CC BY
2
Shichkin Nikita Sergeevich, postgraduate, shichkin. nikitosha@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping
УДК 621.311
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-544-545
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ
В КАБЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 20 КВ
В.И. Бирюлин, И.В. Ворначева, Д.В. Куделина
Показано, что в настоящее время происходит значительный рост потребления электроэнергии в крупных городах, что приводит к увеличению пропускной способности линий электропередач, применению кабельных линий напряжением 20 кВ. На компьютерной модели произведен анализ двух способов применения токоограничива-ющих реакторов - подключение к секциям шин напряжением 20 кВ питающей подстанции и присоединение к нейтрали обмотки высшего напряжения силового трансформатора. Наиболее важными результатами являются: значения емкостных токов и напряжений на заземляющих устройствах различных элементов кабельной сети напряжением 20 кВ при работе токоограничивающих реакторов, подключенных к электрической сети как по первому, так и по второму способам.
Ключевые слова: электрические сети, кабельные линии, емкостные токи, заземляющие устройства, то-коограничивающие реакторы, замыкания на землю.
В настоящее время происходит постоянное возрастание потребления электроэнергии в городских агломерациях, при этом рост энергопотребления характерен практически для всех видов потребителей - промышленности, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства. Например, в [1] указано, что за период 2017-2021 годов потребление электрической энергии г. Москвы выросло на 2351 млн кВтч.
Значительный рост потребления электроэнергии и происходящее увеличение электрических нагрузок требует постоянного развития электроэнергетических комплексов крупных городов, в том числе и расширение пропускной способности линий электропередач в системах электроснабжения данных городов. Следует при этом отметить, что решение проблемы увеличения пропускной способности городских электрических сетей за счет ввода новых линий в уже существующих электросетях не всегда может быт реализовано.
Для повышения пропускной способности распределительных кабельных сетей, особенно в условиях возрастания длины такой сети, отходящей от источника питания, по сравнению с уже существующими электрическими сетями во многих случаях целесообразно использовать переход от применяемых ранее в городских сетях напряжений 6 или 10 кВ к более высокому значению напряжению, равному 20 кВ [2, 3].
Для построения электрических сетей напряжением 20 кВ в настоящее время применяются современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, имеющие ряд преимуществ перед широко применявшимися ранее кабелями с бумажно-масляной изоляцией [3, 4]. Применение таких кабелей требует новых подходов к выполнению электрических сетей такого класса напряжения, в том числе и применения системы заземления нейтрали с низкоом-ным резистором, подключаемым к нейтральной точке обмотки 20 кВ силового трансформатора [5, 6].
При возникновении замыкания на между токоведущей жилой кабеля, имеющего изоляцию из сшитого полиэтилена, и землей (или заземленным экраном) землю в сетях, имеющих заземленную через низкоомный резистор нейтраль, во всех присоединениях линий протекают собственные емкостные токи, а в поврежденном присоединении, возникает сумма емкостных токов неповрежденных линий и активного тока, формирующегося низкоомным резистором, имеющимся в данной электрической сети [7].
Такое построение кабельной электросети обеспечивает возможность применения простых релейных защит для выявления и отключения замыкания на землю и ограничить уровень перенапряжений, как дуговых, так и феррорезонансных перенапряжений в таких сетях. Но при проектировании и эксплуатации протяженных кабельных сетей напряжением 20 кВ следует учитывать вероятность возникновения значительных емкостных токов в таких сетях из-за большой протяженности подключенных кабельных линий.
Вопрос применения дугогасящих реакторов в электрических сетях 20 кВ, включая и электросети напряжением 20 кВ в настоящее время является особенно актуальным, так как нагрузки в городах и мегаполисах растут, увеличиваются емкостные токи в сетях, что требует применения выбрать дугогасящих реакторов. В последние десятилетия по данной теме было представлено значительное количество результатов научных исследований российских и зарубежных ученых [8 - 13].
Данные исследования выполнялись для электрических сетей среднего напряжения с изолированной нейтралью, в которых токи замыкания на землю или емкостные токи линий должны иметь уровень, не превышающий десятков ампер [9]. Но, в электрических сетях напряжением 20 кВ, возможно существование намного больших емкостных токов [3, 7], что требует подробного рассмотрения возможных способов подключения токоограничива-ющих реакторов.
В электрических сетях с изолированной нейтралью как правило используется подключение токоограни-чивающего реактора к нейтральной точке обмотки высшего напряжения, соединенной в звезду, специального или нейтралеобразующего трансформатора. Также можно применить прямое подключение токоограничивающих реакторов к секциям шин подстанции напряжением 20 кВ. Рассмотрим применение этих способов и получаемые при этом результаты на компьютерной модели, выполненной в программном комплексе PSCAD.
544
Электротехнические комплексы и системы
Данная модель содержит схему подстанции 220/20 кВ с отходящими от секций шин 20 кВ кабельными линиями, к которым присоединяются промежуточные распределительные пункты. На рис.1 приведен фрагмент модели, на котором показана секция шин напряжением 20 кВ, отходящие от секции шин кабельные линии и промежуточные распределительные пункты (РП 20 кВ). На отходящих кабельных линиях создается однофазное замыкание на землю в точках, близких к РП 20 кВ. При этом контролируются токи ОЗЗ и напряжения, возникающие на сопротивлениях заземляющих устройств ^у промежуточных РП 20 кВ.
Подстанция
секция шин 20 иВ т. _
р. Каоежьные
лишш 20 ьВ
-ч»-
Рис. 1. Рассматриваемая кабельная сеть 20 кВ
В компьютерной модели проводились эксперименты с применением токоограничивающих реакторов, подключаемых непосредственно к секции шин 20 кВ (первый опыт) и к нейтрали обмотки ВН специального трансформатора, включаемого на секцию шин 20 кВ. Полученные результаты приведены в табл.1 и табл.2. В этих таблицах приведены данные по значениям тока ОЗЗ 1озз, А; напряжения на заземляющих устройствах промежуточных РП 20 кВ Пзу, В; индуктивности токоограничивающего реактора Ьр, Гн; индуктивного сопротивления реактораХр, Ом. В исходном режиме значение тока ОЗЗ составило 2532 А, напряжение на заземляющем устройстве РП имело значение 235 В.
Таблица 1
Токи ОЗЗ и напряжения на заземляющем устройстве РП в первом опыте_
Индуктивность реактора, Гн Индуктивное сопротивление реактора, Ом Ток ОЗЗ, А Напряжение на заземляющем устройстве РП, В
0,1 31,4 1459,7 135,7
0,2 62,8 1969,3 183,1
0,3 94,2 2153,0 200,2
0,4 125,6 2246,6 208,9
РП 20 кВ
41
"Н
[jjly
Таблица 2
Токи ОЗЗ и напряжения на заземляющем устройстве РП во втором опыте
Индуктивность реактора, Гн Индуктивное сопротивление реактора, Ом Ток ОЗЗ, А Напряжение на заземляющем устройстве РП, В
0,1 31,4 2187,2 203,4
0,05 15,7 1868,6 173,8
0,02 6,3 1137,0 105,6
0,01 3,1 954,2 88,3
Полученные данные показывают, что непосредственное подключение токоограничивающих реакторов к секциям шин не требует дополнительного силового трансформатора, но при этом имеет более низкие показатели по снижению значений токов ОЗЗ и напряжений на заземляющих устройствах промежуточных РП. Использование специального нейтралеобразующего трансформатора позволяет использовать токоограничивающий реактор только при возникновении ОЗЗ и получить при этом низкие значения тока ОЗЗ и напряжения на заземляющем устройстве РП.
Но при этом следует учитывать, что при большой длине кабельной сети напряжением 20 кВ требуется применение токоограничивающих реакторов с малыми значениями индуктивности и индуктивного сопротивления. Для нормальной работы таких реакторов должны использоваться мощные силовые трансформаторы, позволяющие пропускать значительные токи, протекающие от фаз кабельной сети к заземляющему устройству подстанции.
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. Кузнецова О.В. Концентрация экономической активности в Москве и Санкт-Петербурге: масштабы, факторы, последствия для городов // Проблемы развития территории. 2018. № 5 (97]. С. 26-40. DOI: 10.15838/ptd.2018.5.97.2
2. Черепанов В.В., Суворова И.А. Исследование технико-экономической целесообразности применения напряжения 20 кВ в городских электрических сетях // Энергобезопасность и энергосбережение, 2012. № 5. С. 12-14.
3. Майоров A.B. Опыт эксплуатации и характеристики надежности электрических сетей 20 кВ мегаполиса // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. 2016. №4. С. 70-73.
4. Сангишев С.С. Сопоставление распределительных сетей 10/0,4 кВ и 20/0,4 кВ // Наука, техника и образование. 2017. №5 (35). [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sopostavlenie-raspredelitelnyh-setey-10-0-4-kv-i-20-0-4-kv (дата обращения: 09.07.2024).
5. Назарычев А., Титенков С., Пугачев А. Комплексные инновационные решения по заземлению нейтрали в сетях 6-35 кВ // Электроэнергия. Передача и распределение, 2016, №3(36). С.82-88.
6. Евминов Л.И., Алфёрова Т.В. Применение резистивного заземления нейтрали в электрических сетях 635 кВ // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2022. №2 (89). С. 53-67.
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. Fediuk R. Limitation of the single-phase grounding current. 2014 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS), 2014. DOI: 10.1109/MEACS.2014.6986928.
9. Matveev D.A., Khrenov S.I., Zhuykov A.V. Research on the performance of the controlled arc suppression reactors in 6-35 kV electric distribution networks // 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2016. DOI: 10.1109/ICIEAM.2016.7911007.
10. Balbino L.S., Dantas K.M., Neves W.L.A. Sensitivity Analysis for Neutral Reactor Optimization. 2023 Workshop on Communication Networks and Power Systems (WCNPS), 2023. DOI: 10.1109/WCNPS60622.2023.10345242.
11. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Данилин А.Н. Исследования опасности однофазных замыканий в сети 35 кВ Мурманского региона // Труды Кольского научного центра РАН. 2016. Вып. 12. С. 7-15.
12. Кричко В.А., Миронов И.А. Опыт эксплуатации автоматических систем компенсации емкостного тока замыкания на землю. [Электронный ресурс] URL: http://fenix88.com/documents/old/doc29 09 06/krichko mirinov.pdf (дата обращения: 21.07.2024).
13. Аюурзана Э., Петров М.И., Кузьмин А.А. Экспериментальное исследование эффективности работы дугогасящих реакторов в Улан-Баторских городских электрических сетях 6-10 кВ // Вестник Чувашского университета. 2016. № 1. С. 30-38.
Бирюлин Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент, bir1956@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, vornairina2008@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Куделина Дарья Васильевна, канд. техн. наук, доцент, marv_joy@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
COMPENSATING DEVICES APPLICATION TO REDUCE CAPACITIVE CURRENTS IN 20 KV CABLE NETWORKS
V.I. Biryulin, I.V. Vornacheva, D. V. Kudelina
It is shown that currently there is a significant increase in electricity consumption in large cities, that leads to an increase in the capacity of power lines and the use of 20 kV cable lines. Using a computer model, an analysis was made of two methods of using current-limiting reactors - connecting to 20 kV supply substation bus sections and connecting to the neutral of power transformer high-voltage winding. The most important results are: the values of capacitive currents and voltages on the grounding devices of 20 kV various cable network elements during the operation of current-limiting reactors connected to the electrical network using both the first and second methods.
Key words: electrical networks, cable lines, capacitive currents, grounding devices, current-limiting reactors, ground faults.
Biryulin Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, vornairina2008@yandex. ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kudelina Daria Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, marv_iov@mail. ru, Russia, Kursk, Southwest State University
