельную относительную погрешность по току и напряжению, равную ±0,2 %.

Эти эксперименты подтверждают, что необходима методика выбора параметров и мест расстановки плавких предохранителей, применение которой позволило бы выполнить требования ПУЭ 7-го издания по времени срабатывания защиты.

а) б)

Рис. 2. Внешний вид опытной электрической сети напряжением 380 В а) трансформаторная подстанция 10/0,4 кВ - «Лесная»; б) начальный участок воздушной линии напряжением 380 В

Таблица

Результаты замеров в опытной электрической сети

№ опыта Защитный аппарат, 1ном, А Место ОКЗ, номер опоры Замеренный ток ОКЗ, А Время срабатывания защиты, с

1 ПН-2, 222,6 105,9*

2 100 А 19 222,2 55,4*

3 ВА04-36, 100 А 230 26,2*

4 Двухфазное КЗ на 19-й опоре 447 10,3

* - отключение тока ОКЗ производилось вручную.

В четвертой главе описана методика выбора параметров и мест расстановки плавких предохранителей по длине воздушной линии напряжением 380 В, использование которой при эксплуатации и проектировании позволит обеспечить время срабатывания защиты не более чем 5 с. Приводится описание результатов проверки разработанной методики в опытной электрической сети напряжением 380 В и использование её в действующей электрической сети.

В основе разработанной нами методики выбора параметров и мест расстановки плавких предохранителей в электрической сети лежат следующие положения:

1. Обеспечение отстройки токов срабатывания аппаратов защиты от максимального рабочего и пикового токов защищаемого участка воздушной линии электропередачи.

2. Расчёт минимального значения тока однофазного короткого замыкания в различных точках воздушной линии и построение зависимости тока однофазного короткого замыкания в функции длины линии.

3. Время отключения тока однофазного короткого замыкания автоматическими выключателями или плавкими предохранителями не должно превышать 5 секунд согласно п. 1.7.79 ПУЭ 7-го издания.

4. Обеспечение селективности работы аппаратов защиты смежных участков воздушной линии.

В работе предлагается производить расчет токовых защит графическим методом (см. рис. 3), суть которого заключается в следующем:

1. Рассчитываются минимальные токи однофазного короткого замыкания с учетом сопротивления дуги в месте замыкания, эффекта «теплового спада» в различных точках ВЛ 380 В и их взаимного влияния.

Ц по ПУЭ-6 изд. (Кч = 3) Рис. 3. Графическая интерпретация определения зоны защиты В Л с заданным временем срабатывания

2. Строится график функции изменения величины тока однофазного короткого замыкания от длины участка ВЛ 380 В Iк^ии = Г(Ь) между ТП и точкой ОКЗ.

3. Выбирается номинальный ток плавкой вставки предохранителя по условиям отстройки от рабочих и пиковых токов.

4. По паспортным времятоковым характеристикам плавких предохранителей (^.р = Щ)) и графику функции 1(кМИн = строится зависимость времени срабатывания плавкого предохранителя от длины воздушной линии 0:5 Р = а;ь)).

5. По графику функции г = ЯЬ) определяется зона защиты плавкого предохранителя, установленного в начале ВЛ 380 В, в которой обеспечивается время срабатывания не более 5 с.

6. Если установленный в начале ВЛ 380 В плавкий предохранитель не обеспечивает защиту всей линии, то в конце его зоны защиты устанавливается секционирующий плавкий предохранитель.

Полученные характеристики защиты (см. рис. 3) позволяют наглядно показать несоответствие требований ПУЭ 6-го издания по эффективности работы токовой защиты требованиям ПУЭ 7-го издания и, как следствие, несоответствие существующих методик выбора параметров и мест расстановки плавких предохранителей требованиям ПУЭ 7-го издания. Все переменные на графике, имеющие индекс 7, относятся к ПУЭ 7-го издания, а индекс 6 - к ПУЭ 6-го издания.

Кроме того, нами были построены зависимости зон защиты плавкими предохранителями в функции от мощности питающего трансформатора для различных сечений проводов (см. рис. 4).

100 200 300 400 500 600 8тном,кВА

Рис. 4. Зависимости предельной длины зоны защиты воздушной линии предохранителем ППН-100 А, обеспечивающей время срабатывания = 5 с, в функции мощности трансформатора Ь3 = 1"(8Т Ном) для разных сечений проводов

Зависимости, приведенные на рис. 4, подтвердили, что установка плавкого предохранителя только в начале В Л 380 В, как правило, не обеспечивает защиту электрической сети от ОКЗ в соответствии с требованиями ПУЭ 7-го издания.

Для специалистов, занятых проектированием и эксплуатацией электрических сетей напряжением 380 В, выполненных воздушными линиями, для расстановки плавких предохранителей разработаны и приведены в диссертации зависимости зоны защиты от сечения провода, номинального тока плавкой вставки и мощности силового трансформатора.

Разработанная методика была внедрена в проектно-эксплуатационную деятельность филиала ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго» и впервые использована для расчета защиты электрической сети напряжением 380 В, обеспечивающей электроэнергией село Селезян Еткульского района Челябинской области (см. рис. 5).

Возлушная линия №2

б)

Рис. 5. Выбор параметров и мест расстановки плавких предохранителей по воздушным линиям села Селезян: а) графический расчёт защиты от ОКЗ; б) места установки плавких предохранителей в электрической сети

1000 800 600

Возлушная линия №1

ВА04-36-100 А

П П Н -40 А

Оценка изменения уровня электробезопасности после реконструкции релейной защиты электрических сетей напряжением 380 В по разработанной методике выбора параметров и расстановки плавких предохранителей защит была проведена с помощью логико-вероятностного метода. В результате внедрения данной методики вероятность электропоражения уменьшится не менее чем в 4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложено новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящее в повышении уровня электробезопасности в сетях с глухозаземлённой нейтралью электроустановок до 1000 В при однофазных коротких замыканиях посредством применения на стадии проектирования и эксплуатации методики выбора параметров и мест расстановки токовых защит по длине воздушной линии напряжением 380 В.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы работы:

1. Проанализированы существующие методики расчета токов однофазного короткого замыкания в электрических сетях напряжением до 1000 В и факторы, влияющие на его величину. В результате анализа выявлены неточности в методиках расчета токов ОКЗ и расчетов параметров коротко-замкнутой цепи.

2. Разработаны рекомендации по уточнению методики расчета токов однофазного короткого замыкания. Вносимые поправки в методику расчета связаны с учётом влияния электрической дуги в месте замыкания, эффекта «теплового спада» и сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора и взаимного влияния указанных параметров.

3. Обоснована и построена компьютерная модель электрической сети напряжением 380 В в программной среде МаШЬ-БтиНпк, отличающаяся возможностью задания сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора и параметров воздушной линии электропередачи напряжением 380 В.

4. Разработана методика выбора параметров и мест расстановки токовых защит по длине воздушной линии напряжением 380 В, применение которой на стадии проектирования и при эксплуатации обеспечивает время их срабатывания не более 5 с.

5. Методика выбора параметров и расстановки средств токовых защит передана филиалу «МРСК Урала» — «Челябэнерго» и используется им при эксплуатации и проектировании электрических сетей напряжением 380 В. На основании данной методики была проведена реконструкция защиты электрической сети напряжением 380 В, обеспечивающей электроэнергией потребителей села Селезян Еткульского района Челябинской области, что подтверждается соответствующими документами.

6. Выполнена оценка повышения уровня электробезопасности в электрических сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1000 В при реализации разработанной методики выбора параметров и мест расстановки токовых защит по длине воздушной линии напряжением 380 В. В результате внедрения данной методики вероятность электропоражения уменьшится не менее чем в 4 раза.

7. Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЮжноУральского государственного университета при изучении курсов «Безопасность жизнедеятельности» студентами направления «Электроэнергетика и электротехника», а также при подготовке специалистов по направлению «Техносферная безопасность».

Основные научные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Валеев, Р.Г. Концепция построения защиты электрических сетей напряжением 380 В от однофазных коротких замыканий [Текст] / Р.Г. Валеев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика.-2013.-Т. 13. -№ 1,-С. 30-34.

2. 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.

3. 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.

Публикации в других изданиях:

4. 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. JI. Шахин // Электробезопасность. - 2012. - № 2-3. - С. 4-11.

5. Валеев, Р.Г. Анализ защит воздушных линий электропередач напряжением 380 В от однофазных замыканий на землю [Текст] / Р.Г. Валеев // Безопасность в третьем тысячелетии: сборник материалов V научно-практической конференции: в 2 т.; под ред. А.И. Сидорова. — Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2012. - Т. 1. - 353 с.

6. 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 // Безопасность в третьем тысячелетии: сборник материалов V научно-практической конференции: в 2 т.;

под ред. А.И. Сидорова. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2012. — Т. 1. — 353 с.

7. 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 // Достижения науки- агропромышленному производству: материалы LII международной научно-технической конференции; под ред. д. т. н, проф. Н.С. Сергеева. — Челябинск: Изд-во ЧГАА, 2013. -Ч. V. -С. 131-135.

8. Ершов, A.M. Физическая модель для исследования несимметричных режимов работы электрической сети напряжением 380 В / A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, A.B. Млоток, А.И. Сидоров // Энергетика в современном мире: сборник статей VI Международной заочной научно-практической конференция (2-6 декабря 2013 г.). - Чита: ЗабГУ, 2013 - С. 46-52.

9. Валеев, Р.Г. Об исследовании токовых защит воздушной линии напряжением 380 В в опытной электрической сети [Текст] / Р.Г. Валеев // Достижения науки — агропромышленному производству: материалы LUI международной научно-технической конференции; под ред. д. т. н., проф. Н.С. Сергеева. - Челябинск: Изд-во ЧГАА, 2014. - Ч. IV. - С. 106-111.

10. Валеев, Р.Г. Особенности расчетов токов однофазного короткого замыкания в электрических сетях напряжением 380 В с воздушными линиями [Текст] / Р.Г. Валеев, A.M. Ершов, Г.С. Валеев, А.И. Сидоров // Наука ЮУрГУ: материалы 65-й научной конференции. Секции технических наук. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2013. - Т. 2. - С. 145-148.

11. 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 технических наук. — Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2013. — Т. 2. — С. 149-150.

12. 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. — № 1. — С. 3-18.

13. 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.

14. Валеев, Р.Г. Повышение уровня электробезопасности путём секционирования воздушных линий 0,4 кВ [Текст] / Р.Г. Валеев // Электробезопасность. - 2014. - № 2. - С. 34-36.

Валеев Рустам Галимянович

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

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 436/560.

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