CC BY
57
БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
УДК 621.316
А.В. Млоток, A.M. Ершов, Р.Г. Валеев, А.И. Сидоров
МЛОТОК АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - главный инженер филиала «МРСК Урала» - «Челябэнерго», Челябинск. E-mail: secr@chel.elektra.ru
ЕРШОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры систем электроснабжения (ЮжноУральский государственный университет (НИУ) в г. Челябинске). E-mail: a.m.ershov@mail.ru
ВАЛЕЕВ РУСТАМ ГАЛИМЯНОВИЧ - ассистент кафедры систем электроснабжения, (Южно-Уральский государственный университет (НИУ) в г. Челябинске). E-mail: valeevrustam@mail.ru
СИДОРОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности (Южно-Уральский государственный университет (НИУ) в г. Челябинске). E-mail: bgd-susu@mail.ru
Опытная электрическая сеть напряжением 380 В
В электрических сетях напряжением 380 В с воздушными линиями с неизолированными проводами в ходе эксплуатации возникают различного рода повреждения: однофазные короткие замыкания между фазным и нулевым проводами; однофазные замыкания на землю; обрывы фазного и нулевого проводов и др. Исследования процессов, протекающих при возникновении указанных режимов, проводят с использованием математических, компьютерных, физических моделей. В то же время проведение натурных экспериментов в действующих электрических сетях может создать опасную ситуацию для потребителей электроэнергии, населения и животных.
Для проведения экспериментальных исследований филиал ОАО «МРСК Урала» -«Челябэнерго» по проекту, разработанному в Южно-Уральском государственном университете, построил на своем учебном полигоне опытную электрическую сеть напряжением 380 В. Опытная электрическая сеть, состоящая из трансформатора мощностью 160 кВА напряжением 10/0,4 кВ и воздушной линии длиной 481 м, питается от подстанции напряжением 110/10 кВ, на которой установлен трансформатор 6300 кВА. Нагрузкой электрической сети являются пофазно регулируемые активные сопротивления.
В опытной электрической сети предполагается проведение широкого круга натурных экспериментов по исследованию изменения токов и напряжений, проверки полученных в результате теоретических исследований критериев распознавания различных режимов работы; а также испытания серийных и опытных образцов различного рода устройств защиты; оценка условий электробезопасности при тех или иных режимах электрической сети.
Ключевые слова: электрическая сеть напряжением 380 В, однофазные короткие замыкания, обрывы фазных и нулевого проводов.
© Млоток А.В., Ершов А.М., Валеев Р.Г., Сидоров А.И., 2014
В электрических сетях напряжением 380 В с воздушными линиями с неизолированными проводами в ходе эксплуатации возникают различного рода повреждения, обусловливающие разные несимметричные режимы работы, среди которых наиболее часто встречаются [2, 6]:
- однофазные короткие замыкания между фазным и нулевым проводами;
- однофазные замыкания на землю;
- обрывы фазного провода;
- обрывы нулевого провода.
Исследования процессов, протекающих при возникновении указанных несимметричных режимов, проводят с использованием математических, компьютерных, физических моделей [1, 3, 5, 7]. Однако адекватность полученных на моделях результатов можно проверить путем соответствующих исследований в реальной электрической сети.
В то же время анализ данных, полученных в процессе исследований на компьютерной модели электрической сети, показывает, что реализация отдельных аварийных режимов в действующей электрической сети может создать опасную ситуацию для электроприемников, а также людей и животных [4].
1. При искусственном создании однофазного короткого замыкания на воздушной линии напряжение на поврежденной фазе может снижаться до нуля, а напряжения здоровых фаз относительно нулевого провода могут приближаться к линейному значению. Например, в электрической сети с силовым трансформатором ТМГ-160/10/0,4 кВ экспериментальными исследованиями установлено, что при однофазном коротком замыкании в месте повреждения и далее по линии напряжение на поврежденной фазе снижается до 2,5-5 В, а на здоровых фазах возрастает до 310-324 В. Следует добавить, что удаленные однофазные короткие замыкания могут совсем не отключаться защитными аппаратами либо отключаться в течение единиц и даже десятков секунд - следовательно, имеется большая вероятность повреждения электрооборудования потребителей.
2. При обрыве нулевого провода напряжения фаз относительно земли зависят от степени несимметрии электрических фазных нагрузок. В предельном случае, например при отсутствии нагрузок на двух фазах и максимальной нагрузке на третьей фазе, напряжение на первых двух фазах может приближаться к линейному значению.
Описанные два случая показывают, что проведение экспериментальных исследований в действующей электрической сети напряжением 380 В опасно для любых электроприемников, подключенных к этой сети. Из-за возникающих значительных повышений или понижений напряжения более чем на ±5-10% может повреждаться как бытовая (холодильники, стиральные машины, различного рода теле- и радиоаппаратура и др.), так и производственная (насосы, вентиляторы и др.) техника. Кроме того, это может вызвать и возгорание жилых домов.
Для проведения натурных экспериментальных исследований на основании проекта, разработанного в Южно-Уральском государственном университете (НИУ), филиал ОАО «МРСК Урала» - «Челябэнерго» построил действующую электрическую сеть напряжением 380 В на своем учебном полигоне, расположенном в с. Миасское, обслуживаемом Красноармейским РЭС ПО «Центральные электрические сети». Особенностью этой сети является то, что реальные бытовые и производственные электроприемники заменены нагрузочными сопротивлениями. Такую сеть можно назвать опытной электрической сетью напряжением 380 В. В дальнейшем этот термин мы будем использовать как при описании электрической сети напряжением 380 В, так и при представлении результатов широкого круга экспериментальных исследований.
При выборе параметров опытной электрической сети были проанализированы мощности трансформаторов напряжением 10/0,4 кВ, сечения и протяженности воздушных линий напряжением 380 В, широко применяемых в сельской местности и в поселках городского типа. В то же время процессы, протекающие в электрической сети, при
моделировании всевозможных режимов их работы должны быть максимально приближены к реальным. Мы приняли следующие параметры основного оборудования: мощность силового трансформатора - 160 кВА, длина воздушной линии напряжением 380 В - около 500 м, провод - марки АС-4х35 мм .
На рис. 1 показана схема питания опытной электрической сети напряжением 380 В, построенной на учебном полигоне «Челябэнерго». Питание осуществляется последовательно:
- от подстанции «Миасская» напряжением 110/10 кВ, на которой установлены силовые трансформаторы типа ТМН мощностью 6300 кВА, фидер 14;
- по воздушной линии напряжением 10 кВ длиной 330 м, выполненной проводом АС-3х50 мм2, питается трансформаторная подстанция «Лесная» (к этой же линии подключена комплектная трансформаторная подстанция КТП 933);
- на территории полигона построена комплектная трансформаторная подстанция «Лесная» тупикового типа КТП 160/10/0,4 с силовым трансформатором ТМГ мощностью 160 кВА, напряжением 10/0,4 кВ производства Минского трансформаторного завода (на стороне высшего напряжения ТП установлен разъединитель QS1 типа РЛНД-10, разрядники FV типа РВ0-10, предохранители F1 типа ПКТ-10 с номинальным током плавких вставок 10 А);
- на стороне низшего напряжения ТП установлено распределительное устройство РУ-0,4 кВ, от которого непосредственно питается воздушная линия напряжением 380 В (ВЛ-0,38 кВ);
- от ВЛ-0,38 кВ предусмотрено питание потребителей электрической энергии, которые обозначены в виде нагрузок Н1 и Н2. Первые три пролета ВЛ-0,38 кВ выполнены изолированным проводом СИП2-3х35+50 мм2, остальные 15 пролетов - неизолированным
о
проводом АС-4х35 мм . Общая длина ВЛ-0,38 кВ составляет 481,1 м.
ПС
Рис. 1. Схема питания опытной электрической сети напряжением 380 В
План опытной электрической сети представлен на рис. 2. Часть линии с 4-й по 12-ю опоры имеет совместную подвеску с ВЛ-10 кВ полигона, остальная часть выполнена на отдельных опорах. Часть опор (4, 5, 6, 9, 10) - деревянные с железобетонными пасынками,
остальные опоры железобетонные (рис. 3). Схема трансформаторной подстанции «Лесная» с распределительным устройством РУ-0,4 кВ показана на рис. 4, спецификация на установленное оборудование приведена в табл. 1.
Таблица 1
Спецификация на установленное оборудование
Обозначение Оборудование Параметры Количество
QF1 Автоматический выключатель типа АЕ 2066-100-00 с тепловым и электромагнитным расцепителями 250 А 1
QS2, QS3 Рубильник 100 А 2
F2 Предохранитель типа ПН-2 100 А 3
QF2 Автоматический выключатель типа ВА04-36 с тепловым и электромагнитным расцепителями 100 А 1
ТА1-ТА5 Трансформатор тока типа ТОП 0,66 кВ 200/5 А, класс 0,5 5
ХТ Клеммник 10 клемм токовых, 10 клемм напряжения 1
QF3 Автоматический выключатель 25 А 1
Розетки 220 В 3
Схема распределительного устройства РУ-0,4 кВ разработана таким образом, чтобы она позволяла производить следующие действия.
- Исследования защитных характеристик как автоматических выключателей, так и плавких предохранителей, устанавливаемых в начале ВЛ-0,38 кВ. Предусмотрены два варианта питания - через рубильники QS2 и предохранители F2 либо рубильники QS3 и автоматический выключатель QF2. Автоматический выключатель QF1 выполняет функции вводного выключателя и предназначен для общей защиты РУ-0,4 кВ.
- Измерения токов, протекающих по фазным и нулевому проводам, а также по проводнику, соединяющему нейтраль вторичной обмотки трансформатора с заземляющим устройством ТП. Установлены соответственно трансформаторы тока ТА1-ТА5, вторичные обмотки которых выведены на токовые клеммы.
- Измерения напряжений фаз относительно нулевого провода и относительно «земли». На клеммник выведены соответствующие потенциальные точки трансформаторной подстанции.
- Подключения различного рода измерительных приборов.
Рис. 2. План размещения опытной электрической сети напряжением 380 В на полигоне «Челябэнерго»
в) г)
Рис. 3. Внешний вид опытной электрической сети напряжением 380 В: а - КТП «Лесная» с начальным участком ВЛ; б, в - середина и конец ВЛ; г - панель распределительного устройства 0,4 кВ КТП
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2014. № 2 (19)
ТП «Лесная»
ТА5
"I—п
Г '
РУ-0,4 кВ
082 100 А\ \ \ К 100 А [¡ЦЦ
ВЛ-10 кВ 081 ^ ^ ^ РЛНД-10
F1 [] [] [] ПКТ 10 А
Т ХЬУ ТМГ-160 10/0,4 кВ
Клеммник
083 100 А
^ ^ 0Б2 100 А
N1 N2
N
А1 А2
С С С С
А
В1 В2
В
С1
ТА1-ТА4
С2
С
ВЛ-0,38 кВ
1 А1
2 А2
3 В1
4 В2
5 С1
6 С2
7 N1
8 N2
9 Т1
10 Т2
11 А
12 А
13 В
14 В
15 С
16 С
17 N
18 N
19
20
и 23 ра о и о н
и
к
и *
к &
сЗ К
220 В
А
0Б3 25 А
0 О
Розетки
N
Рис. 4. Схема трансформаторной подстанции «Лесная» с распределительным устройством 0,4 кВ
При проведении экспериментов необходимо четкое знание расположения фазных и нулевого проводов на разных опорах, которое показано на рис. 5. Принято рассмотрение опор «от ТП в линию», т.е. находясь спиной к ТП, можно определить расположение фазных и нулевого проводов на опоре.
Опоры 1-3, 7, 8, 11-19 Опоры 4, 5, 6, 9, 10
Рис. 5. Расположение проводов на опорах - вид на опору от ТП в линию
Опытная электрическая сеть в соответствии с требованиями ПУЭ имеет заземляющие устройства в трансформаторной подстанции RЗУ.ТП (нейтраль трансформатора ТМГ соединена с Rзy.тп), у потребителя Rзyл (нулевой провод соединен с Rзy.п) и повторные заземлители Rп опор воздушной линии напряжением 380 В. Выборочные измерения сопротивлений указанных заземлений проведены службой изоляции и защиты от перенапряжений ПО «Центральные электрические сети» 25 мая 2013 г. Результаты замеров приведены в табл. 2. Сопротивление заземляющего устройства потребителя RЗУл для проведения различных экспериментов можно изменять в широких пределах (5-30 Ом).
Трехфазная нагрузка в конце линии Н2 (рис. 6) состоит из резисторов, которые выполнены из ленточного или круглых проводников. Из ленточных резисторов выполнены первые три ступени каждой из трех фаз нагрузки. Эти сопротивления могут длительно выдерживать ток до 30 А, а в течение 3-5 минут - ток до 50 А. Ступени с 4-й по 8-ю двух фаз выполнены из проволочных резисторов, которые длительно могут выдержать ток 5 А. Параметры нагрузочных сопротивлений приведены в табл. 3.
Таблица 2
Параметры заземляющих устройств (ЗУ) ТП, ВЛ-0,38 кВ и нагрузки
ЗУ R, Ом Тип опоры ЗУ R, Ом Тип опоры
R-зу.тп 1,84 - Rni2 22,3 Б
Rm 29,2 ЖБ + П Rni4 5,6 Б
Rn3 27,4 Б Rni6 17,1 Б
Rn7 25,3 ЖБ + П Rni7 17,0 Б
Rnio 26,8 Б R3y.n 5-30 -
Таблица 3
Параметры нагрузочных сопротивлений
№ п/п Яф, Ом 1ф, А Рф, кВт Рз.ф, кВт
1 4,44 49,55 10,9 32,7
2 8,94 24,61 5,41 16,24
3 11,78 18,67 4,11 12,33
4 16,28 13,51 2,97 -
5 36,28 6,06 1,33 -
6 57,58 3,82 0,84 -
7 82,18 2,677 0,59 -
8 95,78 2,296 0,505 -
Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что в конце линии можно получить максимальную симметричную трехфазную нагрузку Рз.ф.макс = 32,7 кВт или максимальную однофазную - РФМАКС = 10,9 кВт. Минимальные нагрузки на двух фазах равны РФМИн = 0,5 кВт, т.е. можно получить диапазон регулирования нагрузки в конце линии в процентах от 4,63 до 100%, или кратность регулирования составляет 21,6.
Возможные направления исследований на опытной электрической сети. Поскольку опытная электрическая сеть и подключенные к ней потребители электрической энергии не критичны к перенапряжениям, то в ней можно создавать самые различные несимметричные режимы работы воздушной линии в разных точках по ее длине, которые достаточно сложно или невозможно организовать в действующих электрических сетях, так как они опасны как для подключенных электроприемников, так и для населения и животных, находящихся вблизи воздушных линий.
Перечислим наиболее актуальные и характерные режимы работы электрической сети напряжением 380 В.
1. Короткие замыкания одного, двух- или трехфазных проводов на нулевой провод.
2. Двух- и трехфазные короткие замыкания.
3. Одно-, двух- или трехфазные обрывы проводов, обрыв нулевого провода.
4. Замыкания фазного или нулевого проводов на землю без их обрыва или с их обрывом.
5. Сложные виды повреждений, например обрыв нулевого провода с одновременным замыканием фазного провода на оборвавшийся нулевой провод со стороны потребителя.
6. Нормальные и несимметричные режимы работы электрической сети с изменением в большом диапазоне фазных нагрузок потребителей электроэнергии.
7. Изменения сопротивлений заземляющих устройств трансформаторной подстанции и потребителей, а также сопротивлений повторных заземлителей нулевого провода воздушной линии.
Для фиксации напряжений и токов предполагается использование следующей измерительной техники:
- самопишущих цифровых осциллографов, позволяющих фиксировать непрерывные (аналоговые) изменения напряжений и токов, например АОС-5110;
- самопишущих цифровых комплектов, например «Ресурс-2ЦР2М», которые позволяют производить запись измеряемых параметров с интервалами осреднения 0,02-360 с; фиксировать большое количество параметров, в частности изменения напряжений, токов, активной, реактивной и полной мощностей, коэффициента мощности, симметричных составляющих напряжений и токов, а также наблюдаемые периоды времени;
- токовых клещей с диапазоном измерения токов от 4 мА до 100 А, позволяющих измерять как малые токи, протекающие по повторным заземлителям, так и токи, протекающие по фазным и нулевому проводам линии;
- различного вида мультиметров, например МАБТЕСН МУ-60.
При этом предполагается, что комплекты измерительных и фиксирующих приборов можно устанавливать как в месте «создания» повреждения, так и в начале воздушной линии -в РУ-0,4 кВ ТП.
В опытной электрической сети можно проводить исследования по следующим направлениям.
1. Изменения токов, протекающих по фазным и нулевому проводам, по заземляющим устройствам трансформаторной подстанции и потребителей, по повторным заземлителям нулевого провода воздушной линии:
- в нормальном режиме работы электрической сети при изменении несимметрии фазных нагрузок потребителей и изменении сопротивлений выше названых заземляющих устройств электрической сети (исследования позволят определить и сформировать условия отстройки средств защиты);
- при возникновении различного рода коротких замыканий, в том числе и однофазных замыканий на землю (исследования позволят проверить степень достоверности критериев распознавания различных видов повреждений воздушной линии, установленных в процессе проработок на компьютерной модели, и определить требования к токовым защитам, в частности построенным с использованием плавких предохранителей, автоматических выключателей).
2. Исследования различных вариантов дифференциальных токов воздушной линии, например, полученных путем векторного суммирования трехфазных токов или суммирования трехфазных токов и тока в нулевом проводе. При этом предполагается оценить влияние на дифференциальные токи сопротивлений повторных заземлителей и сопротивлений заземляющих устройств электроустановок потребителей. Исследования позволят более четко сформулировать требования к различного рода защитам воздушной линии при однофазных коротких замыканиях и однофазных замыканиях на землю.
3. Исследования изменений фазных напряжений, напряжения несимметрии, симметричных составляющих напряжений сети при обрывах фазных и нулевого проводов. Данные исследования позволят проверить критерии распознавания рассматриваемых режимов работы электрической сети, выявленных при изучении на компьютерной модели, и сформулировать требования к защитам, работа которых основана на использовании информации об ее напряжениях.
4. Испытания и исследования работы серийных и опытных образцов различного рода устройств защиты электрической сети.
5. Исследования условий электробезопасности электрической сети при моделировании различных режимов ее работы.
Заключение
Результаты натурных, экспериментальных исследований на опытной электрической сети и теоретических исследований с помощью компьютерной модели позволят взаимно дополнять друг друга. На компьютерной модели имеется возможность широких количественных и качественных исследований, которые трудно осуществить в реальной сети. В то же время в опытной электрической сети можно проводить «точечные» эксперименты с имитацией самых различных аварийных ситуаций в электрической сети напряжением 380 В, проверяя и подтверждая результаты теоретических исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимова Н.Д., Веников В.А., Жуков В.В. Расчеты и анализ режимов работы сетей. М.: Энергия, 1974. 336 с.
2. Будзко И.А., Лещинская Т.Б., Сукманов В.И. Электроснабжение сельского хозяйства. М.: Колос, 2000. 536 с.
3. Веников В.А. Теория подобия и моделирование (применительно к задачам электроэнергетики). М.: Высшая школа, 1976. 479 с.
4. Ершов А.М., Валеев Р.Г., Млоток А.В., Сидоров А.И. Исследование аварийных режимов в сельских электрических сетях напряжением 380 В // Техника в сельском хозяйстве. 2013. № 6. С. 18-21.
5. Крючков И.П., Старшинов В.А., Гусев Ю.П., Пираторов М.В. Переходные процессы в электроэнергетических системах: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 416 с.
6. Тетельбаум И.М. Электрическое моделирование. М.: Физматгиз, 1959. 319 с.
7. Edward W.K., Power System Stability. IEEE Press Series on Power Engineering Publisher: Wiley-IEEE Press, 1995, Vol. 1, 366 p.
LIFE SAFETY
Mlotok A.V., Еrshov A.M., Valeev R.G., Sidorov A.I.
ALEKSEI V. MLOTOK, OJSC Interregional Distributive Grid Company of Urals -
Chelyabenergo, Chelyabinsk, Russia, e-mail: secr@chel.elektra.ru; ALEKSANDR M. ERSHOV,
PhD, e-mail: a.m.ershov@mail.ru; RUSTAM G. VALEEV, e-mail: valeevrustam@mail.ru;
ALEKSANDR I. SIDOROV, Doctor of Technical Sciences, e-mail: bgd-susu@mail.ru;
South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk, Russia.
An experimental 380 V electrical network
Various kinds of damage occur in 380 V electrical networks with overhead line bare wires when operating: monophase short circuits between the phase and neutral wires; monophase ground faults; phase and neutral wire breaks, etc. The investigation of the processes occurring in these cases is carried out with the use of mathematical, computer, and physical models. However, the performance of experiences in natural conditions is rather hazardous for the consumers of the electric power and as well as for the environment.
To carry out experimental investigation, Chelyabenergo, the Chelyabinsk Branch of the OJSC MRSC of Urals has established an experimental electrical network with voltage 380 V in its experimental site. The network comprises a transformer of 160 kVA voltage of 10/0,4 kV and overhead line bare wires, 481 m in length; it is powered by a 110/10 kV voltage substation with the 6300 kVA transformer mounted in it. The capacity of the network is per phase adjustable resistance.
A wide range of field experiments are intended to be performed in the experimental electrical network: studying the changes of currents and voltages, examining theoretically the recognition criteria of various operational modes, testing prototypes and serial samples of various protection devices, and assessing the electrical safety under various operating conditions of electrical networks.
Key words: electric network with voltage 380 V, monophase short circuit, open circuit phase and neutral wires.
REFERENCES
1. Anisimova N.D., Venikov V.A., Zhukov V.V., Calculations and analysis modes networks. Moscow: Energiya, 1974, 336 p. (in Russ). [Anisimova N.D., Venikov V.A., Zhukov V.V. Raschjoty i analiz rezhimov raboty setej. M.: Jenergija, 1974. 336 s].
2. Budzko I.A., Leschinskaya T.B., Sukmanov V.I., Electricity agriculture. Moscow, Kolos, 2000, 536 p. (in Russ). [Budzko I.A., Leshhinskaja T.B., Sukmanov V.I. Jelektrosnabzhenie sel'skogo hozjajstva. M.: Kolos, 2000. 536 s.].
3. Venikov V.A., Similarity theory and modeling (applied to the problems of electric power). Moscow, High School, 1976, 479 p. (in Russ). [Venikov V.A. Teorija podobija i modelirovanie (primenitel'no k zadacham jelektrojenergetiki). M.: Vysshaja shkola. 1976. 479 s.].
4. Ershov A.M., Valeev R.G., Mlotok A.V., Sidorov A.I., The research of emergency modes in rural electrical networks voltage of 380 V, Technology in the agriculture, 2013;6:18-21. (in Russ). [Ershov A.M., Valeev R.G., Mlotok A.V., Sidorov A.I. Issledovanie avarijnyh rezhimov v sel'skih jelektricheskih setjah naprjazheniem 380 V // Tehnika v selskom hozjajstve. 2013. № 6. S. 18-21].
5. Krjuchkov I.P., Starshinov V.A., Gusev Ju.P., Piratorov M.V., Transients in power systems. Moscow, Publishing House of MEI, 2008, 416 p. (in Russ). [Krjuchkov I.P., Starshinov V.A., Gusev Ju.P., Piratorov M.V. Perehodnye processy v jelektrojenergeticheskih sistemah: uchebnik dlja vuzov. M.: Izdatel'skij dom MJeI, 2008. 416 s.].
6. Tetel'baum I.M., Electrical modeling. Moscow, Fizmatgiz, 1959, 319 p. (in Russ). [Tetel'baum I.M. Jelektricheskoe modelirovanie. M.: Fizmatgiz, 1959. 319 s.].
7. Edward W.K., Power System Stability. IEEE Press Series on Power Engineering Publisher: Wiley-IEEE Press, 1995, Vol. 1, 366 p.
