CC BY
55
УДК 621:311
обеспечение эффективной защиты от коротких замыканий внутренних сетей объектов апк
А.А. СОШНИКОВ, доктор технических наук, профессор
О.Н. ДРОБЯЗКО, доктор технических наук, профессор
Б. С. КОМПАНЕЕЦ, кандидат технических наук, доцент (kompbs@mail.ru)
А. В. ЦУКАНОВ, магистрант
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, просп. Ленина,46, Барнаул, 656038, Российская Федерация
Резюме. Проблема низкой эффективности защиты от коротких замыканий (КЗ) в системах сельского электроснабжения обусловлена, прежде всего, низким уровнем токов КЗ. При удалении объекта АПК от подстанции до 800 м токи КЗ во внутренней сети с алюминиевыми проводами не всегда достигают даже порога срабатывания электромагнитных расцепителей (ЭР) автоматических выключателей с номинальным током 16 А. Поэтому весьма проблематично обеспечение регламентированного наибольшего допустимого времени срабатывания защиты (0,4 с) даже при использовании выключателей повышенной чувствительности серии ВА с характеристикой типа В. Для внутренних сетей ситуация усугубляется из-за возможности воздействия на электропроводку электрической дуги, часто возникающей при КЗ, которая может пережечь электропроводку быстрее, чем сработает защита, что эквивалентно ее отсутствию и неконтролируемому протеканию пожароопасных процессов. Для повышения чувствительности и быстродействия защиты предложен подход, предусматривающий изменение параметров электрической сети с целью увеличения токов КЗ до уровня, при котором зона срабатывания автоматических выключателей смещается к области чувствительности электромагнитных расцепителей (ЭР). Однако это мероприятие также не гарантирует повышение токов КЗ до порога срабатывания ЭР всей линейки номинальных токов применяемых автоматических выключателей. Поэтому дополнительно рекомендуется проектировать систему электрической защиты с учетом таких количественных показателей пожарной опасности, как коэффициент незащищенности сети для однофазных, двухфазных и трехфазных КЗ и интегральный показатель пожарной опасности КЗ. Коэффициент незащищенности по каждому из перечисленных видов КЗ определяется отношением суммы длин участков сети, для которых время срабатывания защиты меньше времени пережога проводов электрической дугой КЗ к суммарной длине всех участков сети. Интегральный показатель пожарной опасности численно равен значению вероятности пожара на объекте от КЗ в течение года при допущении, что пережог электропроводки до срабатываний защиты обязательно приводит к пожару. Ключевые слова: электрическая защита, короткое замыкание, внутренняя сеть, пережог электропроводки, пожарная опасность коротких замыканий.
Для цитирования: Обеспечение эффективной защиты от коротких замыканий внутренних сетей объектов АПК/А.А. Сошников, О.Н. Дробязко, Б.С. Компанеец, А.В. Цуканов// Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 3. С.
В сложившейся системе проектирования электрических сетей выбор их параметров осуществляют по критериям экономичности, надежности и качества электроснабжения [1]. При этом многие требования безопасности, в частности, к электрической защите от аварийных режимов, учитывают в условиях уже сформированной структуры сетей и реализованных технических решений.
Многолетний опыт эксплуатации электроустановок в АПК показывает, что эффективность электрической защиты на основе предохранителей и автоматических выключателей остается недостаточной из-за низкого уровня токов короткого замыкания (КЗ), несмотря на совершенствование защитной аппаратуры и все более широкое использование устройств защитного отключения (УЗО), которые позволяют решить проблему защиты от поражения электрическим током [2, 3], но по принципу действия не реагируют на однофазные КЗ на нулевой рабочий провод и междуфазные КЗ. Эти функции по-прежнему возлагают на автоматические выключатели, с которыми комбинируются УЗО.
Еще одна причина низкой эффективности защиты - большой разброс характеристик срабатывания предохранителей и автоматических выключателей. Реальное время срабатывания защиты при одном и том же токе из-за наличия зоны разброса может отличаться в несколько раз.
Недопустимо высокое время срабатывания защиты при малых токах КЗ привело к необходимости изменения подхода к проверке ее чувствительности в методиках выбора параметров срабатывания. Нормирование минимально необходимой кратности аварийных токов [4] заменено на установление максимально допустимого времени срабатывания защиты [5]. В 7-м издании ПУЭ [5] это время регламентировано значениями 0,4 с для внутренних радиальных и 5 с для групповых сетей.
Цель исследований - повышение чувствительности и быстродействия электрической защиты от КЗ во внутренних сетях объектов АПК.
Условия, материалы и методы. Проведенные авторами расчеты возможного времени срабатывания автоматических выключателей различных типов, установленных на потребительских подстанциях, показали, что для верхних значений защитных характеристик регламентируемое время при удаленных однофазных КЗ в большинстве случаев не обеспечивается [6].
При защите внутренних электрических сетей возникают дополнительные проблемы, обусловленные, прежде всего, значительно меньшим уровнем токов КЗ, чем во внешних сетях. Кроме того, возникающая при КЗ в электропроводках электрическая дуга, температура которой достигает нескольких тысяч градусов, может воспламенить изоляцию или другие горючие материалы, что вместе с действием искр и расплавленных частиц металла часто приводит к развитию пожара. Действуя, как дуга электросварочного аппарата, дуга КЗ может пережечь электропроводку быстрее, чем сработает защита, что эквивалентно ее отсутствию и неконтролируемому протеканию пожароопасных процессов. Современные методики выбора электрической защиты не учитывают воздействие электрической дуги КЗ на электропроводку [7]. Тем самым допускается возможность пожара еще на этапе проектирования защиты.
Таблица 1. результаты расчета токов однофазного кЗ в конце линий 0,38 кв при различных параме-
трах внешней и внутренней электрической сети
Параметры внешней сети Величина тока КЗ во внутренней сети в конце линии, длиной 30 м / 60 м сечением 4 мм2 , А
протяженность ВЛ
Мощность трансформатора, кВА 100 м 800 м
сечение проводов ВЛ сечения проводов ВЛ
Тип 25 мм2 95 мм2 25 мм2 95 мм2
линии материал жил электропроводки материал жил электропроводки материал жил электропроводки материал жил электропроводки
алюминий медь алюминий I медь алюминий I медь алюминий I медь
ВЛ 100 182/127 222/169 227/147 293/207 59/52 63/58 121/94 137/115
160 200/135 249/184 256/158 343/230 61/53 65/59 129/98 147/122
250 212/141 269/195 277/166 383/247 62/54 66/60 134/101 154/126
400 222/145 284/202 293/172 414/260 63/55 67/61 137/103 159/130
630 227/147 294/207 303/175 435/268 64/56 68/62 139/105 162/132
Учитывая проблематичность построения эффективной электрической защиты в системах внешнего и внутреннего сельского низковольтного электроснабжения, обусловленную, прежде всего, низким уровнем токов КЗ, можно предложить подход, отличный от настройки параметров защиты под расчетные значения аварийных токов, который предусматривает их увеличение до уровня, при котором зона срабатывания автоматических выключателей смещается к области чувствительности электромагнитных рас-цепителей (ЭР) [6].
При этом должны обеспечиваться требования ПУЭ [5] по максимально допустимому времени срабатывания, а также исключаться возможность пережога электропроводки током дугового КЗ до срабатывания защиты. Выполнение этих требований в значительной степени реализуется при условии срабатывания в аварийном режиме ЭР автоматических выключателей.
На сегодняшний день для защиты внутренних электрических сетей все большее применение находят автоматические выключатели серии ВА с номинальным током 16; 25; 31,5; 40; 50; 63 А. Наибольшее распространение в России получили выключатели с характеристикой типа С, электромагнитные расцепи-тели которых срабатывают в диапазоне (от 5 до 10) по отношению к номинальному току (1н). Использование более чувствительных выключателей с характеристикой типа В (от 3 1н до 5 1н) достаточно ограничено из-за возможности ложных срабатываний, которые не исключены, прежде всего, вследствие ошибочного проектирования установки и непрофессиональной эксплуатации. В то же время в сельских сетях до сих пор эксплуатируют огромное количество автоматических выключателей серии АЕ с кратностью тока срабатывания ЭР 12 1н.
Оценить возможность срабатывания ЭР автоматических выключателей позволяют результаты расчета токов однофазного КЗ в удаленных точках внутренней сети при различных параметрах внешней сети. Мы провели расчеты для схемы соединения обмоток трансформатора 10/0,4 кВ «звезда - звезда» и сечения проводов внутренней сети 4 мм2. При оценке пороговыхтоков срабатывания ЭР выключателей использовали следующие средние значения: 7,5 1н - для выключателей серии ВА (С) и 4 1н - для выключателей серии ВА (В).
результаты и обсуждение. Анализ выполненных расчетов показал, что даже на расстоянии 100 м от подстанции при сечении проводов воздушной лини 95 мм2 и протяженности внутренней алюминиевой электропроводки 60 м ЭР выключателей серии АЕ с номинальным током 16 А и выше и серии ВА (С) с
номинальным током 25 и выше не будут реагировать на однофазное КЗ (табл. 1, табл. 2). Только при использовании медной электропроводки и снижении ее протяженности до 30 м в некоторых случаях возможно срабатывание ЭР выключателей серии АЕ с номинальным током 31,5 А, и серии ВА (С) - с номинальным током 50 А.
При удалении от подстанции до 800 м ЭР выключателей серии АЕ с номинальным током 16 А и выключателей серии ВА (С) с номинальным током 25 А даже при выполнении внутренней проводки медным проводом, протяженностью не превышающей 30 м, на однофазные КЗ не реагировали.
Наилучшими показателями срабатывания обладали выключатели серии ВА (В). При удалении от подстанции до 100 м и протяженности внутренней алюминиевой электропроводки 60 м порог срабатывания ЭР достигался для выключателей с номинальным током до 40 А, а в отдельных случаях (при медной электропроводке и сечении воздушной линии 95 мм2) - 63 А. При уменьшении протяженности медной электропроводки до 30 м порог срабатывания ЭР достигался для всей рассмотренной линейки номинальных токов.
Однако при удалении от подстанции до 800 м токи КЗ не всегда достигали даже порога срабатывания выключателей с номинальным током 16 А. И только для медной электропроводки при снижении ее протяженности до 30 м было возможно срабатывание ЭР выключателей с номинальным током до 40 А.
Аналогичные расчеты для внешней сети с кабельной линией или СИП с учетом возможности соединения вторичной обмотки силового трансформатора по схеме «зигзаг» позволяют расширить область оценки значений токов КЗ и анализировать результативность защиты в рассматриваемых условиях. Но в целом, проведенный анализ показал проблематичность обеспечения регламентированного [5] наибольшего допустимого времени срабатывания защиты (0,4 с) даже при условии использования выключателей повышенной
Таблица 2. расчетные пороговые токи срабатывания электромагнитных расцепителей автоматических выключателей
Номи- Пороговый ток срабатывания, А для
нальный выключателей серии
ток, А АЕ ВА (С) ВА (В)
16 192 120 64
25 300 187 100
31,5 378 236 126
40 480 300 160
50 600 375 200
63 756 472 252
чувствительности серии ВА с характеристикой В.
С учетом изложенного, представляется целесообразным при выборе параметров электрических сетей при проектировании и реконструкции систем низковольтного электроснабжения учитывать уровень токов короткого замыкания, принимая во внимание, что его повышение достигается с помощью следующих мероприятий [6]:
увеличение мощности трансформаторов на потребительских подстанциях;
использование силовых трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда - зигзаг» или «треугольник - звезда»;
увеличение сечения проводов воздушных линий 0,38 кВ;
замена традиционных воздушных линий 0,38 кВ с неизолированными проводами воздушными кабелями (СИП);
увеличение сечения алюминиевых проводов на участках внутренних электрических сетей;
замена алюминиевых проводов на медные на участках внутренних электрических сетей.
Однако даже реализация совокупности этих мероприятий не гарантирует повышения токов КЗ до порога срабатывания ЭР всей линейки номинальных токов применяемых автоматических выключателей. Поэтому целесообразно использовать разработанный в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) подход к оценке эффективности электрической защиты по показателям пожарной опасности КЗ, основанный на следующем [7].
Диапазон токов однофазного, двухфазного или трехфазного КЗ на участке сети, для которого время пережога электропроводки возникающей электрической дугой меньше времени срабатывания защиты, называется незащищенной зоной или зоной пережога. Отношение диапазона токов КЗ, для которого время пережога меньше времени срабатывания защиты, к диапазону токов КЗ на участке сети можно интерпретировать как долю незащищенной части участка сети.
Показатель к^к), определяемый долей незащищенной части участка сети (отношение длины незащищенной части участка электрической сети к полной длине участка), называется коэффициентом незащищенности участка сети:
¡прг{к) ^нз(к) _ Ы_
(1)
где - длина в-го участка сети (в = 1,.., Э), м; ¡пргЮ- длина зоны пережога на этом участке при к-м виде КЗ, м.
Нулевая величина этого показателя соответствует отсутствию опасности пережога на участке сети (и, как следствие, значительно меньшей опасности пожара, так как процесс развития КЗ ограничен электрической защитой), а равная единице - полной незащищенности участка сети.
На основе этого коэффициента рассчитывается показатель Кнз(к>, который характеризует пожарную опасность сети в целом и называется коэффициентом незащищенности электрической сети. Он должен рассчитываться для каждого вида КЗ, имеет граничные значения 0 и 1 и может быть определен как отношение суммы длин зон пережога к сумме длин всех участков сети:
/лрг(<0
ъ.
(2)
Учитывая, что пожарную опасность при дуговых коротких замыканиях представляют прежде всего участки электрической сети, для которых время пережога меньше времени срабатывания защиты (в этом случае защита не влияет на процесс пережога и пожароопасные факторы электрической дуги) в заданном диапазоне токов КЗ, можно поставить в соответствие эффект пережога до срабатывания защиты и развитие вследствие этого пожара.
Тогда вероятность пожара Кт{к) от КЗ данного вида в течение времени Т на в-м участке сети можно определить по формуле:
(3)
где Р* - вероятность возникновения КЗ на участке сети в течение времени Т; Qy - вероятность сосредоточения пожароопасного вещества вблизи электропроводки; Qр - вероятность перерастания возникшего загорания в пожар; QТЗ - вероятность отказа системы пожаротушения; Qз - вероятность воспламенения пожароопасного вещества, включая горючую изоляцию.
В расчетах значения вероятностей Qy, Qз, Qр и QТЭ принимаются равными единице, поэтому Р/(Л) называется показателем пожарной опасности к-го вида короткого замыкания на в-ом участке электрической сети:
р8к(п)=р?кн;{к).
(4)
Величина этого показателя численно равна значению вероятности пожара на объекте при к-м виде короткого замыкания при условии, что пережог электропроводки до срабатываний защиты обязательно приводит к пожару.
Используя коэффициент незащищенности электрической сети, можно определить показатель пожарной опасности к-го вида короткого замыкания для всей электрической сети рассматриваемого объекта по формуле
РК(П)= рК(к)киз{к), (5)
где вероятность КЗ к-го вида в электрической сети в течение времени Т.
С учетом введенных показателей и допущения о том, что за время Т пожар на объекте происходит от КЗ только на одном из участков сети, причем КЗ на всех участках равновероятны, в соответствии с теоремой умножения вероятностей может быть определен интегральный показатель пожарной опасности в электрической сети из-за короткого замыкания (независимо от его вида):
Р(л) = 1 -[1 - Р*1 (Л)] • [1--.РК2 (Л)]-■ •[1-Ркз(Л)]-[1-Р'ж(Л)],
(6)
где РК1(П>, РК2(П>, РК3(П>, РКК(П> - соответственно показатели пожарной опасности однофазного, двухфазного, трехфазного КЗ и однофазного КЗ на открытые проводящие части (называемые далее «КЗ на корпус»).
Если вся сеть защищена УЗО, можно использовать следующую формулу:
Р" (Л) = 1 - [1 - Р*1 (Л)] • [1 - Р*2 (Л)] ■ [1 - Р*3 (Л)]. (7)
Если УЗО установлены на отдельных участках сети, необходимо использовать формулу (6), в которой показатель пожарной опасности КЗ на корпус рассчитывают по следующему выражению:
Р-(Л)=Р,^', (8)
где К^*' - коэффициент незащищенности сети при однофазных КЗ на корпус с учетом защиты отдельных участков устройствами защитного отключения.
Этот коэффициент определяется по формуле:
У 1прг(к) _ у ¡прг(к) ' ' Я ¿^ В[у30)
КНЗ(к) _ 5=1_5=1__,„,
гхузо э ■ (9)
е'.
Я=1
где /5Рг(,г) - длина зоны пережога э-го участка сети при однофазном КЗ на корпус и отсутствии в сети УЗО, м; - длина зоны пережога э-го участка сети, защищенного УЗО при однофазном КЗ на корпус, м.
Показатели, определяемые по формулам (4) -(8), можно рассматривать в качестве количественной меры пожарной опасности электропроводок и использовать для оценки эффективности электрической защиты.
выводы. Таким образом, для повышения эффективности электрической защиты объектов АПК параметры системы электроснабжения 0,38 кВ, включая электропроводки во внутренней электрической сети, необходимо выбирать с учетом уровня токов короткого замыкания с целью достижения порогов срабатывания ЭР (или приближения к ним) автоматических выключателей, а систему защиты проектировать с учетом показателей пожарной опасности.
Очевидно, что предложенный подход, связан с дополнительными затратами. Однако мероприятия по увеличению уровня токов КЗ одновременно повышают надежность электроснабжения и качество напряжения у потребителей, а также улучшают условия пуска мощных асинхронных электродвигателей. Благодаря повышению эффективности электрической защиты в ряде случаев снижается ущерб от перерывов электроснабжения и повреждений электрооборудования, уменьшается вероятность возникновения электропожаров.
Необходимо также отметить, что использование этих рекомендаций не позволяет определить единые требования к параметрам низковольтных электрических сетей. Требуется проведение расчетов технических и экономических показателей для конкретных вариантов электроснабжения различного вида электропотребителей.
Литература.
1. Лещинская Т.Б., Наумов И.В. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник для вузов. М.: БИБКОМ, Транслог, 2015. 656 с.
2. Empirical Model of a Human Body Resistance at a Hand-to-Hand DC Flow / S. Boron, A. Heyduk, J. Joostberens, J. Pielot //Elektronika ir elektrotechnika. 2016. Vol. 22. № 4. Pp. 26-31.
3. Gierlotka S. Metody badan impedancji ciala czlowieka, // Wiadomosci elektrotechniczne. 2011. No. 8. Pp. 18-20.
4. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1987. 648 с.
5. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. 176 с.
6. Сошников А.А., Компанеец Б.С. Перспективные направления улучшения функциональных показателей систем сельского электроснабжения// Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: материалыXIII международной научно-практической интернет-конференции, 15 марта - 30 июня 2015 г., г. Орел/под ред. д-ра техн. наук, проф. О.В. Пилипенко, д-ра техн. наук, проф. А.Н. Качанова, д-ра техн. наук, проф. Ю.С. Степанова. Орел: Госуниверситет-УНПК, 2015. С. 50-53.
7. Основы электромагнитной совместимости: учебник для вузов / Н.А.Володина, Р.Н. Карякин, Л.В. Куликова, О.К. Никольский, А.А. Сошников, А.Л. Андронов, В.С. Германенко, П.И. Семичевский; под ред. Р.Н. Карякина. Барнаул: ОАО «Алтайский полиграфический комбинат», 2007. 480 с.
PROVISION OF EFFECTIVE PROTECTION AGAINST SHORT CIRCuITS IN INTERNAL ELECTRICAL NETWORKS OF AGRO-INDuSTRIAL OBJECTS
A.A. Soshnikov, O.N. Drobjazko, B.S. Kompaneetz, A.V. Tzookanov
I.I. PolsunovAltai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation
Abstract. The problem of low efficiency of protection from short circuits (SC) in the rural power-supply systems is caused, first of all, by the low level of SC currents. When an object of an agro-industrial complex is removed from the substation to 800 m, the SC-currents in the internal network with aluminum wires do not always reach even the triggering threshold of the electromagnetic releases (ER) of automatic circuit breakers with a rated current of 16 A. Therefore, it is very problematic to provide the maximum permissible protection triggering time (0.4 s) even with the usage of high sensitivity circuit breakers of BA series with the characteristic of type B. The situation is also exacerbated for internal networks due to the possibility of an electric arc impact to wiring, which often occurs during short-circuit. The electric arc can burn the wiring faster than the protection works, which is equivalent to its absence and uncontrolled flow of fire-hazardous processes. To increase the protection sensitivity and speed, an approach is suggested that involves changing the parameters of the electrical network in order to increase the SC-currents to a level at which the automatic circuit-breaker triggering zone is shifted to the sensitivity area of electromagnetic releases (ER). However, this action does not guarantee the increasing of short-circuit currents up to ER-threshold of the whole rated currents range of circuit breakers used. That is why it is additionally recommended to design the electrical protection system with an accounting of fire danger quantitative indicators. The most informative of these indicators are the network exposure factor for single-phase, two-phases and three-phases short circuits and an integral indicator of SC fire hazard. The exposure factor for each of the listed types of SC is determined by the ratio of the sections lengths sum of the network for which the triggering time of the protection is less than burning the wires time by an SC arc to the total length of all sections of the network. The integral indicator of fire hazard is numerically equal to the probability of fire at the object from single-phase, two-phases and three-phases SC during the year, assuming that the burnout of the wiring before the protection triggers necessarily leads to a fire. Keywords: electrical protection, short circuit, internal electrical network, wiring burnout, fire danger of short circuits. Author Details: A.A. Soshnikov, D. Sc. (Tech.), prof.; O.N. Drobjazko, D. Sc. (Tech.), prof.; B.S. Kompaneetz, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: kompbs@mail.ru); A.V. Tzookanov, master's student.
For citation: Soshnikov A.A., Drobjazko O.N., Kompaneetz B.S., Tzookanov A.V. Provision of Effective Protection against Short Circuits in Internal Electrical Networks of Agro-Industrial Objects. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 3. Pp. (in Russ.).
