Анализ переходных процессов в электрических сетях 0,38 кВ при однофазном коротком замыкании Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.013(078.5)

АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,38 КВ ПРИ ОДНОФАЗНОМ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Н.М. ПОПОВ, доктор технических наук, профессор И.А. МОЛОДОВ, аспирант Костромская ГСХА E-mail: jeaster@bk.ru

Резюме. Исследования проводили с целью разработки методики расчета токов переходного процесса при однофазном коротком замыкании с учетом фазных токов нагрузки. Точный расчет аварийных режимов работы сетей позволяет подбирать пуско-защитную аппаратуру, которая исключает возникновение пожаров и снижает вероятность поражения людей и животных электрическим током.

Для получения значений токов переходных процессов предложено использовать метод фазных координат, который дает возможность прослеживать одновременное изменение токов в фазных и в нулевом проводе сети. Это достигается представлением каждого элемента сети на схеме замещения 2К-полюсниками, а затем их объединением в эквивалентный 2К-полюсник, в который можно ввести ответвления от линии и другие нагрузки. По предлагаемой методике на вход эквивалентного 2К-полюсника подается синусоидальное трехфазное напряжение. Это позволяет представить на одном графике токи нагрузки до момента короткого замыкания, как функции времени. Возникновение тока однофазного короткого замыкания в одной из фаз приводит к изменению токов во всех фазах и в нулевом проводе. Величина тока в нулевом проводе зависит от токов нагрузки неповрежденных фаз. В токе короткого замыкания учитываются значения периодической и апериодической составляющих. Последняя затухает настолько быстро, что практически не отражается на амплитуде тока даже в первый момент времени.

Полученные амплитудные значения токов в фазах и в нулевом проводе необходимы для выбора пуско-защитной аппаратуры сетей 0,38 кВ.

Ключевые слова: электрические сети 0,38 кВ, переходный процесс, фазные координаты, однофазное короткое замыкание.

Наиболее распространенный аварийный режим в сетях 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью - однофазное короткое замыкание (ОКЗ). Без учета индуктивного сопротивления проводов линии и токов нагрузки анализ напряжений в квазиустановившемся режиме в месте возникновения ОКЗ выполняется по векторным диаграммам [1], согласно которым фазное напряжение поврежденной фазы Ца перераспределяется между фазным лифП и нулевым ДЦНП проводами (рис. 1). Нулевая точка потребителей перемещается из положения N в положение N’, что приводит к появлению опасных для жизни людей и животных напряжений на корпусах электрооборудования. Фазные напряжения неповрежденных фаз В и С увеличиваются до значений ЦЬ'и Цс’, что приводит к выходу из строя электроприемников.

Однофазное короткое замыкание сопровождается увеличением тока в фазном и защитном нулевом проводниках [2], при несвоевременном отключении это может привести к пожару.

Учет индуктивных сопротивлений проводов и произвольной нагрузки фаз делает невозможным построение векторных диаграмм.

Для исключения опасностей, возникающих у потребителей при ОКЗ необходимо отключать их с минимальной задержкой времени. Это возможно с помощью электромагнитных расцепителей автоматических выключателей, реагирующих на амплитудное значение тока. Последнее зависит от токов нагрузки неповрежденных фаз. Реальный анализ однофазного короткого замыкания возможен в случае, когда известны изменения тока и напряжения в трех фазных и нулевом проводах.

Цель наших исследований - разработка методики расчета токов переходного процесса при ОКЗ с учетом фазных токов нагрузки.

Условия, материалы и методы. Для разработки методики расчета используем метод фазных координат [3], который для исследования переходных процессов в сетях 0,38...10 кВ не применялся. Согласно этому методу все элементы сети, влияющие на распределение токов, представляются 2К-полюсниками (К - число фаз или проводов на входе и на выходе), которые удобнее всего представлять в форме Н. Тогда соотношение между напряжениями и токами на входе и выходе 2К-полюсника соответствует уравнениям [1]:

Цп =А-ик+В-к, (1)

i i i \ \} ' '

1п=С-Цк.+D -к

\ \ \ \ \

где Цп,, 1п,, Цк,, 1к; - напряжения и токи на входе и выходе 2К-полюсника; А,, В,, С,, Di - параметры 2К-полюсника;

Для примера рассмотрим простейшую 4-х проводную линию 0,38 кВ, в конце которой включены три однофазные нагрузки и на одной из них произошло короткое замыкание (рис. 2). За источник неограниченной мощности примем шины 0,4 кВ питающего трансформаторного пункта.

Рис. 2. Расчетная схема и схема замещения линии с ОКЗ.

Результаты и обсуждение. Параметры 2К-полюс-ника линии 0,38 кВ без учета поперечных проводимостей и проводимостей на землю известны [2]:

AL=E; BL=Zl; ^=0; DL=E,

где Е и 0 - соответственно единичная и нулевая матрицы размерностью 4x4;

Zl - матрица комплексных сопротивлений линии

Zl =

Рис. 1. Векторная диаграмма напряжений в месте ОКЗ. Достижения науки и техники АПК, №08-2011 _

(Z\a О О О

о

Zlb

о

о

о

о

Zlc

о

о л

о

о

Zn

(2)

где Zla, ИЬ, Не, гп - сопротивления фазных проводов А, В, С и нулевого провода N, г1а = г1Ь = г1е = Я1 + jXl .

В конце линии включены три однофазные нагрузки. Для моделирования определим проводимости, включенные в каждой фазе:

Ysa=1/Zsa; Ysb=1/Zsb; Ysc=1/Zsc, где Zsa, Zsb, Zsc, - сопротивления фазных нагрузок, принимаем

Zsa = Zsb = Zsc = Rs + jXs = 5+2j Ом.

Матрица узловых проводимостей нагрузок трех фаз имеет вид:

(3)

Эта проводимость входит в параметры 2К-полюсника нагрузки:

Az = Е; Bz = 0; Cz = Ys; Dz = Е

Объединив 2К-полюсники нагрузки и линии, получим параметры эквивалентного 2К-полюсника сети: AE=AL■Az+BL■Cz; BE=AL■Bz+BL■Dz;

CE=CL■Az+DL■ Cz; DE=CL■Bz+DL■Dz, (4)

Все параметры - комплексные числа.

На вход линии подаем симметричные напряжения, как функции времени

ит-

380

л/3

1/а(?) = 1/т-5т(ю?) ;

иЬ^) = ит-5\п(ю-Г + 4я>/)

ио(г) = О

где Цт - амплитуда фазного синусоидального напряжения на входе линии.

Для того, чтобы задать временные рамки переходного процесса, принимаем момент времени, когда произошло ОКЗ - к =0,115 с; период времени от 0 до момента ОКЗ - t=0,001...k (вычисление тока удобно выполнять с периодичностью 0,001 с); период времени от начала переходного процесса до конца расчета, t1=k,k+0,001.0,195

Представим фазные напряжения на входе линии матрицей-столбцом, как функции времени:

Если после точки ОКЗ 1к(^ = 0, то напряжение в конце линии из первого уравнения (1) вычисляется как: Цк^) = АЕ-1 Цп(^ (5)

Изменение тока на входе нагрузки можно определить из второго уравнения (1):

= CEUk(t). (6)

Учитывая, что отношение мнимой части 1т(^(^) к действительной части Re(Is(t)) аналогично отношению (Xs+Xl) /Rs+Rl), определим фазу тока по времени относительно напряжения:

ф{1) = (аїап

Іт(/з(ґ))

РЄ{/3(0)

) / О)

(7)

Тогда матрица токов до ОКЗ будет выглядеть как:

(8)

Для моделирования ОКЗ принимаем сопротивление одной из фазных нагрузок, как переходное сопротивление Rsa = 0,01 Ом в месте повреждения, тогда Zsa = 0,01 +j0, сопротивления Zsb и Zscоставляем без изменения. При ОКЗ параметры эквивалентного 2К-полюсника не меняются, а изменяется величина параметра Cz.

После пересчета значений величин по формулам (3...7), матрица установившихся токов после переходного процесса будет выглядеть так:

Для расчета апериодической составляющей используем формулу:

где Iss(k) - установившийся ток до переходного процесса; ю - угловая скорость поворота вектора напряжения; Rs+Rl+Rt и Xs+Xl+Xt - полное активное и реактивное сопротивление цепи с ОКЗ.

Далее можно найти сумму периодической и апериодической составляющей тока переходного процесса:

1кр(Н) = 1ззп(Н) + 1аа(11) (9)

На основании формулы (9_ можно и построить график переходного процесса при однофазном КЗ (рис. 3). Для определения времени затухания апериодической составляющей при переходном процессе, вызванном

Рис. 3. График переходных процессов.

замыканием в сети, построим график составляющих токов фазы А (рис. 2). С помощью такой модели расчета переходных процессов в линиях и нагрузках можно рассчитать напряжения и токи в трех фазах любой точки сети.

Графики показывают мгновенные значения токов в любой момент времени в фазных и нулевом проводах. На них видно, что в каждом периоде (0,02 с) мгновенные значения токов в неповрежденных фазах снижают ток в нулевом проводе.

Выводы. Метод фазных координат позволяет представлять и анализировать не только установившиеся режимы работы сети, но и переходные процессы токов.

Апериодическая составляющая в сети 0,38 кВ зату- Токи нагрузки в неповрежденных фазах снижают хает настолько быстро, что не отражается на величине ток в нулевом проводе, что следует учитывать при вы-амплитуды тока ОКЗ. полнении релейных защит.

Литература.

1. Аварийные режимы в сетях 0,38 кВ в сетях 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью. - Кострома: изд. КГСХА, 2005. - 167с.

2. Ульянов С.И. Электромагнитные переходные процессы . - М.: Энергия, 1970. - 350 с.

3. Анализ управления магнитными пускателями, удаленными от постов управления - Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: сборник статей 62-й международной научно-практической конференции: в 3т. - Кострома: ГСХА, 2011. Т.2: Архитектура и строительство. Механизация сельского хозяйства. Электрификация и автоматизация сельского хозяйства / под ред. И.А. Яцюка, А.С. Полозова, А.В. Рожнова. - Кострома: КГСХА, 2011. - 202с.

ELECTRIC NETWORKS, TRANSIENT PROCESS, PHASE COORDINATES, SINGLE-PHASE SHORT

CIRCUIT

N.M. Popov, I. A. Molodov

Summary. It is offered for reception of instant current value in three phase and neutral wires in network damaged mode of 0,38 kV using method of phase coordinates with presentation network element as 2K-pole elements.

Key words: electric networks, transient process, phase coordinates, single-phase short circuit

УДК: 621.37: 636.5

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГНЕЗДОВАНИЯ ПТИЦ НА ПОРТАЛАХ ЭЛЕКТРОПОДСТАНЦИЙ

A.Г. ВОЗМИЛОВ, доктор технических наук, профессор

B.Г. УРМАНОВ, соискатель В.Ю. ВОЛЧКОВ, аспирант Челябинская ГАА

E-mail: vozmiag44@rambler.ru

Резюме. В статье рассмотрено негативное влияние гнездования птиц на электроподстанциях, предложено устройство для отпугивания птиц (электрошокер) и методика расчета его основных конструктивных и режимных параметров работы при условиях отсутствия коронирования электродной системы электрошокера и обеспечения искрового пробоя в портале при нахождении птицы.

Ключевые слова: электроподстанция, портал, электрошокер, электродная система, начальное напряжение, начальная напряженность, коронирование, напряжение пробоя.

Проблема защиты порталов электроподстанций от гнездования птиц - актуальная задача при их эксплуатации. Обустраивая свои гнезда на опорах ЛЭП и порталах электроподстанций, птицы зачастую используют не только материалы растительного происхождения (солома, трава, ветки), но и металл (алюминиевая, железная и медная проволока). Поэтому при определенных условиях (большое разветвленное гнездо с наличием металлической проволоки) появляется вероятность возникновения короткого замыкания.

Известны случаи короткого замыкания, сопровождающиеся повреждением элементов конструкции опор, изоляции кабельных линий на вводах и кабельных каналов (рис. 1) [1]. Кроме этого короткие замыкания могут приводить к пожарам на территории электроподстанции.

Для предотвращения гнездования птиц на порталах большой интерес представляет использование средств, разрабатываемых на основе электронно-

ионной технологии. По назначению они относятся к охранно-отпугивающим устройствам (по аналогии с электроизгородями) [2].

В связи с этим цель наших иследований - разработка и испытание устройства для предотвращения гнездования птиц на порталах электроподстанций.

Рис. 1. Последствия гнездования птиц на порталах подстанции: а) - короткое замыкание в кабельном канале; б) - короткое замыкание на металлических конструкциях подстанции.