CC BY
5
УДК 621.316.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-482-489
СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ УЛИЧНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ
ЛИНИЙ ПРИ ОБРЫВАХ
А.П. Шевчук, Я.Э. Шклярский, Ю.Е. Андреева, И.В. Скворцов
Значительное количество аварий в городских сетях уличного освещения связано с повреждением воздушных линий электропередач и опор освещения. На примере Ленинградской области и Санкт-Петербурга в статье приводится анализ структуры сетей уличного освещения и статистики аварийных случаев. Рассмотрены существующие методы защиты и используемое оборудование автоматики. В рамках исследования разработан способ защиты людей от поражения электрическим током при обрыве проводников уличной осветительной сети, построенный на непрерывном анализе угла сдвига фаз между напряжением и током, предложена структура защитного устройства. Произведено математическое моделирование и проведены лабораторные исследования различных режимов работы осветительной линии.
Ключевые слова: защита электрических сетей; уличная осветительная сеть; компенсация реактивной мощности.
1. Введение. В условиях городской среды уличные сети освещения зачастую характеризуются разветвленной структурой, значительной протяженностью воздушных линий электропередач, разнообразием осветительных приборов и способов их подключения к осветительным линиям. Наиболее распространенными аварийными ситуациями являются короткие замыкания между фазным и нейтральным проводниками и однофазные замыкания на землю, вызванные обрывами в осветительных линиях [1].
На примере г. Санкт-Петербурга, частыми причинами обрывов в осветительных линиях являются последствия от воздействия ураганных и шквалистых ветров, в том числе падения деревьев и опор уличного освещения, а также повреждения, вызванные проездом крупногабаритного транспорта и специальной техники.
Анализ существующих средств и методов защиты, применяемых на сегодняшний день для защиты воздушных линий от обрывов, показывает неэффективность применения различных видов токовых и логических защит по уровням напряжения [2,3].
Целью данного исследования является разработка нового способа защиты электрических осветительных сетей от обрывов, основанного на непрерывном анализе угла сдвига фаз между напряжением и током, позволяющим выявить обрыв линии при изменении состава нагрузки.
2. Анализ существующих средств и методов защиты. Для защиты отходящих линий осветительной сети от однофазных и многофазных токов короткого замыкания, происходящих в результате обрывов в линии, наибольшее распространение получили плавкие предохранители и автоматические выключатели, подключаемые в начале воздушных линий. Однако данная защита имеет ограниченную зону действия, не превышающую 250-350 м, в связи со значительным снижением значений токов короткого замыкания по длине воздушной линии, не превышающих токов срабатывания плавких предохранителей и автоматических выключателей [4]. При этом, дифференциальные токовые защиты, основанные на контроле тока нулевой последовательности, не получили распространение ввиду частых ложных срабатываний [5,6].
Отдельной группой, необходимо выделить логические защиты, применяемые для защиты от несимметричных режимов, реагирующие на изменение напряжений фаз относительно нулевого провода или земли. Суть данных методов защиты заключается в том, что при обрыве фазного провода, когда напряжение на фазе становится ниже допустимого значения, формируются логические сигналы на отключение линии. При реализации рассматриваемых защит предлагается использовать микропроцессорные счетчики электроэнергии, оснащенные внутренним реле управления нагрузкой [7,8] или релейным выходом, управляющим коммутационной аппаратурой [9]. Однако предложенные меры не получили распространение ввиду экономической нецелесообразности с учетом разветвленной структуры осветительных сетей [10,11].
Реализация защитных отключений при обрывах возможна с применением различных средств диспетчеризации состояния осветительной сети. Одним из примеров является построение системы защиты с использование промежуточных реле, подключенных в концах питающих линий для каждый фазы с нормально замкнутым контактом [12, 13]. При обрыве фазы происходит коммутация контакта, формируя аварийный сигнал на входе GSM-модуля, который в свою очередь, разомкнет цепь с помощью приемного модуля у автоматического выключателя и отправит сигнал на пульт управления в диспетчерскую. Применение модуля идентификации потребителя для каждой системы, позволяет определить местоположение аварии. Однако реализация сложных систем диспетчеризации состояния сетей освещения [14,15] также не получила распространение в текущих экономических условиях.
3. Анализ аварийности сетей освещения в условиях г. Санкт-Петербурга. По данным технических характеристик уличных сетей освещения г. Санкт-Петербурга, предоставленным СПб ГБУ
"Ленсвет", общая протяженность неизолированных проводов воздушных линий составляет 735 км, длина изолированных проводов, в том числе СИП, составляет 5860 км. В абсолютных величинах доля неизолированных проводов остается высокой и представляет серьезную опасность при обрывах. В случае провисания или падения проводников на землю, создается угроза поражения электрическим током для прохожих. Кроме того, изолированные проводники, в упомянутых случаях также не гарантируют безопасность.
В табл. 1 и на рис. 1 приведена статистика обрывов сетей за 2019-2021 год, при этом видно, что количество аварий остается стабильно высоким. Наиболее подверженным авариям из года в год остаются Северный и Курортный районы. Кроме того, для Курортного района характерна наибольшая из всех протяженность неизолированных проводов (порядка 220 км), что представляет потенциальную опасность для местных жителей.
Таблица 1
Статистика обрывов осветительных линий в Санкт-Петербурге _ и Ленинградской области по годам__
Год 2019 2020 2021
Количество обрывов 611 742 644
Обрывы, шт. 300
250
200
150
100
50
0
!■■ 1ч..
||| II. Ц| II. I, I
и
& Район
^ ^ ^ ^ ^ сР ^ # ^ Ж
2019 2020 И2021
Рис. 1. Статистика обрывов в сетях освещения г. Санкт-Петербурга
В электроснабжении уличного освещения, как правило, используется система глухого заземления нейтрали ТЫ-С. В случае осветительной уличной сети, отключение питания при обрыве в сети не происходит вплоть до момента обнаружения повреждения, что создает непосредственную угрозу поражения электрическим током. Кроме того, инфраструктура осветительного комплекса характеризуется существенной степенью износа [16], особенно в старых районах Санкт-Петербурга, где установка оборудования датируется 80-ми годами 20-го века. Системы автоматики и релейной защиты, используемые на электросетевых объектах, существенно устарели и требуют замены.
4. Способ и устройство защитного отключения осветительной линии при обрыве. Осветительная линия представляет собой активно-реактивную нагрузку, характеризующуюся в установившемся режиме постоянной величиной коэффициента мощности [17,18]. Для реализации защитного отключения таких линий предлагается способ защиты, который заключается в параллельном подключении конденсатора к конечной точке осветительной линии для целенаправленного повышения коэффициента мощности и непрерывном контроле фазового угла между напряжением и током в точке присоединения осветительной линии.
Таким образом, при обрыве проводника в любой точке осветительной линии, произойдет изменение состава и характера нагрузки [19,20], вследствие чего угол сдвига фаз между напряжением и током поменяет свое значение и выйдет за установленный допустимый предел, что будет являться условием для немедленного отключения аварийной линии.
Емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы обеспечить коэффициент мощности близким к единице, что обеспечивает дополнительный положительным эффект по компенсации реактивной мощности в сетях освещения.
Реализации предложенного способа осуществляется устройством защитного отключения, которое имеет в своем составе блок измерения фазовых углов напряжения и тока, блок сравнения измеренных параметров с заданным значением и блок воздействия на электрическую сеть, осуществляющий непосредственное отключение поврежденной линии.
Функциональная схема способа защиты осветительной линии представлена на рис. 2.
483
I N
Рис. 2. Функциональная схема способа защиты осветительной линии от обрывов: 1 - защитное устройство (автоматический выключатель); 2 - устройство защитного отключения; 3 - блок измерения угла сдвига фаз; 4 - блок сравнения; 5 - блок воздействия на электрическую цепь; 6 - осветительная линия; 7 - светильник; 8 - конденсатор линии
5. Компьютерное моделирование. Согласно данным технического оснащения уличных сетей освещения, предоставленным СПб ГБУ «Ленсвет», более 67% всей осветительной инфраструктуры г. Санкт-Петербурга представлено светильниками с газоразрядными лампами. Наиболее распространены светильники, оснащенные натриевыми лампами типа ДНаТ, мощностью 70 Вт, 100 Вт и 250 Вт. Характерной особенностью данных светильников является наличие импульсного зажигающего устройства (ИЗУ), обеспечивающего розжиг газоразрядной лампы, и дросселя, предназначенного для ограничения и стабилизации потребляемого тока. Дополнительно светильник может оснащаться внутренним фазоком-пенсирующим конденсатором. Схема светильника приведена на рис. 3. Основные параметры составных блоков светильника представлены в табл. 2. Данные параметры были сняты экспериментально, на этапе лабораторных работ.
N0-
Внутренний конденсатор
РО-
1Лампа
ИЗУ
Балластный дроссель
Рис. 3. Схема подключения лампы ДнаТ
Таблица 2
Основные параметры блоков светильника с лампой ДНаТ 70_
Общие параметры Внутренний конденсатор Балластный дроссель
Р, Вт и, В £ Гц СдНнТ, мкФ Я, Ом мГн С;, мкФ
70 220 50 10 10 488 3,4
Компьютерная модель представлена линией из шести газоразрядных ламп типа ДНаТ 70, схемы замещения светильников построены на основе экспериментальных параметров. Также в состав модели входят блок измерения параметров сети, блок определения состояния автоматического выключателя, воздействия на электрическую цепь и конденсатор линии, емкостью 18 мкФ (рис. 4).
Рис. 4. Схема математической модели осветительной линии в ПО ММЬаЬ 81шиИпк
Компьютерная модель описывает процесс, протекающий в установившемся режиме, и аварийный режим, характеризующийся обрывом проводника. Переходные процессы, протекающие в момент включения линии моделью не рассматривались. В момент времени 10 минут от начала моделирования происходит обрыв проводника и изменение угла ф на величину +13 градусов (рис. 5).
угол мевду I М [, [ |>Л ].
20
15
10
5
0
И
(I 100 21111 300 4Й0 S00 Ш 700 *>С
Рис. 5. График зависимости угла между током и напряжением (ф) от времени (t, с)
6. Физическое моделирование. В рамках разработки способа защиты проведен ряд лабораторных экспериментов, для изучения реальных процессов, протекающих в рассматриваемой системе.
Лабораторная установка осветительной линии представлена шестью светильниками подвесного типа, оснащенного лампами ДНаТ-70. В ходе экспериментов с помощью анализатора качества фиксировались значения тока, напряжения, активной и реактивной мощности, коэффициент мощности по основной гармонике и угол сдвига фаз между напряжением и током по основной гармонике.
Помимо рабочего режима рассмотрены другие распространенные случаи, встречающиеся при эксплуатации осветительных линий, оснащенных данным типом светильников, а именно: перегорание лампы, мерцание лампы, выход из строя фазокомпенсирующего конденсатора в составе светильника, обрыв проводника, питающего непосредственно светильник от общей линии (отключение единичного светильника). Каждый из опытов завершался имитированием обрыва в линии для оценки величины изменения угла сдвига фаз между напряжением и током (ф). Результаты представлены на рис. 6-13.
На всех графиках характерным является начальный переходной процесс, связанный с разогревом газоразрядных ламп и изменением их внутреннего сопротивления. В каждом из опытов коммутация участков осветительной линии для имитации аварийных ситуаций проводилась в установившемся режиме. Между опытами предусматривался интервал для охлаждения светильников.
Опыт №1 (рис. 6). Работа осветительной линии без установленного конденсатора линии. Значение угла ф в установившемся режиме составляет 33 градуса, это характеризует линию как активно-индуктивную нагрузку. Обрыв линии на 10-й минуте не приводит к изменению напряжения в точке питания.
Опыт №2 (рис. 7). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Значение угла ф в установившемся режиме составляет -6 градусов, характеризует незначительную перекомпенсацию реактивной мощности. Обрыв линии в конечной точке, сопровождаемый отключением конденсатора линии, происходит на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +39 градусов.
Опыт №3 (рис. 8). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Обрыв линии в середине цепи, сопровождаемый отключением трех светильников и конденсатора, происходит на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +46 градусов.
Опыт №4 (рис. 9). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Перегорание лампы на 7-й минуте, имитированное отключением дросселя в цепи, сопровождается изменением угла ф на величину -26 градусов. Обрыв линии в конечной точке, сопровождаемый отключением конденсатора линии, происходит на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +48 градусов.
Опыт №5 (рис 10). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Процесс мерцания лампы на 7-й минуте, сопровождается изменением угла ф на величину ±28 градусов и завершается обрывом в линии на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +46 градусов.
Опыт №6 (рис 11). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Отключение фазокомпенсирующего конденсатора в светильнике на 7-й минуте сопровождается изменением угла ф на величину +11 градусов. Обрыв линии в конечной точке, сопровождаемый отключением конденсатора линии, происходит на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +34 градуса.
Опыт №7 (рис. 12). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Отключение фазокомпенсирующего конденсатора в светильнике на 7-й минуте сопровождается изменением угла ф на величину +11 градусов. Последующее перегорание лампы в этом же светильнике сопровож-
дается изменением угла ф на величину +25 градусов. Обрыв линии в конечной точке, сопровождаемый отключением конденсатора линии, происходит на 10-й минуте. Изменение угла ф составляет +48 градусов.
Опыт №8 (рис. 13). Работа осветительной линии с подключенным конденсатором линии. Отключение единичного светильника на 7-й минуте сопровождается изменением угла ф на величину -15 градусов, отключение второго светильника в линии на 8-й минуте изменяет величину угла ф на -10 градусов. Обрыв линии на 10 минуте приводит к изменению угла ф на +58 градусов.
50 40 30 20 10 0
100 200 300 400 500 600 700
Рис. 6. Опыт №1
100 200 300 400 500 600 700
Рис. 7. Опыт №2
9 0 60
40
0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0
1 100 200 300 400 500 6С Рис. 8. Опыт №3 0 700 8 00 I, с
9 ° 60
20
0
11 П
1
-30
-40 -50 -60 0 2 100 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 Г,с Рис. 10. Опыт №5
9 "
60
50 40 30 20
10 0
60 50 40 30 20 10 0
100 200 300 400 500 600 700
Рис. 9. Опыт №4
100 200 300 400 5 00 600 700
Рис. 11. Опыт №6
100 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 700
Рис. 12. Опыт №7
100 200 300 400 500 600 700
Рис. 13. Опыт №8
80
70
40
30
(с
и с
I, с
и с
С с
(с
7. Заключение. Результаты экспериментов позволяют оценить величину изменения угла сдвига фаз между напряжением и током в зависимости от характерных аварийных ситуаций, происходящих в осветительных линиях, что предполагается использовать для распознавания типа повреждения и формирования управляющих сигналов для коммутационной аппаратуры. Кроме этого, полученная информация
позволяет выработать рекомендации по подбору величины емкости конденсатора, подключаемого к конечной точке осветительной линии, в целях обеспечения работоспособности предлагаемого способа защиты.
Реализация защитного устройства, основанного на предложенном принципе, позволит обеспечить защиту людей и животных от поражения электрическим током за счет автоматического отключения аварийной осветительной линии.
Открытым остается ряд вопросов, связанных с физической реализации защитного устройства, в частности с разработкой вычислительного алгоритма и выбора необходимых технических средств. Крайне важным аспектом является быстродействие срабатывания предложенных мер защиты, что предстоит оценить более детально. Также необходимо учесть тот факт, что в последние годы в структуре уличного освещения получили распространение светодиодные светильники, имеющие принципиально иную структуру и другие режимы работы, актуальной становится оценка эффективности предлагаемого способа защиты от поражения электрическим током для линий освещения, где применяется данный тип ламп.
Благодарность СПб ГБУ «Ленсвет» за предоставленные статистические данные.
Список литературы
1. Сафин М.Р., Валиуллин К.Р. Анализ существующих систем диагностики сети уличного освещения // Общетеоретические и отраслевые проблемы науки и пути их решения. 2019. С. 164-167.
2. Karthikeyan P. et al. Design and Implementation of Smart Street Light Automation and Fault Detection System //2022 2nd International Conference on Power Electronics & IoT Applications in Renewable Energy and its Control (PARC). IEEE, 2022. С. 1-7.
3. Тургенбаев Д.Н., Нурмагамбет С.Д. Распределённая система диспетчерского управления уличным освещением // Вестник науки Южного Казахстана. 2019. №. 4. С. 86-93.
4. Skamyin A. et al. Computation of Nonlinear Load Harmonic Currents in the Presence of External Distortions // Computation. 2022. Т. 10. №. 3. С. 41. DOI: 10.3390/computation10030041.
5. Skamyin A.N., Belsky A.A. Reactive power compensation considering high harmonics generation from internal and external nonlinear load // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2017. Т. 87. №. 3. P. 032043. DOI :10.1088/1755-1315/87/3/032043.
6. Белов А.В., Ильин Ю.П., Смирнов А.П. Устройство контроля обрыва нулевого провода в сетях напряжением 0, 38 кВ // АПК России. 2018. Т. 25. №. 1. С. 80-88.
7. Ершов А.М., Скоринов С.Е. Классификация защит воздушных линий напряжением 380 В от обрывов проводов и однофазных коротких замыканий // Наука ЮУрГУ. 2016. С. 791-799.
8. Ершов А.М. Методы и средства защиты электрических сетей напряжением 380 В от обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии // Электробезопасность. 2015. №. 4. С. 39-53.
9. Pelenev D.N., Abramovich B.N., Babyr K.V. Increase effectiveness functioning of protection against single-phase ground fault electrical networks medium voltage //2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). IEEE, 2020. С. 1291-1296.
10. Бабырь К.В., Пеленев Д.Н. Организация селективной защиты от однофазных замыканий на землю электрических сетей горных предприятий // Новые идеи в науках о Земле. 2019. С. 31-33.
11. Халин Е.В. Безопасность производства: технологии, способы, устройства / Е.В. Халин; Е.В. Халин; под ред. Д.С. Стребкова. М.: ВИЭСХ, 2006. 371 с.
12. Шклярский Я.Э., Добуш В.С., Коровченко П.В. Анализ влияния разности фаз на нелинейной нагрузке на расчет параметров работы электрической сети // Естественные и технические науки.
2013. №. 6. С. 275-280.
13. Halevidis C.D. et al. Proposal of a protection method against probable consequences to humans and the environment from short-circuit or abruption of a low-voltage distribution line conductor //IET generation, transmission & distribution. 2010. Т. 4. №. 7. С. 793-800.
14. Клочков А.Н. Устройство для обнаружения трехфазных сетей с обрывом фазного провода // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2011. №. 1. С. 221-223.
15. Сагутдинов Р.Ш., Красников В.И., Головацкий В.Г. Защита электрических сетей 0, 38 кВ при обрыве проводов // Электрические станции. 1982. №. 7. С. 56.
16. Херсонский А.С. Селективная защита от однофазных коротких замыканий Ф0-0,4 для распределительных сетей 0,4 кВ / А.С. Херсонский, А.Ш. Левин, Я.М. Фексон // Электрические станции. 1975. № 3. С. 47-48.
17. Млоток А.В. Принцип выявления обрывов фазных и нулевого проводов воздушной линии напряжением 380 В // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика.
2014. Т. 14. №. 1. С. 41-47.
18. Селивахин А.И., Кобазев В.П., Желиховский Х.М. Защита воздушной линии электропередачи 0, 38 кВ от обрыва фазного провода // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1985. №. 7. С. 55-57.
19. Сбитнев Е.А., Семенов Д.А., Александрова А.А. Устройство для отключения линии с замыканием на землю сети с изолированной нейтралью // Агротехника и энергообеспечение. 2022. №. 2 (35). С. 19-24.
20. Пленков Э.Р. Синхронизация векторов токов и напряжений при определении места повреждения на воздушных линиях электропередачи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. №. 12 (143). С. 202-210.
Шевчук Антон Павлович, канд. техн. наук, старший преподаватель, Shevchuk_AP@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Шклярский Ярослав Элиевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Shklyarskiy_YaE@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Андреева Юлия Евгеньевна, инженер-исследователь, yulia775 77@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Скворцов Иван Владимирович, инженер-исследователь, iv.skvortsov 7@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
A METHOD FOR IMPLEMENTING A PROTECTIVE SHUTDOWN OF STREET LIGHTING LINES
IN CASE OF BREAKAGES
A.P. Shevchuk, Y.E. Shkliarskiy, I.E. Andreeva, I.V. Skvortsov
A significant number of accidents in urban street lighting networks are associated with damage to overhead power lines and lighting poles. Using the example of the Leningrad Region and St. Petersburg, the article provides an analysis of the structure of street lighting networks and accident statistics. The existing methods ofprotection and the automation equipment used are considered. As part of the study, a method ofpro-tecting people from electric shock when the conductors of a street lighting network are broken, based on a continuous analysis of the phase shift angle between voltage and current, has been developed, and the structure of a protective device has been proposed. Mathematical modeling was performed and laboratory studies of various modes of operation of the lighting line were carried out.
Key words: protection of electrical networks; street lighting network; reactive power compensation.
Shevchuk Anton Pavlovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, Shevchuk_AP@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Yaroslav Elievich Shklyarsky, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Shklyarskiy_YaE@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Andreeva Yulia Evgenievna, research engineer, yulia77577@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Skvortsov Ivan Vladimirovich, research engineer, iv.skvortsov7@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
