Введение
Воздушные линии напряжением 0,38 кВ, оказываясь под разными внешними влияниями, достаточно часто выходят из строя. Среднее значение удельной повреждаемой ВЛ 0,38 кВ составляет 25,5 - 42,5 случаев на 100км длины линий в год.
При обрыве провода возникает неполнофазний режим работы линии, который негативно влияет на условия работы трехфазных электродвигателей. Кроме того, указанная неисправность воздушной линии может привести к поражению электрическим током людей и животных которые находятся вблизи оборваного провода под напряжением.
Сведения об электротравматизме в народном хозяйстве, указывают на повышенную опасность, обрыва или провисания проводов воздушных линий и внутренних проводок, из-за чего произошло 4,9 % электротравм. Отмечается, что в 94,3 % случаев травмы произошли из-за непосредственное прикосновение к проводу, который оборвался или провиснул. Кроме того, упоминается о фактах, когда провод, который оборвался, но оставался под напряжением находился на земле в течение нескольких дней и даже недель из-за несовершенства технических средств контроля исправности проводов воздушных линий.
Таким образом, приведены статистические данные о повышенной опасности провода, который оборвалося, свидетельствуют о потребности в специальных технических средствах, которые исключали бы возможность электротравм. Решить эту задачу можно лишь путем разработки более совершенных устройств контроля обрыва проводов и широкого внедрения их в действующих электрических сетях.
В Украине с 1 января в 2002 г. В соответствии с новой редакцией ПУЭ СУ введенная система электрозащиты жилых и комунальных домов, принятая в большинстве развитых европейских странах.
В соответствии с новой редакцией ПУЭ СУ электроснабжения электроустановок жилых и комунальных домов должно выполнятся от электрической сети с глухо заземленной нейтралью 380/220 В с системой заземления TNS или TN-C-S (п. 2.3.1), причем в жилых домах, спальных помещениях и тому подобное не допускается размещение встроенных и пристроенных трансформаторных подстанций (п. 2.3.3). Во всех домах линии групповой сети должны выполняться трехпроходными (фазный -L, нулевой-N и нулевой защитный РЕ проводники). Запрещается объединение нулевых рабочих и нулевых защитных проводов разных групповых линий. Нулевой рабочий и нулевой защитный провод не позволяется подключать на щитках под общий контактный зажим (п. 2.5.5).
Поскольку в Украине до 2002 г. международная классификация питающих электрических сетей фактически не применялась, рассмотрим объяснение сокращений TN-S и TN-C-S. Первая буква этого сокращения характеризует способ заземления источника питания: Т - непосредственное присоединение одной точки токоведущих частей к земле (то есть глухое заземление нейтрали сети); вторая буква - способ заземления нетоковедущих частей электроустановки: N – связь с землей через точку заземления источника; другие буквы характеризуют вид нулевого провода: он или совмещает функции нулевого рабочего и нулевого защитного (C или "PEN" проводник; С от английского combine (объединенный)), или эти функции обеспечиваются раздельными проводами (S), где S - separe (раздельный).
В Украине в это время лишь в очень редких случаях применяются пяти проводные линии электропередачи, в которых пятый провод подводится к потребителю непосредственно от электрической подстанции. Как правило, применяются в Украине трехфазные четырех проводные воздушные линии электропередачи с глухим заземлением нейтрали, то есть линии, в которых обмотки трансформатора (или генератора) присоединяются к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление, например трансформатор тока. Такая сеть имеет три фазных провода и один выведен из нейтрали обмотки трансформатора - нулевой провод N, который позволяет подключать электроприемники не только к линейному, но и к фазному, напряжению. Иначе говоря, потребители электроэнергии, не применяя трансформатор (что экономически выгодно), получают для своих потребностей два напряжения, например 220/380 В. В связи с этим в электроустановках жилых домов применяется система заземления TN-C-S вместе с схемой устройства защитного отключения (УЗО). Система заземления TN-C-S вместе с УЗО имеют очень высокий, практически стопроцентный, уровень электробезопасности в нормальном (но не в аварийном) режиме работы, если она выполнена со строгим соблюдением предлагаемых к ней нормативных требований. К числу таких требований относятся следующие: сечение нулевого рабочего N провода должна равняться сечению фазных проводов- в случае питания однофазных электроприемников от трехфазных четырех проводных ВЛ; сечение PEN провода должно быть не меньше сечения N проводов и не менее 10 мм2 по меди и 16 мм2 по алюминии - независимо от сечения фазных проводов и так далее (перечислять все эти требования нет необходимости: они приведены в ПУЭ).
В системе заземления TN-C-S защита от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям (то есть к корпуса) электроустановки, которые могут быть под напряжением в результате повреждения изоляции, достигается (вместе с применением устройства защитного отключения УЗО) так называемой "системой защитных проводов". Защитные провода позволяют осуществить уравнивание потенциалов - снижение разницы потенциалов между металлическими частями, которые заземляют и защитными проводами (РЕ проводом), а также PEN проводами путем электрического соединения этих частей между собой.
Для уравнивания потенциалов в жилых домах применяется заземление или зануление открытых проводящих нетоковедущих конструкций. При этом электрически соединяются между собой на вводе в дом следующие токопроводящие части [13, п. 2.8.19]:
• основной (магистральный) защитный провод (PEN провод);
• основной (магистральный) заземляющий провод или основной заземлющий зажим;
• металлические части строительных конструкций, стационарно проложенные трубопроводы, защита от молнии, система центрального отопления, система вентиляции и др.
Должна быть обеспеченна непрерывность электрической сети, образованной стальными каркасами железобетонных домов и сооружена на всем протяжении их использования в качестве PEN провода. Связь для уравнивания потенциалов обеспечивается или металлоконструкциями строительного назначения, или дополнительными проводами, или объеденением того и другого.
Недостатки заземления, выполненного по системе TN-C-S следующие. В аварийных режимах работы, а именно: в случае обрыва нейтрали на линии или на ответвлении . При таких аварийных режимах работы система заземления TN-C-S теряет свою работоспособность и становится электроопасной. Действительно, при обрыве нейтрали на ответвлении (даже при полностью исправной изоляции электроустановки) на ее металлическом корпусе, соединение из РЕ проводами, появится смертельно опасный потенциал фазы. В этом случае УЗО, которое не является энергонезависимым, не сможет выполнить функцию отключения. К сожалению, предусмотренна лишь достаточно надежная защита электрооборудования (а не людей!) от обрыва нейтрали на ответвлении от линии, которая питает однофазных потребителей от трехфазных четырех проводных ВЛ. Так, в случае, когда PEN провод ВЛ является общим для групп однофазных потребителей, которые питаются от разных фаз, рекомендуется предусматривать защитное отключение потребителей при превышении допустимого уровня напряжения, которое возникает из-за асимметрии нагрузки после обрыва PEN провода, N или общего PEN [13, п. 2.3.8].
Устройства контроля исправности проводов ВЛ 0,38 кВ
Токовая фазосровнительная защита от однофазных замыканий на землю и обрыва проводов электрических сетей 0,38 кВ, выполненных воздушными линиями, защищает сеть от замыканий на землю, от коротких замыканий фазы на корпус электроустановки или на нулевой провод. Принцип действия может быть рассмотрен на примере сети с двумя линиями. Схема защиты приведена на рис. 1.1.
Рисунок 1.1- Токовая фазосравнительная защита
Защита основана на сравнении фаз токов, которые протекают при замыкании на землю в линиях сети с фазой тока в заземлительном проводе нейтрали силового трансформатора. Токи измеряются с помощью трансформаторов ТТ0, ТТНП1, ТТНП2. Трансформаторы тока нулевой последовательности ТТНП охватывают все 4 провода линии.
При замыкании на землю одной из фаз ток повреждения проходить по поврежденной фазе на землю и разветвляется по имеющимся путям в земле : через повторные заземления в нулевые провода поврежденной и неповрежденной линий, а также в сеть заземления нейтрали силового трансформатора подстанции. При этом токи замыкания, которые возвращаются в сеть через нулевые провода не поврежденных линий (токи ІОТС.ЗН. ) совпадают по фазе с током в сети заземления нейтрали силового трансформатора IН.З., потому что эти токи составляющие того же тока замыкания IЗ, который разветвляется в цепях с активными сопратевлениями.
Трансформатор тока поврежденной линии ТТНП1 измеряет разницу между полным током замыкания IЗ и частью тока замыкания, которое возвращается по нулевому проводу этой линии IОТС.ЗП. Измеряемый ТТНП1 поврежденной линии ток IЗ. -ІОТС.ЗП. имеет направление от шин в линию, то есть обратное относительно токов. Сравнением фаз (направлений) токов нулевой последовательности в цепи заземления трансформатора ТП и каждой линии, которая отходит, обеспечивается селективное действие защиты на выбор поврежденной линии.
Порог срабатывания ограничивается токами небаланса на выходе трансформатора ТТНП при нормальном несимметричном режиме сети.
Защита также реагирует на обрыв нулевого провода линии, если асимметрия нагрузок по фазам за местом обрыва создает ток через опоры заземления нулевого провода, необходимый для срабатывания защиты.
Испытания показали, что при токе замыкания на землю IЗ > 1А (или токе I0>1А при обрыве нулевого провода ) защита четко срабатывала.
Из описания работы защиты видно, что токовая фазауравнительная защита не реагирует на обрыв фазного провода при отсутствии замыкания на землю. При наличии замыкания на землю, то есть когда, провод который оборвался, лежит на земле, срабатывание защиты возможно лишь при токе замыкания IЗ>1А. В случаях когда IЗ=1А, защита не срабатывает, но провод, который оборвался, создает опасность поражения электрическим током при прикосновении к нему. Вероятность возникновения таких случаев достаточно большая.
Известный прибор контроля исправности цепи зануления в сети 380/220 В, что работает на постоянном оперативном токе. Относительно воздушной линии 0.38 кВ принципиальная электрическая схема устройства приведена на рис. 1.2.
Рисунок 1.2- Схема контроля исправности нулевого провода
Устройство устанавливается в конце линии, которую защищают, и присоединяется между тремя фазами сети и нулевым проводом. Источник постоянного оперативного тока В (трехфазный выпрямитель) создает в замкнутой цепи оперативный ток IР, который, протекая через реле Р, держит якорь реле в притянутом состоянии. При обрыве нулевого провода ток IР уменьшается и реле Р отпускает свой якорь, переключив таким образом контакты Р1 и Р2.
Для контроля исправности нулевого провода это устройство практически нереализовано, потому что измерительный элемент (реле Р) установлен в конце линии и требует дополнительный канал для передачи сигнала, который отключает, на подстанцию для отключения автоматического выключателя А.
Рассмотрим устройства, которые не нуждаются в дополнительном канале передачи информации. В этом устройстве в качестве линии связи используются провода ВЛ 0,38 кВ, а информация об обрыве передается с помощью токов непромышленной частоты.
Рассмотрим устройство для защиты участка линии напряжением до 1000 В от обрыва проводов. Функциональная схема устройства приведена на рис. 1.3.
Рисунок 1.3- Функциональная схема устройства контроля участка сети
Устройство работает таким образом. При нормальной работе сети контрольный ток протекает по цепи: в первый полупериод - через диод Vd1, резистор R и диод Vr2 и цепь образованую диодом Vd1 резисторами R и RЗТ; во второй полупериод - через диод Vd3 резистор RЗТ. В следствия чего на выходе трансформатора тока нулевой последовательности ТТНП будет постоянный двухполупериодный сигнал. Реле БЗ не срабатывает при наличии этого сигнала. При обрыве фазного провода контролируемого участка сети ток протекает по цепи: диод Vd1 резистор R, диод Vd2 и диод Vd1, резисторы R и RЗТ. На выходе ТТНП в этом случае появляется однополупериодний сигнал, который приводит к срабатыванию реле РЗ и отключению защитного автомата А.
При обрыве нулевого провода в зоне контроля ток протекает по цепи: диод Vd3 резистор Rзт. В этом случае также на выходе ТТНП появляется однополупериодный сигнал, который приводит к срабатыванию устройства защиты.
В приборе цепь создается диодом Vd1 и резисторами R и RЗТ не входит в контур измерения ТТНП, а это вносит погрешность в измерение тока, который протекает по контролируемой цепи, которая может вызывать ошибочное срабатывание защиты.
В устройстве при обрыве фазы питающей линии появляется сигнал на выходе фильтра тока нулевой последовательности ФТОП1 (рис.1.4), который действует на релейный орган РО.
Рисунок 1.4-Схема защиты от обрыва фазных проводов
Контакты РО запирают цепь питания исполнительного органа ВО(короткозамыкателя. В линии создается двухфазное короткое замыкание, которое выключается максимальной токовой защитой, которая установлена в начале линии. В случае, когда нагрузка открыта, сигнал об обрыве формируется симметричной трехфазной нагрузкой R и выделяется фильтром обратной последовательности ФТОП2. Информация об обрыве передается в начало линии с помощью короткозамыкателя ВО. Для передаваемости информации о повреждении линии можно использовать также токи парных гармоник. Устройство защиты в данном случае состоит из двух комплектов, которые устанавливаются в конце и в начале линии, которую защещаем.
Как правило большинство воздушных линий 0,38 кВ в начале могут быть выполнены трехфазными, а затем разветвляться на двухфазные и однофазные ответвления. При таком выполнении воздушных линий отсутствие одного или двух фазных проводов делает невозможным присоединение фильтра напряжения обратной последовательности в конце двухфазного или однофазного ответвления.
По этому относительно таких сетей предложенный способ контроля обрыва проводов с помощью наложения на сеть токов непромышленной частоты источниками, установленными в конце линии.
Упрощенная схема устройства преведена на рис. 1.5.
Рисунок 1.5-Контроль обрыва провода с помощью симетричной системы контрольных токов
Источники тока И вызывают в фазных проводах одинаковые за величиной токи, сдвинутые друг относительно друга на 120 эл. град. В начале линии устанавливается трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП, который охватывает все четыре провода линии. От вторичной обмотки ТТНП сигнал подается на блок защиты БЗ, которая состоит из селективного усилителя, который выделяет сигнал непромышленной частоте, и предельного элемента.Контакты реле действуют на независимый разъеденитель автоматического выключателя линии.
В нормальном режиме работы линии, когда все три фазных провода исправных, сумма контрольных токов (рис.1.6,а) равняется:
При обрыве одного из проводов, например фазы А, ток ІК1 становится равным нулю. При этом сумма токов равняется:
Ток І создает во вторичной обмотке ТТНП сигнал, который усиливается селективным усилителем и при достижении уровня срабатывания предельного элемента вызывает срабатывание исходного реле БЗ и отключения поврежденной линии.
При обрыве двух проводов, например фаз А и В (рис. 1.6,в) отсутствующие токи Іа и Ів, а суммарный ток будет равняется Ікз. Под воздействием этого тока защита срабатывает и отключает поврежденную линию.
Рисунок 1.6-Векторные диограмы контрольных токов:а-провода исправны;б-обрыв одного провода;в-Обрыв двух проводов
К числу недостатков УЗО относят: не срабатывание, которое часто встречается и наиболее опасное по условиям вероятности поражения электрическим током из-за – обрыву нулевого провода.
В лаборатории электробезопасности ВИЭСХ разработанные устройства, которые позволяют отключить воздушные линии в момент обрыва одного, двух или трех фазных проводов. Они основаны на принципе защитного отключения [6].
Рисунок 1.7-Принципиальная электрическая схема использования УЗО с ВЛ
Схема содержит в себе автоматический выключатель 1, которым руководит чувствительный орган 2, который получает сигнал на отключение из вторичной обмотки 3 трансформатора тока 4, сквозь окно которого проходять нулевой рабочий провод N и фазные провода L1, L2 и L3 (позиция 5). На этом рисунке показанны также опора 7, что находится в земле 6, ВЛ с изоляторами 8 и проводами 9.На последней опоре 10 (промежуточные опоры не показаны) установлен блок конденсаторов 11, 12 и 13 одинаковой емкости. Каждый из конденсаторов одним своим концом присоединен к одному из фазных проводов ВЛ, а вторым – к защитному РЕ-проводу. При этом рабочее напряжение конденсаторов должно быть выше номинального напряжения ВЛ, а емкость – такая (например 10 мкФ), чтобы при нарушении симметрии вызывать срабатывание УЗО. Причем блок конденсаторов устанавливается на последней опоре ВЛ (по ходу движения энергии), а УЗО - на подстанции.
Если произойдет короткое замыкание фазного провода на корпус электроприемника соедененого с РЕ-проводом то по этому фазному проводу через окно дифференциального трансформатора потечет ток короткого замыкания. На вторичной обмотке трансформатора появиться напряжение, которое заставляет сработать чувствительный орган, и он в свою очередь, влияет на выключатель, который отключит питание линии.
Рассмотрим случай обрыва провода ВЛ (провода ВЛ на рис. 1.7 показанны пунктирными линиями). Допустим, оборвался фазный провод L1. Тогда по двум другим целым проводам, которые остались исправными, пойдут токи от конденсаторов 12 и 13. Поскольку эти токи не будут скомпенсированы током через конденсатор 11 из-за обрыва провода L1, то состоится мгновенное срабатывание УЗО и линия будет обесточена раньше, чем провод упадет на землю. Таким образом провод, который упал на землю, уже не будет представляет собой никакой опасности. То же произойдет при обрыве провода L2 или L3.
Одним из недостатков схемы на рис. 1.7 есть отсутствие реакции УЗО на обрыв защитного РЕ-провода.
В схемах защиты ВЛ для исключения ошибочных срабатываний применены низкочуствительные УЗО с токами срабатывания от 100 до 500 мА в зависимости от длины линий и качества электроприемников (из учета наличия естественных токов утечек. В блоке конденсаторов применены обычные бумажные конденсаторы, рассчитанные на номинальное напряжение не ниже 300 В, емкостью от 10 до 50 мкФ. Они помещены в герметические металлические корпуса с проходными фарфоровыми изоляторами.Корпуса установлены и закреплены шурупами на верхних частях последних опор каждой защищенной от обрыва проводов ВЛ.
Разделение нулевого провода на рабочий и защитный исключает исток тока несимметрии в землю через повторные заземления нулевого провода. Порог срабатывания защиты определяется током истока в нормальном режиме линии и составляет 300 - 1500 мА.
Таким образом, для использования рассмотренной защиты нужная реконструкция существующих линии напряжением 0,38 кВ. На линиях которые строятся это делать не нужно потому, что такое разделение должно быть выполнено согласно существующего стандарта, но таких линий в Украине на это время практически не существуют.
Такая структура сети также существенно повышает электробезопасность людей и животных за счет того, что ВЛ 0,38 кВ становятся очень короткими и вероятность обрыва в них проводов во много раз уменьшается (даже практически исчезает, если применить кабельный ввод в дом).
Выводы
1. Анализ методов контроля проводов ВЛ 0,38 кВ указывает на то, что контроль проводов целесообразно проводить за изменением напряжения или тока в конце линии или участка.
2. Наиболее эффективным является способ определения обрыва, основанный на наложении на линию симметричной системы тока непромышленной частоты источниками, включенными в конце линии между фазными проводами и землей.
3Для эффективного использования этого метода нужно провести анализ работы защиты, основанной на этом методе, при обрыве фазного провода и соединении его с землей.
4 Для автоматического определения поврежденного участка ВЛ 0,38 кВ нужно разработать метод адресного контроля участков линии
Литература
1 Пронникова М.И. Токовая фазосравнивающая защита от однофазных замыканий и обрыва нулевых проводов для сельских сетей 0,38 кВ / Пронникова М.И., Сукманов В.И., Меренков А.А.//В сб. Строительство сельских электросетей. Выпуск 12 (155). М.: Информэнерго, 1977, С. 18 - 22.
2 Желиховский Х.М. Автоматический контроль исправности цепи зануления /Желиховский Х.М., Чупайленко А.А., Остапенко Н.И.//.- Промышленная энергетика.? 1977, №3, С. 41 - 43.
3 А.С. 945938 (СССР). Устройство для защиты участка линии напряжением до 1000 В от обрыва проводов / В.И. Сукманов, Р.Ш. Сагутдинов, В.И. Красников.- Опубл. В Б.И. 1982, №27.
4 Сагутдинов Р. Ш. Устройство типа УКО для контроля обрыва проводов в электрических сетях напряжением 0,38 кВ/ Сагутдинов Р. Ш., Красников В. И., Бутко А. И.// Экспресс-информация. Сер. Строительство сельских электросетей. М.: 1972, вып. 3, с. 14 – 15.
5 Кобазев В.П. Контроль исправности нулевого провода ВЛ 0,38 кВ/ Кобазев В.П.// Наукові праці ДонНТУ. Серія: електротехніка і енергетика, випуск 28. - Донецьк: ДонНТУ. – 2001. – С. 174 - 177.
6 Каструба С.Н. Человека защитит УЗО при авариях на воздушных линиях электропередачи/ Каструба С.Н.//.-Новости электротехники.-№1.-2003
7 Клименко Б.В. Нужна ли Украине система ТТ?/ Клименко Б.В.// Электропанорама.? 2002.? №11.?С. 18-21.
8 Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства.-М.: Агропромиздат, 1990,с.324-331
9 Харчевич А.А. Спектры и анализ.-М.:Физматгиз,1962.-236 с.
10 Шуцкий В.И. Опыт применения устройств защитного отключения в энергосистемах напряжением до 1000 В.-М.,1970.-63с.
