CC BY
1
The development of a hybrid complex with an energy converter of the temperature range "sunny side - shaded" during the flight of micro satellites of low orbits is given. The advantages of using a capacitive temperature difference energy converter for power supply of micro satellites of low orbital level are considered.
Key words: hybrid complex, control system, temperature drop, power supply, energy converter, micro satellite.
Chelukhin Vladimir Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Cheluhin-va@mail. ru, Russia, Komso-molsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU),
Vasiliev Alexander Vladimirovich, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Abramson Elizaveta Vladimirovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Pyey Zon Aung, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU)
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-402-403
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С РЕЗИСТИВНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ
В.И. Бирюлин, И.В. Ворначева, Д.В. Куделина
В статье показано, что увеличение количества потребляемой электроэнергии и плотности электрических нагрузок требует внедрения в системы электроснабжения городов новых технических решений, в том числе перевода распределительных сетей на напряжение 20 кВ и применения в них режима заземления нейтрали через низкоомный резистор. Проведены расчеты длительности существования полученных в ходе компьютерного моделирования значений напряжений на заземляющих устройствах. Наиболее важные результаты: вывод о необходимости учета допустимой длительности существования напряжений на заземляющих устройствах энергетических объектов в сетях с заземлением нейтрали через низкоомный резистор при выборе уставок релейной защиты.
Ключевые слова: напряжение прикосновения, заземляющее устройство, электрическая сеть, силовой кабель, короткое замыкание, полиномы, токоведущая жила, экран кабеля
В настоящее время в системах электроснабжения крупных городов Российской Федерации существуют большие проблемы в эксплуатации и развитии распределительных электрических сетей среднего класса напряжения. В первую очередь это связано с тем, что существуют значительные трудности, связанные с отсутствием или ограничениями имеющейся мощности электрических сетей для подключения новых потребителей или же при увеличении нагрузки уже подключенных потребителей. Стоит отметить также, что в мировой энергетике широко внедряются цифровые методы сбора и обработки информации, современные элегазовые электрические аппараты, и кабельные линии, выполненные силовыми кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Также большой проблемой городских систем электроснабжения в крупных российских городах является быстрый рост как величин потребления электроэнергии, так и стремительное увеличение плотности электрических нагрузок. Следует отметить, что рост потребления электроэнергии является общемировой тенденцией [1]. Успешное решение такой проблемы вряд ли может быть выполнено на основе уже существующих городских электрических сетей, как правило, не имеющих необходимой пропускной способности для транспортировки значительных перетоков мощности. Для этого необходимо осуществить сооружение новых электрических сетей, работающих на более высоком напряжении по сравнению с ранее построенными электросетями.
За рубежом применение класса напряжения 20 кВ в распределительных электрических сетях крупных городов началось во второй половине 20 века. В нашей стране такое напряжение стало использоваться сравнительно недавно, но его внедрение позволит решить существующие проблемы, связанные с ограничениями мощности, в системах электроснабжения крупных городов. Так, в [2] указано, что создание надёжной городской системы электроснабжения в Москве может быть реализовано путем строительства опорной питающей сети 20 кВ на базе вновь вводимых ПС 220/20 кВ. В новых электрических сетях с напряжением 20 кВ начинает применяться режим с низкоом-ным заземлением нейтрали, реализация которого позволяет избежать недостатков режима работы электросетей с изолированной нейтралью [3, 4]. Применение резистивного заземления нейтрали позволяет избавиться от опасных перенапряжений, возникающих при однофазных замыканиях на землю; повышает быстродействие и селективность срабатывания релейной защиты при однофазных замыканиях на землю: увеличивает показатели надежности электроснабжения потребителей, подключенных к таким электрическим сетям.
При возникновении однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих в режиме с нейтралью, заземленной через резистор, во всех исправных линиях такой сети начинают протекать токи, обусловленные емкостями этих линий, а по поврежденной линии будет проходить также и активный ток, формируемый резистором, включенным в цепь замыкания, что приводит к значительной величине данного тока, являющегося, по существу, током однофазного короткого замыкания. Далее рассмотрим режим работы электрической сети, выполненной в виде трехфазной группы из однофазных кабелей, при возникновении однофазного короткого замыкания. Поясняющая схема такой сети приведена ниже на рисунке.
407
На этой схеме трансформатор Т1 обеспечивает преобразование электроэнергии с 220 до 20 кВ. Нейтраль его вторичной обмотки присоединяется через сопротивление Ыы, имеющее величину 12 Ом [5-7] к сопротивлению Rзy пс, представляющему заземляющее устройство подстанции 220/20 кВ. От шин напряжением 20 кВ данной подстанции отходит кабельная линия КЛ, выполненная однофазными кабелями, экраны которых заземлены с двух сторон линии [8, 9]. На питающей подстанции экраны присоединяются к Ызу пс, на другом конце эта линия присоединяется к распределительному пункту РП, и экраны кабелей подключаются к его заземляющему устройству Ызу пс.
КЛ
экраны
113У РП
Поясняющая схема электрической сепш
На этой схеме трансформатор Т1 обеспечивает преобразование электроэнергии с 220 до 20 кВ. Нейтраль его вторичной обмотки присоединяется через сопротивление Ыы, имеющее величину 12 Ом [5-7] к сопротивлению Ызу пс, представляющему заземляющее устройство подстанции 220/20 кВ. От шин напряжением 20 кВ данной подстанции отходит кабельная линия КЛ, выполненная однофазными кабелями, экраны которых заземлены с двух сторон линии [8, 9]. На питающей подстанции экраны присоединяются к Ызу пс, на другом конце эта линия присоединяется к распределительному пункту РП, и экраны кабелей подключаются к его заземляющему устройству Ызу пс.
В такой электрической схеме возникновение однофазного короткого замыкания в идеализированном виде между токоведущей жилой однофазного кабеля и заземленным экраном не будет создавать опасных потенциалов на заземляющих устройствах энергетических объектов, так как ток данного повреждения замыкается в контуре: вторичная обмотка силового трансформатора-токоведущая жила кабеля-экран-резистор Ыы.
Если рассматривать повреждение изоляции кабеля между токоведущей жилой и экраном с учетом возникновения электрической дуги, то следует учитывать, что горящая электрическая дуга может прожечь экран кабеля и внешний изоляционный слой, создавая тем самым замыкание через дугу на землю и дополнительный путь протекания тока короткого замыкания через землю. Это создает возможность возникновения довольно значительных потенциалов на заземляющих устройствах. Такой учет электрической дуги является отличием материала данной статьи от опубликованных ранее исследований [10-12].
В ГОСТ 12.1.038-82 задаются предельно допустимые значения напряжений прикосновения в зависимости от времени. Эти данные приведены в табл.2 данного ГОСТ для разных видов тока, для дальнейшей работы будем использовать значения напряжений прикосновения и времени для переменного тока частотой 50 Гц. В этой таблице заданы значения рассматриваемых параметров с определенным шагом по времени. Для более удобной работы по оценке предельно допустимого времени существования определенного значения напряжения прикосновения найдем функцию, описывающую связь между напряжением и временем по данным табл. 2 ГОСТ 12.1.038-82.
Определение такой функции производилось с применением компьютерной системы научно-технических расчетов МАТЬАВ в порядке, представленном ниже (символы >> показывают вид ввода данных или команд в рабочем окне системы МАТЬАВ). Сначала был создан вектор аргумента функции или вектор значений времени:
>> г = [0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1].
Далее аналогичным образом был создан вектор значений функции как: >> и = [340 160 135 120 105 95 85 75 70 60 20].
После задания этих двух векторов с использованием функции МАТЬАВ вида ро1уГй, позволяющей находить коэффициенты полинома искомой функции, находились значения этих коэффициентов. Данная функция применяется следующим образом:
>> кг = ро1уЩг,и,п),
где г - вектор значений аргумента функции; и - вектор известных значений функции; п - задаваемая пользователем степень полинома.
При использовании функции ро1уЙ задавались несколько значений степени полинома п. Затем, используя найденные коэффициенты, определяли величины напряжения прикосновения для значений времени, заданных в табл. 2 ГОСТ 12.1.038-82. При предварительном анализе полученных таким образом результатов наилучшие приближения к заданным значениям напряжения прикосновения обеспечили полиномы пятой и четвертой степени.
Для полинома пятой степени коэффициенты имели следующие значения:
аз = -11859, ал = 36670, аъ = -43134, са = 23982, а = -6375, а0 = 775.
Для полинома четвертой степени коэффициенты имели следующие значения: а4 = 4057, а3 = -10324, а2 = 9306, а1 = -3579, а0 = 605.
Далее в табл. 1 и табл. 2 показаны результаты расчетов значений напряжения прикосновения с использованием полученных полиномов. В этих таблицах приведены значения времени t (в с), рассчитанной величины напряжения прикосновения ирасч, нормируемой табл.2 ГОСТ 12.1.038-82 величины напряжения прикосновения инор.
Значения напряжений прикосновений, рассчитанных по полиному пятой степени
Таблица 1
г, с 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
ирасч, В 337 169 124 118 112 97 80 73 69 59
инор, В 340 160 135 120 105 95 85 75 70 60
Таблица 2
Значения напряжений прикосновений, рассчитанных по полиному четвертой степени
t, c 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Црасч, В 330 185 123 105 105 104 93 74 57 65
Цнор, В 340 160 135 120 105 95 85 75 70 60
Для более обоснованного выбора (пятой или четвертой степени) произведем расчет величины среднеквадратичной ошибки МБЕ по данным из табл. 1 и табл.2. Расчет выполняется по следующей формуле:
МЖ = - £ { - иг )2, (1)
п, =1
где п - число обрабатываемых результатов расчетов, в нашем случае, равное десяти; Ц - заданное в табл.2 ГОСТ 12.1.038-82 значение предельно допустимого напряжения прикосновения; . - значение напряжения прикосновения, полученное расчетным путем.
Для полинома пятой степени значение МБЕ получилось равным 29,9, а для полинома четвертой степени -143,4. Следовательно, окончательный выбор делаем в пользу полинома пятой степени и приводим ниже окончательный вид найденной функции, определяющей зависимость предельно допустимого значения напряжения прикосновения Спред в В, от времени I, в с:
Цпред = -11859-Г5 + 36670-Г4 - 43134^3 + 23982-Г2 - 6376^ + 775. (2)
Далее приведем результаты компьютерного моделирования в программной среде PSCAD параметров работы электрических сетей напряжением 20 кВ с резистивным заземлением нейтрали при однофазных коротких замыканиях в табл. 3. Точки возникновения повреждений выбирались вблизи шин питающей подстанции и вблизи распределительного пункта, допустимое время их существования рассчитывалось по (2).
Таблица 3
Значения напряжений прикосновения и допустимое время их существования_
Наименование линии Напряжения на заземляющих устройствах, В/допустимое время, с Положение точки ОКЗ
Подстанция Распределительный пункт
Линия 71147 70,9/0,96 71,9/0,95 0,25 км от начала линии
29,5/> 1 с 166,6/0,21 0,25 км до конца линии
Линия 70131 86,2/0,66 12,1/> 1 с 0,25 км от начала линии
4,2/ > 1 с 168,9/0,2 0,25 км до конца линии
Линия 70100 87,7/0,65 8,7/ > 1 с 0,25 км от начала линии
5,2/ > 1 с 185,3/0,18 0,25 км до конца линии
Линия Андроновка а 86,7/0,66 13,4/ > 1 с 0,25 км от начала линии
5,1/> 1 с 190,9/0,18 0,25 км до конца линии
Линия Андроновка р 86,7/0,66 13,5/> 1с 0,25 км от начала линии
5,2/ > 1 с 191,5/0,18 0,25 км до конца линии
Линия 218 71,9/0,93 51,5/ > 1 с 0,25 км от начала линии
19,5/ > 1 с 179,4/0,19 0,25 км до конца линии
Линия 7009 78,1/0,86 23,1/ > 1 с 0,25 км от начала линии
6,2/ > 1 с 191,5/0,18 0,25 км до конца линии
Линия 70092 80,4/0,7 11,6/ > 1 с 0,25 км от начала линии
3,6/> 1 с 167,6/0,2 0,25 км до конца линии
Линия 77002 бета 80,2/0,7 39,3/ > 1 с 0,25 км от начала линии
13,5/ > 1 с 190,8/0,18 0,25 км до конца линии
Линия ТПП 1107 бета 81,2/0,7 35,2/ > 1 с 0,25 км от начала линии
11,8/ > 1 с 192,3/0,18 0,25 км до конца линии
Линия абонент 85,1/0,66 20,1/ > 1 с 0,25 км от начала линии
6,2/ > 1 с 192,5/0,18 0,25 км до конца линии
Приведенные в табл. 3 результаты показывают, что учет существования электрической дуги в месте возникновения однофазного короткого замыкания и перехода повреждения от вида токоведущая жила-экран к виду токоведущая жила-экран-земля показывает возможность существования опасных значений на заземляющих устройствах энергетических объектов. Возможность появления опасных значений напряжений должна учитываться при выборе уставок релейной защиты для обеспечения своевременного отключения поврежденного участка электрической сети и избежания попадания людей под опасное значение напряжения, существующие недопустимо большое время.
Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства высшего образования и науки Российской Федерации (Государственное задание «Исследование алгоритмов, моделей и методов повышения эффективности функционирования сложных технических систем», проект № 0851-2020-0032).
Список литературы
1. Мазурова О. В., Гальперова Е. В. Энергопотребление в России: современное состояние и прогнозные исследования // Проблемы прогнозирования. 2023. № 1(196). С. 156-168. doi: 10.47711/0868-6351-196-156-168
2. Схема электроснабжения города Москвы (распределительные сети напряжением 6-10-20 кВ на период до 2030 года с учетом присоединенных территорий. [Электронный ресурс]. URL: www.mos.ru/dgkh/anticorruption/antikorruptcionnaia-kspertiza/view/42729220/ (дата обращения 20.09.2023).
3. Назарычев А. Н., Титенков С. С., Пугачев А. А. Комплексные инновационные решения по заземлению нейтрали в сетях 6-35 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. № 3(36). С. 40-46.
409
4. Шалин А. И., Целебровский Ю. В., Щеглов А. М. Особенности резистивного заземления в городских сетях 10 кВ // Сб. науч. тр. II Всероссийской науч.-техн. конф. «Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтрали сетей 6-35 кВ»: 15-17 октября 2002. Новосибирск, 2002. С. 63-68.
5. Дмитриев М. В. Заземление нейтрали в кабельных сетях 6-35 кВ // Электроэнергия: передача и распределение. 2016. №5(38). С. 76-81.
6. Майоров А. В. Опыт эксплуатации электрических сетей 20 кВ и вопросы развития их структуры по материалам III Всероссийской конференции «Технико-экономические аспекты развития электрических сетей 20 кВ» // Электроэнергия, передача и распределение. 2017. №4(43). С.74-79
7. Майоров А. В., Челазнов А. А., Ильиных М. В. Экспериментальные исследования переходных процессов при однофазных замыканиях в сети 20 кВ // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. №6. С.23-29.
8. Дмитриев М. В. Выбор и реализация схем заземления экранов однофазных кабелей 6-500 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение. 2013. № 6(21). С. 90-97.
9. Дмитриев М. В. Обеспечение безопасности кабельных линий с однофазными кабелями 6-500 кВ // «Кабель - news». 2014. №2.С.26-32.
10. Артемьев М. С. Расчет потенциала на заземляющих устройствах подстанций в городских кабельных сетях при однофазных замыканиях на землю [Электронный ресурс] / М. С. Артемьев, А. С. Брилинский, О. И. Гру-нина, Г. А. Евдокунин // Энергоэксперт. 2015. № 1. URL: http://energyexpert.ru/content/view/9/36/ (дата обращения 20.09.2023).
11. Борисов Р. К. О выносе высокого потенциала при коротком замыкании на землю на питающем центре [Электронный ресурс] / Р. К. Борисов, Ю. В. Жарков // Энергоэксперт. 2012. № 2. [Электронный ресурс] URL: http://energyexpert.ru/component/option,comjdownloads/Itemid,93/ (дата обращения: 20.09.2023).
12. Фишман В. С. Кабельные сети 6(10) кВ со СПЭ-изоляцией. Возникновение и распространение опасных потенциалов [Электронный ресурс] // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 5(83). [Электронный ресурс] URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2013/83/09.php (дата обращения: 20.09.2023).
Бирюлин Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, и.о. заведующего кафедрой, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Куделина Дарья Васильевна, канд. техн. наук, доцент, mary [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
VOLTAGES MODELING ON GROUNDING DEVICES IN ELECTRICAL NETWORKS WITH RESISTIVE NEUTRAL
GROUNDING
V.I. Biryulin, I. V. Vornacheva, D. V. Kudelina
The article shows that an increase in the amount of consumed electricity and the electrical loads density requires the introduction of new technical solutions into urban power supply systems, including the transfer of distribution networks to 20 kV voltage and the neutral grounding mode use in them through a low-resistance resistor. Calculations of the voltage values existence duration obtained during computer modeling on grounding devices were carried out. The most important results: the conclusion about the need to take into account the permissible duration of voltage existence on the energy facilities grounding devices in networks with neutral grounding through a low-resistance resistor when choosing relay protection settings.
Key words: touch voltage, grounding device, electrical network, power cable, short circuit, polynomials, current-carrying conductor, cable screen.
Biryulin Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, acting head of department, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University,
Kudelina Daria Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University
