автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка трехфазно-однофазной сети для электроснабжения сельских потребителей

На правах рукописи

ШАГИМАРДАНОВ ДАМИР ЭКРЭМОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНО-ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

20.02— электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

„ С 11111

АВТОРЕФЕРАТ ^ ' • ¡'1

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кострома-2014

005549699

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Костромская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Попов Николай Малафеевич

Официальные оппоненты:

Лещинская

технических «Российский университет профессор

Тамара Борисовна, доктор наук, профессор, ФГБОУ ВПО государственный аграрный МСХА им. К.А. Тимирязева», кафедры «Электроснабжение и электротехника»

Виноградов Александр Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой

«Электроснабжение»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 01 июля 2014 г. в 9 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан 08 мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Некрасов Алексей Иосифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время из 2,35 млн. км воздушных и кабельных линий 0,38-220 кВ на долю линий напряжением 0,38 кВ приходится 840 тыс.км или 35,7 %. Низковольтные сети характеризуются большими потерями напряжения, мощности и энергии; являются наиболее металлоемкими в расчете на единицу передаваемой мощности по сравнению с сетями среднего и высокого напряжений (в сетях 380 В в 2-3 раза больше, чем в сетях 10 кВ). Для снижения расхода цветного металла, потерь напряжения и электроэнергии Будзко И.А., Захариным А.Г. разработана смешанная трехфазно-однофазная система распределения электроэнергии. По состоянию на 2013 год к сетям 6-10 кВ филиала ОАО «МРСК Центра» - «Костромаэнерго» присоединены 254 однофазных трансформатора, из которых 125 трансформаторов выработали нормативный ресурс. В будущем число однофазных трансформаторов и однофазных линий 220 В в сельской местности, выработавших свой ресурс, будет увеличиваться и потребуется реконструировать существующие и построить новые однофазные сети, отвечающие современным требованиям надежности, безопасности и экономичности.

В методике расчета рабочих токов и напряжений в трехфазно-однофазной сети с использованием метода симметричных составляющих, разработанной Будзко И.А., введены ряд допущений и упрощений, приводящих к приближенным результатам. По итогам исследований Чернина А.Б., Лосева С.Б. расчет аварийных режимов работы сетей с большим числом несимметрий методом симметричных составляющих встречает значительные трудности.

До сих пор не разработаны средства и устройства, решающие проблему быстрого и надежного отключения линии при обрывах проводов, замыканиях провода на землю и электрически удаленных коротких замыканий в сети низкого напряжения.

С введением в действие новых требований нормативных документов устарела методика механического расчета линий электропередачи 220 В с изолированными проводами. В литературных источниках отсутствуют массо-габаритные характеристики перспективных изолированных проводов, предназначенных для электроснабжения однофазных потребителей.

Целью диссертационной работы является развитие метода фазных координат для расчета режимов трехфазно-однофазных сельских сетей, а также разработка средства повышения электрической безопасности однофазных сетей 220 В и методики механического расчета воздушных линий с изолированными проводами (ВЛИ).

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Создать новую методику расчета трехфазно-однофазной сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов, используя метод фазных координат.

2. Разработать устройство защиты линии (УЗЛ) 220 В, реагирующее на все аварийные режимы.

3. Смоделировать в фазных координатах новое УЗЛ 220 В и разработать методику его расчета.

4. Разработать методику механического расчета ВЛИ для электроснабжения однофазных потребителей.

5. Оценить экономический эффект от применения однофазных сетей вместо трехфазных и от внедрения разработанного УЗЛ.

Объектом исследования является трехфазно-однофазная сельская электрическая сеть напряжением 10...0,22 кВ и режимы ее работы.

Предмет исследования - модели, методы расчетов параметров трехфазно-однофазной электрической сети 10...0,22 кВ и безопасная эксплуатация однофазной электрической сети 220 В.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического моделирования электрической сети 10...0,22 кВ в фазных координатах и в координатах симметричных составляющих, законы и приемы алгебры матриц применительно к электрическим сетям. Был осуществлен сбор и обработка действующих нормативных документов, относящихся к обустройству и механическому расчету ВЛИ.

Научная новизна работы.

1. Создана методика расчета трехфазно-однофазных сельских сетей в фазных координатах, позволяющая рассчитывать рабочие и аварийные режимы трехфазно-однофазных сетей с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты по сравнению с известными методиками.

2. Разработано устройство защиты однофазной линии 220 В, реагирующее на все аварийные режимы. Оригинальность схемы подтверждена патентом на изобретение № 2481686.

3. Разработана методика механического расчета существующих и перспективных ВЛИ 220 В для электроснабжения однофазных потребителей в сельской местности.

Теоретическая ценность.

Предлагаемая методика расчета трехфазно-однофазных сетей является развитием метода фазных координат и позволяет рассчитывать режимы сетей с неограниченным числом однофазных нагрузок. Разработанный принцип действия и алгоритм расчета параметров нового УЗЛ обеспечивают отключение всех видов повреждений на однофазных линиях. Перспективность развития однофазных сетей доказана механическим расчетом и экономическим обоснованием.

Практическая ценность.

Методика расчета трехфазно-однофазных сетей используется в производственном процессе ОАО «Электроцентромонтаж», что подтверждено актом внедрения №1-219/955 от 24.12.2013 г.

Методика механического расчета однофазных линий применяется в учебном процессе на кафедре электроснабжения Костромской ГСХА.

Строительство однофазного линейного ответвления 10 кВ протяженностью 100 м с однофазным трансформатором ОМП-Ю 10/0,23 кВ и ВЛИ длиной 25 м для электроснабжения группы однофазных сельских потребителей мощностью 10 кВ-А позволит получить чистый дисконтированный доход (ЧДД) в течение 30 лет в размере 76 696 рублей по сравнению с трехфазной сетью.

Оборудование однофазной сети новым УЗЛ повысит уровень защиты от коротких замыканий (КЗ) между проводами, обрывов проводов и замыканий провода на землю. ЧДД от применения УЗЛ на линии протяженностью 500 м в течение 5 лет составит 6 247 рублей.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Методика расчета режимов трехфазно-однофазных сетей 10...0,22 кВ в фазных координатах, позволяющая рассчитывать сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты. В новой методике не требуется вводить несуществующие напряжения в местах несимметрии. Расчет рабочих и аварийных режимов разветвленной неоднородной сети с несимметричными нагрузками производится по одной схеме замещения.

2. Устройство защиты линии, реагирующее на все виды повреждений однофазной линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 220 В и повышающее электробезопасность эксплуатации однофазных сетей.

3. Методика расчета параметров УЗЛ, по которой определяются его наиболее выгодные характеристики при реализации, и моделирование в фазных координатах режимов работы УЗЛ.

4. Методика механического расчета однофазных ВЛИ, учитывающая новые требования нормативных документов и необходимость применения широкой номенклатуры самонесущих изолированных проводов (СИП) при строительстве однофазных линий, по которой определяют допустимые пролеты и осуществляют обоснованный выбор опор.

Достоверность исследований подтверждается адекватностью результатов расчетов электрических сетей методами симметричных составляющих и фазных координат, совпадением результатов, полученных теоретическим и экспериментальным исследованиями.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 2010201! годах, ФГБОУ ВПО Саратовского ГАУ в 2011 году, ГНУ ВИЭСХ в 20122013 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Ее содержание изложено на 139 страницах, иллюстрировано 34 рисунками, включает 47 таблиц, список литературы из 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее разработанности, определены цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, теоретическая и практическая значимость, примененные методы, приведены основные положения, выносимые на защиту, результаты апробации разработанных средств.

В первой главе "Анализ трехфазно-однофазных сетей в сельской местности" указано, что однофазные нагрузки ухудшают качество ЭЭ; описано, каким образом в настоящее время производится учет однофазных трансформаторов при расчете токов и напряжений.

Промышленностью выпускаются однофазные столбовые трансформаторные подстанции мощностью до 50 кВ-А. Трансформаторов такой мощности достаточно для электроснабжения маломощных потребителей, объектов сельскохозяйственного производства, общественных учреждений и потребителей коммунально-бытового сектора.

Сельская сеть низкого напряжения может быть выполнена в четырех вариантах в соответствии с рисунком 1 (без учета типов заземления сети).

ABC

220 В

41'

220 В

FV ,

41'

220 В т 220 В

44 ЗВ _

220 В HI' '220 В

22 )В

Рисунок 1 — Варианты исполнения сети низкого напряжения С помощью однофазных трансформаторов можно осуществить электроснабжение как однофазных, так и трехфазных электроприемников (ЭП). Трехфазные ЭП подключаются либо к двум однофазным трансформаторам как показано в варианте №4 рисунка 1, либо через преобразователь числа фаз (электромашинный, статический или полупроводниковый).

Подключение однофазных нагрузок к линии 10 кВ приводит к изменению величины линейных напряжений, оцениваемому коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и.

При наличии напряжения обратной последовательности нарушаются оптимальные условия работы установленного электрооборудования. Токи обратной последовательности вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вращения роторов асинхронных двигателей и производительность приводимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увеличение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности, что приводит к снижению напряжения. Воздействие описанных негативных явлений приводит к сокращению сроков службы ЭО.

В связи с введенными ограничениями на несимметрию напряжений

определена зависимость допустимого сопротивления питающей линии в зависимости от мощности однофазной нагрузки и от мощности двухфазной нагрузки. Доказано, что в протяженных сетях несимметрия напряжений может выйти за нормируемые значения: при однофазной нагрузке 100 кВ-А допустимая длина линии, выполненной проводом АС-70/11, составляет не более 39,6 км; при двухфазной нагрузке SHAB = 100 кВА с cosi^H)^ и SHBC=10 кВ-А с cosfHBC=0,9 длина такой же линии не должна превышать 44,2 км.

Проблемами электроснабжения однофазных потребителей сельской местности занимались И.А. Будзко, JI.E. Эбин, Н.М. Зуль, Т.Б. Лешинская, H.H. Сырых, А.Е. Мурадян, П.В. Куц, Н.Ф. Бахирев; развитием методов расчета несимметричных сетей занимались А.Б. Чернин, С.Б. Лосев, H.A. Мельников, В.А. Солдатов, Н.М. Попов. По итогам анализа результатов исследований указанных ученых выявлено, что расчеты рабочих и аварийных режимов трехфазно-однофазных сетей в координатах симметричных составляющих становятся громоздкими, в том числе и потому, что требуют учета сложных связей между схемами симметричных составляющих. Расчеты в фазных координатах упрощаются, но не разработаны модели 2К-полюсников однофазных трансформаторов, однофазных линий, однофазных нагрузок, а также методика совместного расчета трехфазных сетей с однофазными.

Повышением электрической безопасности сельских сетей занимались Д.С. Стребков, Е.В. Хапин, С.И. Коструба, H.H. Липантьева, А.И. Якобе и другие учёные. Разработанные ими устройства снижают риск поражения электрическим током людей и животных при определенных видах повреждений, но не изобретено устройство, реагирующее на все виды повреждений линии 220 В.

Совершенствованием методов механического расчета сетей занимались К.П. Крюков, Б.П. Новгородцев, М.А. Короткевич, М.Т. Жулин. Однако их методики не учитывают последние изменения нормативной документации, в соответствии с которыми требуется рассчитывать провода и опоры на увеличенные нагрузки и применять изолированные провода.

Во второй главе "Расчет трехфазно-однофазных сетей в фазных координатах" показано применение метода фазных координат к расчету сельских сетей 10...0,22 кВ.

Суть расчетов в фазных координатах заключается в вычислении электрических величин для каждой фазы. Под фазой понимается любой элемент электрической цепи, по которому может протекать ток или в котором может наводиться электродвижущая сила (обмотка генератора, трансформатора, двигателя, проводник ЛЭП, грозотрос, земля как проводник тока и др.). По сравнению с методом симметричных составляющих расчет в фазных координатах нагляден, прост для понимания, легко подвергается формализации, дает более точные результаты.

Квазистационарный режим работы электрической сети синусоидального переменного тока определяется системой линейных алгебраических уравнений. Число независимых уравнений для схемы замещения сети составляет

N = e-y +1, (1)

где в — количество ветвей;

у - количество узлов.

При большом числе потребителей и учете взаимных связей между фазами система уравнений может состоять из десятков и сотен уравнений. Для решения таких систем уравнений используют матричный метод анализа.

Чтобы рассчитать токи и напряжения в узлах схемы замещения находят матрицу узловых проводимостей У:

У = (2)

где М - матрица инциденций;

Zv - матрица собственных и взаимных сопротивлений ветвей;

Мт - транспонированная матрица инциденций.

По заданному напряжению в начале линии определяют напряжения и токи в ветвях.

Для того чтобы каждый раз не составлять схемы замещения однотипных элементов электрической сети, их стали представлять в виде «черного» ящика, имеющего лишь входные и выходные выводы, так называемого 2К-полюсника (К - число фаз) в соответствии с рисунком 2.

А В^

ин Цк

1н С [к

Рисунок 2 - 2К-полюсник (К=2) На рисунке 2 изображен 2К-полюсник с коэффициентами передачи А, В, С, I) уравнений в форме Н, при которой напряжение и токи на входе и на выходе 2К-полюсника связаны соотношениями:

[и/ А В ГиК1

.к. С О .к.

(3)

где ин, 1н - матрицы напряжений и токов на входе 2К-полюсника;

А, В, С, Г) - коэффициенты передачи2К-полюсника;

ик , 1К — матрицы напряжений и токов на выходе 2К-полюсника.

В зависимости от того, какие величины будут входными и выходными у 2К-полюсника, различают уравнения в форме У, Ъ, Н, О, А, В. Возможен переход от одной формы уравнений к другой с помощью соответствующих формул. Для модели однофазного трансформатора: 1 О

~ 2\ 2т

М =

-1 О О 1 О -1

ху =

2т 2г

(4)

где ТА - сопротивление первичной обмотки трансформатора; ¿2 - сопротивление вторичной обмотки трансформатора; 7.т - взаимное сопротивление (указывает на магнитную связь между обмотками, расположенными на одном стержне магнитопровода).

По (2) матрица узловых проводимостей получается размерностью 4x4. Чтобы вычислить коэффициенты передачи в форме Н, матрицу У следует разбить на четыре подматрицы:

~У11 У12 У21 У22

У =

(5)

X. *и Хз П.. П,1 \з Уз,

VII = — - ; У12 = - - ; У21 = - - ; У22 = - -

Уп Ли Ли К4

Уравнения в форме Н однофазного трансформатора:

[и"1 А1 ш Гик1

л. О ш.

Вычисление коэффициентов передачи выполняют по формулам А1 = -У21"'У22; Ш = -У2Г';

Р = У12-У11 У2Г'У22; Ш = -ШШ'-

(6)

(7)

Однофазная ЛЭП представляется П-образной схемой замещения с сосредоточенными параметрами. Схема замещения двухпроводной линии делится на три части. Первая и третья части будут включать проводимости линии между фазами У12 и проводимости между фазами и землей У11 и У22. Вторая часть содержит сопротивления линии 7,\ 1, 222, 212. Каждую часть эквивалентируем в 2К-полюсник и соединим каскадно.

Токи и напряжения на выводах 2К-полюсника в форме Н связаны системой уравнений

[и"1 А1 вГ

л. а ш. .к.

(8)

При каскадном соединении параметры эквивалентного 2К-полюсника линии в целом

~А1 ВГ

С1 01

= Щ = ШШШ,

(9)

А1 51 А2 В2 АЗ вз"

ш= , Н2 = , нз =

£1 ш. С2 т сз 1)3

Коэффициенты передачи двухпроводной линии

А1 = АЗ =

В1 = ВЗ =

(10)

С1=СЗ =

Г11 + К12

-П2

-К12 Г22 + П2

А2 =

С2 =

01 = 03 =

В2 =

02 =

1 О О 1

г\\ 212 2\2 222 1 о 0 1

Поперечные проводимости и взаимные сопротивления для воздушных линий (ВЛ) напряжением до 35 кВ и кабельных линий напряжением до 20 кВ можно не учитывать. Тогда матрицы примут вид: О" 1

А1 = А3 =

С1=СЗ =

В1 = вз =

01 = 03 =

А2 =

С2 =

В2 =

02 =

ги о

0 222

1 О О 1

(И)

Однофазные нагрузки в сети задаются постоянными проводимостями и описываются уравнением связи входных и выходных токов и напряжений

Ги„1 Ап Вп Гик1

.I«. Сп ш. .к.

Коэффициенты передачи 2К-полюсника "1 О" О 1

П2 -У12

Ап =

Вп =

Сп =

-Г12 П2

Оп =

О О

о о -1 о 0 -1

(12)

(13)

В качестве исходных для расчета параметров однофазных трансформаторов, линий и нагрузок используют общедоступные паспортные данные оборудования, технические характеристики и схему расположения проводов на опоре ЛЭП.

Для расчета сельских трехфазно-однофазных сетей разработана методика согласования в фазных координатах однофазной сети с трехфазной, заключающаяся в математическом моделировании однофазных трансформаторов, соединенных в «открытый треугольник» с дополнительно введенными сопротивлениями 7А=10* Ом в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3 - Модель двухпроводного ответвления с однофазным трансформатором, подключенным к фазам А и В На рисунке 3 в первый блок заключены два провода, к которым подключен однофазный трансформатор, и сопротивление ТА; второй блок включает в себя два одинаковых однофазных силовых трансформатора, соединенных по схеме «открытый треугольник»; третий блок в виде однофазной нагрузки состоит из двух плеч: верхнее плечо соответствует сопротивлению нагрузки Тн, сопротивление нижнего плеча принимается постоянным и равным ТА. Сопротивления ТА, а также дополнительный однофазный силовой трансформатор необходимы для согласования размерностей матриц при вычислениях.

Три блока представляются 2К-полюсниками в Н-форме в соответствии с рисунком 4.

о-

А1_ В1_ А! в! Ап Вп

о-

о- д_ 21 а 21 Сп йп

Рисунок 4 - Схема замещения с использованием 2К-полюсников В параметрах 2К-полюсника двухпроводной ВЛ вместо продольного сопротивления отсутствующего провода вводится сопротивление ТА.

Для нагрузки, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, матрицы коэффициентов передачи имеют вид:

Ап =

0 О

1 О О 1

Вп =

(14)

Сп =

Уп -22г

о

-Уп

Уп + Ш.

-Ус!

о

-ш

Уй

Эп =

-1 О О -1 О О

где Уп = 2л£* - полная проводимость нагрузки, См;

У(1 = ¿йТ1 - проводимость дополнительного сопротивления, См.

Поскольку 2К-полюсники соединены каскадно, параметры эквивалентного 2К-полюсника определяются произведением матриц блоков

НЕ = ШШЫп, (15)

где Н1 - матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника двухпроводной линии;

Ш - матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника силовых трансформаторов;

Нп - матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника нагрузки.

Для расчета токов и напряжений в сети на первом этапе находятся обобщенные параметры 2К-полюсника, получаемого путем приведения полной схемы соединений всех 2К-полюсников к одному эквивалентному. Вторым этапом, при необходимости, переводятся параметры эквивалентного 2К-полюсника в форму Н. Третьим этапом, задавшись напряжением на входе Цп эквивалентного многополюсника и приняв ток на выходе (за нагрузкой) равным нулю [к = 0, рассчитываются напряжение на выходе ик = А"1Цп. Четвертым этапом по найденному напряжению на выходе определяются ток на входе 1п = С Цк. В развернутой схеме соединений ток и напряжение на выходе какого-либо 2К-полюсника одновременно являются входными током и напряжением последующего 2К-полюсника. Таким образом, по известным току и напряжению на входе поочередно вычисляются фазные напряжение и ток на выходе каждого из 2К-полюсников полной схемы сети.

Выполнен расчет реальной сельской сети по предлагаемой методике и методом симметричных составляющих. Сопоставление результатов расчетов выявило расхождение токов 9...11 %, напряжений 0,04...0,06 %, коэффициента напряжений по обратной последовательности 9... 13 %, связанное с учетом в методе фазных координат большего числа параметров, например, токов намагничивания трансформаторов.

В третьей главе "Безопасная эксплуатация однофазных сетей" проанализированы типы заземления однофазных сельских сетей 220 В, оценена опасность поражения человека электрическим током и разработано новое устройство защиты линии 220 В.

Анализу были подвергнуты однофазные сети напряжением 220 В с глухим заземлением одного из питающих проводников в соответствии с рисунками 5а и 56 либо без него с подключением пробивного предохранителя в соответствии с рисунками 6а и 66. На рисунке 56 показано возможное применение устройства защитного отключения (УЗО), реагирующего на дифференциальный ток.

Ж'

ТГр

ДТТУЗО

~и

о—

т ь

РЕ

1112" 11-1

а)

б)

Рисунок 5 - Сети однофазного тока с глухим заземлением проводника (ДТТ УЗО - дифференциальный трансформатор тока устройства защитного отключения)

и

Ь2

: ру

| УКИ |

Н 3

ТГ__ J

ы

1.2 : ру

РЕ

УКИ |

1

ДН

Т±-1

а) б)

Рисунок 6 - Изолированные сети однофазного тока (УКИ - устройство контроля изоляции)

За основной критерий безопасного устройства заземления сельской сети был принят отпускающий ток через человека, равный 6 мА.

Определено, что:

— Двухпроводная сеть с фазным и нулевым рабочим проводниками (рисунок 5а) не может считаться безопасной. В случае прикосновения к корпусу ЭП с исправной изоляцией или к незаземленному проводу ток через человека превышает значение отпускающего тока.

— Трехпроводная сеть с фазным, нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками (рисунок 56) считается безопасной, поскольку принципиально возможна установка дополнительного средства защиты от поражения электрическим током - быстродействующего УЗО, и корпус ЭП не имеет электрической связи с фазным проводником и не находится под потенциалом во время работы.

— Двухпроводная изолированная сеть с двумя фазными проводниками, один из которых соединен с заземляющим устройством через пробивной предохранитель (рисунок 6а), безопасна для человека при условии, что емкость проводов относительно земли не превышает критического значения. Например, для ВЛ напряжением 220 В, выполненной проводом А-35, критическое значение емкости достигается при длине линии равной 5,5 км.

- Трехпроводная изолированная сеть с двумя фазными и нулевым защитным проводниками (рисунок 66) может считаться безопасной только в случае наличия защитного отключения при замыкании второго проводника на землю или при двойном замыкании на землю.

Выпускаемые промышленностью УЗО не реагируют на междуфазные КЗ. Однако проблема отключения электрически удаленных КЗ в сельских сетях низкого напряжения до сих пор не решена. Это связано с наличием таких факторов, как: сильное влияние теплового спада тока КЗ, значительное погонное сопротивление ЛЭП, большой разброс характеристик срабатывания защитных устройств, ограничение значения тока КЗ сопротивлением дуги или переходным сопротивлением. В совокупности перечисленные факторы вынуждают обеспечивать минимальный коэффициент чувствительности защиты Кч=(3^-6) в зависимости от типа применяемого защитного аппарата, условий прокладки проводников и вида их изоляции.

Разработано новое устройство защиты однофазной линии 220 В, выполненное в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7 - Схема замещения УЗЛ и электросети с нагрузкой

На рисунке 7 представлена схема замещения УЗЛ, конденсаторов С1...С4 и продольных сопротивлений ЛЭП 2л 1 Ф 2л2.

Работает предложенное УЗЛ следующим образом. При включении трансформатора Т и автоматического выключателя (¡>Р по проводам ЛЭП протекают равные по величине токи нагрузки. В начале линии под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора протекает ток через равные по величине конденсаторы С1, С2. На каждом из них падает половина подведенного напряжения. Ток нагрузки в проводах с разным сопротивлением вызывает разное падение напряжения, поэтому между точками заземления напряжение, подведенное к конденсаторам СЗ, С4 будет несколько меньше, чем напряжение, подведенное к конденсаторам С1, С2. На каждом конденсаторе СЗ, С4 будет половина подведенного напряжения. Сопротивления проводов различны по величине, на каждом из них будут разные падения напряжения. Под действием разности падений напряжения в проводах между общими точками конденсаторов С1, С2 и СЗ, С4 будет протекать незначительный ток, на который реле, подключенное к дифференциальному трансформатору, не реагирует.

При обрыве одного из проводов через один из конденсаторов СЗ, С4 и заземляющие устройства протекает ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает С)Р.

При повреждении изоляции любого из проводов происходит соединение провода с землей, через место повреждения изоляции и через конденсаторы протекает ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает СИ7.

При КЗ между проводами, на каждом из них падение напряжения увеличится, увеличится и разность падений напряжения, под действием этой разности падений напряжений через конденсаторы СЗ, С4, заземляющие устройства и конденсаторы С1, С2 будет протекать ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает С?Р.

Таким образом, предлагаемое УЗЛ реагирует на все аварийные режимы двухпроводной ЛЭП; удаленные короткие замыкания УЗЛ отключаются ускоренно по сравнению с известными конструкциями защитных устройств.

В случае использования УЗЛ допустимо снизить коэффициент чувствительности защиты до Кц= 1,3, обусловленном неточностью расчета тока КЗ и незначительным разбросом характеристик его элементов. Влияние теплового спада тока КЗ не учитывается, поскольку гарантированное время срабатывания УЗО общего применения составляет до 0,3 с.

Выведена формула расчета емкости конденсаторов нового УЗЛ, мкФ:

где Кн = 1,3 — коэффициент надежности;

■2л1 , 7л2 — погонное сопротивление фазного проводника ЛЭП, Ом/км. Ь — длина ЛЭП, км;

Яд - сопротивление дуги или переходное сопротивление в месте КЗ, мОм;

7.г - сопротивление трансформатора, Ом;

со - угловая частота сети, 1/с; и - среднее номинальное напряжение сети, В.

В таблице I приведены значения минимальных стандартных емкостей конденсаторов С1...С4, обеспечивающих надежное срабатывание УЗЛ, при различных условиях (11д=15 мОм, однофазный трансформатор ОМП-Ю/Ю).

(16)

со-Ц (гл2-Яг\) Ь

Таблица 1 - Сочетания проводов ЛЭП и минимальные емкости одного конденсатора ____

ZT, Ом Длина ЛЭП, км Напряжение сети, В Марки проводов ЛЭП Емкость конденсатора, мкФ

L1 L2

0,173 + j • 0,102 0,15 230 А-25 А-35 6,2

А-35 А-50 6,2

А-25 А-50 3,3

СИП-2 1x16+1x25 3,6

СИП-2 1x35+1x25 5,1

СИП-2 1x50+1x25 3,0

Новое УЗЛ смоделировано в фазных координатах с использованием 2К-полюсников. Для этого однофазная сеть представляется схемой замещения в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8 - Схема замещения УЗЛ и сети с нагрузкой На рисунке 8 обведены пунктиром элементы, которые будут сгруппированы в 2К-полюсники. На схеме обозначены:

- сопротивление трансформатора Z/;

- добавочное сопротивление Rd = 10"6 необходимо для операций с матрицами;

- емкости конденсатора УЗЛ С1 = С2 = СЗ = С4 = С; -сопротивление проводов ЛЭП Z1 и Z2;

- сопротивление земли и заземляющих устройств Rz;

- сопротивление изоляции ЭП относительно земли Rob; -сопротивление нагрузки 7л.

2К-полюсники соединяются каскадно в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 9 - Схема замещения УЗЛ и сети с нагрузкой в виде 2К-полюсников Произведен расчет рабочего и аварийного режимов двухпроводной изолированной линии, выполненной проводом А-35 и А-50 длиной 150 м, с

подключенной на конце нагрузкой 8 кВ-А, имеющей коэффициент мощности 0,9. Результаты расчетов методом эквивалентных преобразований схем соединений элементов и методом фазных координат представлены в таблице 2.

Параметр Единица измерения Значение (метод эквивалентных преобразований) Значение (метод фазных координат)

УЗЛ

Емкость, С мкФ 6,2 6,2

Ток срабатывания, 1ср мА 30 30

Рабочий режим линии

Ток нагрузки, 1н А 36,4 35,7

Дифференциальный ток, 1д мА 2,5 2,6

Аварийный режим линии

Ток междуфазного КЗ в конце линии, 1Кз А 517 517

Дифференциальный ток, 1д мА 36 38

Различие в результатах расчетов связано с тем, что в методе фазных координат модель однофазного трансформатора описывается большим числом параметров, чем в традиционном методе.

Для подтверждения полученных теоретическим путем результатов собрана лабораторно-исследовательская модель УЗЛ, которая успешно сработала во всех сымитированных аварийных режимах линии: короткое замыкание, замыкание провода на землю, обрыв провода.

В четвертой главе "Расчет механической части однофазных линий электропередачи" разработана методика механического расчета однофазных сельских ВЛИ 220 В.

При строительстве новых и реконструкции существующих ВЛ следует применять СИП одного сечения по всей длине фидера. Известная методика расчета механической части ВЛ не учитывает новые положения нормативных документов, в числе которых требование расчета проводов, тросов, изоляторов и арматуры на расчетные нагрузки.

Для расчета механических напряжений в проводах и гололедно-ветровых нагрузок, вызванных климатическими факторами в зоне расположения сельской ВЛИ, необходимо иметь прочностные и массо-габаритные характеристики СИП разных марок. В связи с малыми объемами строительства однофазных линий с применением СИП промышленностью освоен выпуск проводов одной марки: СИП-2 1x16+1x25.

В зависимости от типа заземления однофазных сетей требуются СИП двухжильные или трехжильные с сечением жил, обеспечивающим требуемую пропускную способность ЛЭП и качество ЭЭ. По ГОСТ Р 52373-2005 вычислены

технические характеристики проводов. Погрешность вычислений массы провода СИП-2 1 х 16+1 х25 по отношению к изготавливаемому составила 3,9 %, наружного диаметра-3,3 %.

По предлагаемой методике выполнен механический расчет однофазной ВЛИ, выполненной проводом СИП-2 2* 16+1*35 на опорах из стальных многогранных стоек, проходящей в климатических условиях сельской местности средней полосы России. Расчетная длина промежуточного пролета не должна превышать 54 метра. Ограничивающим фактором явилась прочность нулевой несущей жилы.

В пятой главе "Технико-экономическая эффективность разработанных средств" выполнено сравнение технических показателей однофазных и трехфазных сельских сетей, рассчитан ЧДД от строительства однофазных сетей вместо трехфазных и от применения нового УЗЛ.

Годовые потери ЭЭ в наименее мощном по номенклатуре трехфазном трансформаторе ТМ-25/10 составят 919,8 кВт-ч, а в наиболее распространенном в эксплуатации однофазном ОМП-10/10 - 527 кВт-ч при электроснабжении однофазных потребителей мощностью 10 кВ-А. Таким образом, годовые потери в трехфазном трансформаторе больше на 392,8 кВт-ч, чем в однофазном.

Потери ЭЭ в проводах ВЛ выше 1 кВ и в проводах ВЛ до 1 кВ при условии отсутствия тока в нулевом рабочем проводнике трехфазной линии и сосредоточенности группы однофазных потребителей в конце ЛЭП в однофазной ЛЭП в 6 раз больше, чем в трехфазной.

Следовательно, нельзя однозначно утверждать, что однофазная сеть по потерям ЭЭ предпочтительней. Необходимо провести расчеты суммарных потерь ЭЭ при электроснабжении однофазных потребителей по однофазной сети и при электроснабжении тех же потребителей по трехфазной сети.

В однофазной сети снижается средняя продолжительность перерыва электроснабжения сельских потребителей из-за уменьшения количества проводов (исключены трехфазные и двухфазные КЗ, меньше однофазных замыканий на землю и обрывов проводов).

По результатам оценки экономической целесообразности выявлено, что строительство однофазного линейного ответвления 10 кВ протяженностью 100 м с однофазным трансформатором ОМП-Ю 10/0,23 кВ и ВЛИ длиной 25 м для электроснабжения группы однофазных потребителей мощностью 10 кВ-А в течение 30 лет даст чистый дисконтированный доход в размере 76 696 рублей по сравнению с трехфазной сетью.

Оборудование новым УЗЛ однофазной линии 220 В протяженностью 500 м в течение 5 лет позволит получить ЧДД в размере 6 247 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанная методика расчета режимов работы трехфазно-однофазных сельских сетей в фазных координатах с использованием 2К-полюсников в форме Н позволяет определять токи и напряжения в сетях с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты по сравнению с известными методиками. По результатам расчетов производится рациональное распределение однофазных нагрузок по фазам для исключения превышения

нормируемых значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности. В новой методике не требуется вводить несуществующие напряжения в местах несимметрии. Расчет рабочих и аварийных режимов разветвленной неоднородной сети с несимметричными нагрузками производится по одной схеме замещения.

2. Новое УЗЛ, реагирующее на все аварийные режимы, повышает электробезопасность однофазных сельских сетей 220 В, обладает высоким быстродействием, более чувствительно по сравнению с существующими устройствами и конструктивно просто. Разработанная методика расчета параметров УЗЛ и результаты математического моделирования в фазных координатах режимов работы УЗЛ подтверждаются успешными испытаниями лабораторно-исследовательской модели УЗЛ.

3. По разработанной методике механического расчета однофазных сельских ВЛИ определяются предельно допустимые пролеты линии и требуемые характеристики опор. В методике учтены новые требования нормативных документов и необходимость применения широкой номенклатуры СИП, включая перспективные двух- и трехпроводные.

4. ЧДД от применения однофазных сетей вместо трехфазных и от внедрения разработанного УЗЛ имеет положительное значение и свидетельствует об экономической выгоде использования разработанных средств.

В связи с малой распространенностью однофазных сетей для электроснабжения сельских населенных пунктов к настоящему времени накоплен малый опыт эксплуатации и, как следствие, мало изучены электромагнитные явления и процессы, поведение ЭО и воздействие тока и напряжения на живые организмы в рабочих и аварийных режимах сетей. В целом, можно заключить, что дальнейшая разработка методов расчета трехфазно-однофазных сетей и средств повышения электробезопасности однофазных сетей должна быть продолжена.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

- в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шагимарданов, Д.Э. Согласование однофазных трансформаторов с трехфазной питающей сетью [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Вестник КрасГАУ. - 2011. - №1 (52). - С. 167-173.

2. Шагимарданов, Д.Э. Модель подключения однофазного трансформатора 10/0,23 кВ в трехфазную сеть [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Техника в сельском хозяйстве, - 2012. -№3, С. 16-18.

3. Шагимарданов, Д.Э. Критическая мощность нагрузок в трехфазно-однофазных сетях 0,22...10 кВ [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2013. -№6, С.20-22.

- в сборниках научных трудов:

4. Шагимарданов, Д.Э. Моделирование однофазных трансформаторов в фазных координатах [Текст] / Д.Э. Шагимарданов, Н.М. Попов // Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. Первые шаги в науке. — Выпуск 73. - Кострома : КГСХА, 2010. - С. 193-199.

s

5. Шагимарданов, Д.Э. Расчеты сетей 10/0,23 кВ с трансформаторами, соединенными в открытый треугольник [Текст] / Д.Э. Шагимарданов, Н.М. Попов // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы II Международной научно-практической конференции / Под ред. A.B. Павлова. — Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. - С.301-307.

6. Шагимарданов, Д.Э. Расчет предельной по условию электробезопасности длины воздушной линии изолированной двухпроводной сети, тезисы КГСХА [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе : сборник статей 62-й международной научно-практической конференции : в 3 т. - Кострома : КГСХА, 2011. — С. 176-179.

7. Шагимарданов, Д.Э. Анализ типов заземления однофазных сетей 220 В [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 8-й международной научно-технической конференции (16 - 17 мая 2012 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). В 5-ти частях. Часть 1. Проблемы энергообеспечения и энергосбережения. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. - С.125-131.

8. Шагимарданов, Д.Э. Моделирование однофазных нагрузок в фазных координатах [Текст] / Н.М. Попов, Д.Э. Шагимарданов // Вестник ВИЭСХ. -№4(13) 2013 М.: Агрорус, 2013. - 88 е., С.24-26.

- в патентах:

9. Пат. 2481686 Российская Федерация, МПК Н 02 Н 3/08. Устройство защитного отключения / Попов Н.М., Шагимарданов Д.Э.; патентообладатель «Костромская государственная сельскохозяйственная академия» -№2011127840/07(041236); заявл. 06.07.2011; опубл. 10.05.2013, Бюл№13 -4 е.: ил., 0,14 пл./0,047 пл.

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Костромская государственная сельскохозяйственная академия" 156530, Костромская обл., Костромской район, пос. Караваево, уч. городок, КГСХА Лицензия на издательскую деятельность ЛР №021292. Выдана 18/06/98

Компьютерный набор. Подписано в печать 06/05/2014. Заказ №026. Формат 84x60/16. Тираж 100 экз Усл. печ л. 1,00. Бумага офсетная. Отпечатано 07/05/2014.

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в академической типографии на цифровом дубликаторе. Качество соответствует предоставленным оригиналам.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КОСТРОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

ШАГИМАРДАНОВ ДАМИР ЭКРЭМОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНО-ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

На правах рукописи

04201458757

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Попов Н. М.

Кострома-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

Глава 1. Анализ трехфазно-однофазных сетей в сельской местности..........10

1.1 Общие сведения об однофазных сетях и нагрузках..............................10

1.2 Влияние однофазных потребителей на качество и потери электроэнергии..........................................................................................................16

1.3 Критическая мощность однофазных нагрузок.......................................21

1.4 Преобразование однофазного напряжения в трехфазное.....................25

1.5 Особенности расчета сетей методом симметричных составляющих.. 28

1.6 Выводы.......................................................................................................31

Глава 2. Расчет трехфазно-однофазных сетей в фазных координатах..........32

2.1 Общие сведения о применении метода фазных координат к расчету сетей 10...0,22 кВ......................................................................................................32

2.2 Моделирование однофазных трансформаторов....................................34

2.3 Моделирование однофазных линий........................................................40

2.4 Моделирование однофазных нагрузок...................................................43

2.5 Моделирование однофазных трансформаторов, соединенных по схеме «открытый треугольник»..........................................................................................45

2.6 Моделирование нагрузок однофазных трансформаторов, соединенных по схеме «открытый треугольник»..........................................................................50

2.7 Согласование однофазной сети с трехфазной........................................52

2.8 Расчет токов и напряжений трехфазно-однофазных сетей...................55

2.9 Выводы.......................................................................................................61

Глава 3. Безопасная эксплуатация однофазных сетей.....................................62

3.1 Анализ типов заземления однофазных сетей.........................................62

3.2 Устройство защиты линии 220 В.............................................................70

3.3 Расчет параметров устройства защиты линии.......................................74

3.4 Моделирование устройства защиты линии в фазных координатах.....77

3.5 Выводы.......................................................................................................82

4 Расчет механической части однофазных линий электропередачи.............83

4.1 Общие сведения об однофазных линиях электропередачи напряжением до 1 кВ................................................................................................83

4.2 Расчетные характеристики СИП.............................................................85

4.3 Расчетные климатические условия.........................................................91

4.4 Механические нагрузки на провода........................................................93

4.5 Расчетные нагрузки на опоры..................................................................96

4.6 Расчет допустимого пролета линии электропередачи........................100

4.7 Выводы.....................................................................................................106

Глава 5. Технико-экономическая эффективность разработанных средств. 107

5.1 Сравнение технических показателей однофазных и трехфазных сетей ...................................................................................................................................107

5.2 Экономическая эффективность применения однофазных сетей при малых нагрузках......................................................................................................114

5.3 Экономическая эффективность применения устройства защиты линии ...................................................................................................................................119

5.4 Выводы.....................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время из 2,35 млн. км воздушных и кабельных линий 0,38-220 кВ на долю линий напряжением 0,38 кВ приходится 840 тыс.км или 35,7 %. Низковольтные сети характеризуются большими потерями напряжения, мощности и энергии; являются наиболее металлоемкими в расчете на единицу передаваемой мощности по сравнению с сетями среднего и высокого напряжений (в сетях 380 В в 2-3 раза больше, чем в сетях 10 кВ) [1]. Особенностью сельской местности является малая плотность застройки с небольшим электропотреблением. В связи со значительным сокращением численности сельского населения на фоне высокого износа электрооборудования (ЭО) и сетей встает проблема выбора системы электроснабжения территорий с малой плотностью нагрузки. Номенклатура трехфазных трансформаторов начинается с мощности 25 кВ-А в то время, как норма нагрузки на 1 квартиру средней площадью 70 м2 составляет 4,5 кВт с коэффициентом мощности не менее 0,92 [2]. При больших расстояниях между потребителями трехфазные трансформаторы окажутся малонагруженными и будут использоваться неэффективно. Для снижения расхода цветного металла, потерь напряжения и электроэнергии Будзко И.А., Захариным А.Г. разработана смешанная трехфазно-однофазная система распределения электроэнергии.

По состоянию на 2013 год к сетям 6-10 кВ филиала ОАО «МРСК Центра» -«Костромаэнерго» присоединены 254 однофазных трансформатора, из которых 125 трансформаторов выработали нормативный ресурс. В будущем число однофазных трансформаторов и однофазных линий 220 В в сельской местности, выработавших свой ресурс, будет увеличиваться и потребуется реконструировать существующие и построить новые однофазные сети, отвечающие современным требованиям надежности, безопасности и экономичности.

В методике расчета рабочих токов и напряжений в трехфазно-однофазной сети с использованием метода симметричных составляющих, разработанной

Будзко И.А., введены ряд допущений и упрощений, приводящих к приближенным результатам. По итогам исследований Чернина А.Б., Лосева С.Б. расчет аварийных режимов работы сетей с большим числом несимметрий методом симметричных составляющих встречает значительные трудности.

До сих пор не разработаны средства и устройства, решающие проблему быстрого и надежного отключения линии при обрывах проводов, замыканиях провода на землю и электрически удаленных коротких замыканий в сети низкого напряжения.

С введением в действие новых требований нормативных документов устарела методика механического расчета линий электропередачи 220 В с изолированными проводами. В литературных источниках отсутствуют массо-габаритные характеристики перспективных изолированных проводов, предназначенных для электроснабжения однофазных потребителей.

Целыо диссертационной работы является развитие метода фазных координат для расчета режимов трехфазно-однофазных сельских сетей, а также разработка средства повышения электрической безопасности однофазных сетей 220 В и методики механического расчета воздушных линий с изолированными проводами (ВЛИ).

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1 Создать новую методику расчета трехфазно-однофазной сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов, используя метод фазных координат.

2 Разработать устройство защиты линии (УЗЛ) 220 В, реагирующее на все аварийные режимы.

3 Смоделировать в фазных координатах новое УЗЛ 220 В и разработать методику его расчета.

4 Разработать методику механического расчета ВЛИ 220 В для электроснабжения однофазных потребителей.

5 Оценить экономический эффект от применения однофазных сетей вместо трехфазных и от внедрения разработанного УЗЛ.

Объектом исследования является трехфазно-однофазная сельская электрическая сеть напряжением 10...0,22 кВ и режимы ее работы.

Предмет исследования - модели, методы расчетов параметров трехфазно-однофазной электрической сети 10... 0,22 кВ и безопасная эксплуатация однофазной электрической сети 220 В.

Для решения указанных задач использовались методы математического моделирования электрической сети 10...0,22 кВ в фазных координатах и в координатах симметричных составляющих, законы и приемы алгебры матриц применительно к электрическим сетям. Был осуществлен сбор и обработка действующих нормативных документов, относящихся к обустройству и механическому расчету ВЛИ.

Научная новизна работы:

1 Создана методика расчета трехфазно-однофазных сельских сетей в фазных координатах, позволяющая рассчитывать рабочие и аварийные режимы трехфазно-однофазных сетей с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты по сравнению с известными методиками.

2 Разработано устройство защиты однофазной линии 220 В, реагирующее на все аварийные режимы. Оригинальность схемы подтверждена патентом на изобретение № 2481686.

3 Разработана методика механического расчета существующих и перспективных ВЛИ 220 В для электроснабжения однофазных потребителей в сельской местности.

Предлагаемая методика расчета трехфазно-однофазных сетей является развитием метода фазных координат и позволяет рассчитывать режимы сетей с неограниченным числом однофазных нагрузок. Разработанный принцип действия и алгоритм расчета параметров нового УЗЛ обеспечивают отключение всех видов повреждений на однофазных линиях 220 В. Перспективность развития

однофазных сетей 220 В доказана механическим расчетом и экономическим обоснованием.

Методика расчета трехфазно-однофазных сетей используется в производственном процессе ОАО «Электроцентромонтаж», что подтверждено актом внедрения №1-219/955 от 24.12.2013 г.

Методика механического расчета однофазных линий применяется в учебном процессе на кафедре электроснабжения Костромской ГСХА.

Строительство однофазного линейного ответвления 10 кВ протяженностью 100 м с однофазным трансформатором ОМП-Ю 10/0,23 кВ и В ЛИ длиной 25 м для электроснабжения группы однофазных сельских потребителей мощностью 10 кВ-А позволит получить чистый дисконтированный доход (ЧДД) в течение 30 лет в размере 76 696 рублей по сравнению с трехфазной сетью.

Оборудование однофазной сети новым УЗЛ повысит уровень защиты от коротких замыканий (КЗ) между проводами, обрывов проводов и замыканий провода на землю. ЧДД от применения УЗЛ на линии 220 В протяженностью 500 м в течение 5 лет составит 6 247 рублей.

На защиту выносятся:

1 Методика расчета режимов трехфазно-однофазных сетей 10...0,22 кВ в фазных координатах, позволяющая рассчитывать сети с неограниченным числом однофазных трансформаторов и получать более точные результаты. В новой методике не требуется вводить несуществующие напряжения в местах несимметрии. Расчет рабочих и аварийных режимов разветвленной неоднородной сети с несимметричными нагрузками производится по одной схеме замещения.

2 Устройство защиты линии, реагирующее на все виды повреждений однофазной линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 220 В и повышающее электробезопасность эксплуатации однофазных сетей.

3 Методика расчета параметров УЗЛ, по которой определяются его наиболее выгодные характеристики при реализации, и моделирование в фазных координатах режимов работы УЗЛ.

4 Методика механического расчета однофазных ВЛИ 220 В, учитывающая новые требования нормативных документов и необходимость применения широкой номенклатуры самонесущих изолированных проводов (СИП) при строительстве однофазных линий 220 В, по которой определяют допустимые пролеты и осуществляют обоснованный выбор опор.

Достоверность исследований подтверждается адекватностью результатов расчетов электрических сетей методами симметричных составляющих и фазных координат, совпадением результатов, полученных теоретическим и экспериментальным исследованиями.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА в 20102011 годах, ФГБОУ ВПО Саратовского ГАУ в 2011 году, ГНУ ВИЭСХ в 20122013 годах.

Глава 1. Анализ трехфазно-однофазных сетей в сельской местности 1.1 Общие сведения об однофазных сетях и нагрузках

В связи со снижением плотности нагрузки в настоящее время принята и реализуется концепция разукрупнения центров питания [3], согласно которой маломощные потребительские пункты должны быть наиболее приближены к нагрузкам. В [4] указано, что в качестве трансформаторных подстанций мощностью до 100 кВ-А рекомендуется применять столбовые ТП (СТП). Для питания нагрузок малой мощности устанавливают однофазные трансформаторы.

По состоянию на 2013 год к сетям 6-10 кВ филиала ОАО «МРСК Центра» -«Костромаэнерго» присоединены 7577 трансформаторов, из которых 254 однофазных, что соответствует доле в 3,4 %. Из общего числа 4613 трансформаторов имеют дату изготовления 1983 год или более ранний, из них 125 трансформаторов однофазные.

Учитывая, что до 2020 года по данным ОАО «Холдинг МРСК» потребуется реконструировать и построить 33 % от общего количества ТП и РП 6-20 кВ, следует тщательней подходить к анализу и выбору схем электроснабжения потребителей, поскольку неверно принятое решение приведет к экономическим потерям.

Проблемами электроснабжения однофазных потребителей сельской местности занимались И.А. Будзко, JI.E. Эбин, Н.М. Зуль, Т.Б. Лещинская, А.Е. Мурадян, П.В. Куц, Н.Ф. Бахирев; развитием методов расчета несимметричных сетей занимались А.Б. Чернин, С.Б. Лосев, H.A. Мельников, В.А. Солдатов, Н.М. Попов. По итогам анализа результатов исследований указанных ученых выявлено, что расчеты рабочих и аварийных режимов трехфазно-однофазных сетей в координатах симметричных составляющих становятся громоздкими, в том числе и потому, что требуют учета сложных связей между схемами симметричных составляющих. Расчеты в фазных координатах упрощаются, но не разработаны

модели 2К-ПОЛЮСНИКОВ однофазных трансформаторов, однофазных линий, однофазных нагрузок, а также способ согласования совместного расчета трехфазных сетей с однофазными.

Повышением электрической безопасности сетей занимались Д.С. Стребков, Е.В. Халин, С.И. Коструба, H.H. Липантьева, А.И. Якобе и другие учёные. Разработанные ими устройства снижают риск поражения электрическим током людей и животных при определенных видах повреждений, но не изобретено устройство, реагирующее на все виды повреждений линии 220 В.

Совершенствованием методов механического расчета сетей занимались К.П. Крюков, Б.П. Новгородцев, М.А. Короткевич, М.Т. Жулин. Однако их методики не учитывают последние изменения нормативной документации, в соответствии с которыми требуется рассчитывать провода и опоры на увеличенные нагрузки и применять изолированные провода.

В 1938 г. А. Г. Захариным и И. А. Будзко была разработана смешанная трехфазно-однофазная система распределения электроэнергии [5]. Сущность смешанной системы заключается в следующем:

1 Применяют смешанные трехфазно-однофазные линии напряжением 10 или 6 кВ, в которых основные магистрали трехфазные и к ним подключены все крупные, в том числе силовые потребители. Все мелкие потребители, в первую очередь освещение и бытовые приборы, питаются от однофазных ответвлений линий напряжением 10 или 6 кВ.

2 Для питания однофазных потребителей используют однофазные трансформаторные пункты небольшой мощности.

К недостатку предложенной сети можно отнести то, что по действующему стандарту [6] однофазные сети переменного тока напряжением 440 В не применяются, поскольку нет приемников электроэнергии на такое номинальное напряжение, а его повышенное значение увеличивает риск получения тяжелых электротравм.

Силовые однофазные трансформаторы 10/0,23 кВ находят применение в системах электроснабжения устройств сигнализации, централизации, блокировки

и связи железнодорожного транспорта [7], в судовых электроэнергетических системах [8], в сетях питания установок катодной защиты трубопроводов.

В сельской местности однофазные трансформаторы подключают к двум произвольным фазам от магистрали питания. Если вдоль линии устанавливаются несколько однофазных трансформаторов, то их подключение следует чередовать в порядке А-В, В-С, С-А с целью более равномерного распределения нагрузки по фазам.

Промышленностью освоен выпуск однофазных трансформаторов номинальной мощностью от 0,25 до 50 кВ-А с напряжением обмотки высшего напряжения 3; 6; 10; 20; 27,5, 35 кВ; напряжение обмотки низшего напряжения 0,15; 0,23 или 0,4 кВ. Трансформаторы имеют естественное масляное охлаждение, возможность регулирования напряжения без возбуждения на обмотке высшего напряжения (ВН) либо на обмотке низшего напряжения (НН).

Наиболее распространенными в сельской местности являются трансформаторы типа ОМ напряжением 6-10/0,23 кВ мощност�