Вступ
Повітряні лінії напругою 0,38 кВ, опиняючись під різними зовнішніми впливами, досить часто виходять із ладу. Середнє значення питомої пошкоджуваності ПЛ 0,38 кВ становить 25,5 - 42,5 випадків на 100км довжини ліній у рік.
При обриві проводу виникає неповнофазний режим роботи лінії, що негативно впливає на умови роботи трифазних електродвигунів. Крім того, указана несправність повітряної лінії може призвести до поразки електричним струмом людей і тварин при зіткненні їх з обірваним проводом, що знаходиться під напругою.
Відомості про електротравматизм в народному господарстві, вказують на підвищену небезпеку обриву й провисання проводів повітряних ліній і внутрішніх проводок. У них відбулося 4,9 % електротравм. Відзначається, що в 94,3 % випадків травми відбулися через безпосередній дотик до проводу, що обірвався або провис. Крім того, згадується про факти коли провід, що обірвався, але був під напругою перебував на землі на протязі декількох днів і навіть тижнів через недосконалість технічних засобів контролю справності проводів повітряних ліній.
Таким чином, наведені статистичні дані про підвищену небезпеку проводу, що обірвалося, переконливо свідчать про потребу в спеціальних технічних засобах, які виключали б можливість електротравм. Вирішити цю задачу можна лише шляхом розробки більше досконалих пристроїв контролю обриву проводу й широкого впровадження їх у діючих електричних мережах.
В Україні з 1 січня 2002 р. Відповідно до нової редакції ПУЭ СУ уведена система електрозахисту житлових і суспільних будинків, прийнята в більшості розвинених європейських країн.
Відповідно до нової редакції ПУЕ СУ електропостачання електроустановок житлових і суспільних будинків повинне виконаються від електричної мережі із глухо заземленою нейтраллю 380/220 В с системою заземлення TNS або TN-C-S (п. 2.3.1), причому в житлових будинках, спальних приміщеннях і т.п. не допускається розміщення убудованих і прибудованих трансформаторних підстанцій (п. 2.3.3). У всіх будинках лінії групової мережі повинні виконуватися трьохпровідними, (фазний-L, нульовий-N і нульовий захисний РЕ провідники). Забороняється об'єднання нульових робочих і нульових захисних провідників різних групових ліній. Нульовий робочий і нульовий захисний провідники не дозволяється підключати на щитках під загальний контактний затискач (п. 2.5.5).
Оскільки в Україні до 2002 р. міжнародна класифікація живильних електричних мереж фактично не застосовувалася, розглянемо пояснення скорочень TN-S і TN-C-S. Перша буква цього скорочення характеризує спосіб заземлення джерела живлення: Т - безпосереднє приєднання однієї точки струмоведучих частин до землі (тобто глухе заземлення нейтралі мережі); друга буква - спосіб заземлення неструмоведучих частин електроустановки: N - зв'язок із землею через точку заземлення джерела; інші букви характеризують вид нульового проводу: він або поєднує функції нульового робочого і нульового захисного (C або "PEN" провідник; С від англійського combine (об'єднаний)), або ці функції забезпечуються роздільними провідниками (S), де S - separe (роздільний).
В Україні в цей час лише в дуже рідких випадках застосовуються п’ятипроводні лінії електропередачі, у яких п'ятий провод підводиться до споживача безпосередньо від електричної підстанції. Як правило, застосовуються на Україні трифазні чотирьохпроводні повітряні лінії електропередачі із глухим заземленням нейтралі, тобто лінії, у яких обмотки трансформатора (або генератора) приєднуються до заземлюючого пристрою безпосередньо або через малий опір, наприклад трансформатор струму. Така мережа має три фазних провода й виведений з нейтралі обмотки трансформатора нульовий провід N, що дозволяє підключати електроприймачі не тільки до лінійної, але й до фазної напруги. Інакше кажучи, споживачі електроенергії, не застосовуючи трансформатор (що економічно вигідно), одержують для своїх потреб дві напруги, наприклад 220/380 В. У зв'язку із цим в електроустановках житлових будинків застосовується система заземлення TN-C-S разом зі схемою пристрою захисного відключення (ПЗВ). Система заземлення TN-C-S у сполученні з ПЗВ мають дуже високий, практично стовідсотковий, рівень електробезпечності в нормальному (але не в аварійному) режимі роботи, якщо вона виконана зі строгим дотриманням пропонованих до неї нормативних вимог. До числа таких вимог відносяться наступні: перетин нульових робочих N провідників повинний дорівнювати перетину фазних провідників - у випадку живлення однофазних електроприймачів від трифазних чотирьохпроводних ПЛ; перетин PEN провідників повинне бути не менш перетину N провідників і не менш 10 мм2 по міді й 16 мм2 по алюмінії - незалежно від перетину фазних провідників і т.д. (перераховувати всі ці вимоги немає необхідності: вони наведені в ПУЕ).
У системі заземлення TN-C-S захист від поразки електричним струмом при дотику до металевих неструмоведучих частин (тобто до корпуса) електроустановки, які можуть бути під напругою в результаті пошкодження ізоляції, досягається (разом із застосуванням пристрою захисного відключення ПЗВ) так званою "системою захисних проводів". Захисні провода дозволяють здійснити зрівняння потенціалів - зниження різниці потенціалів між доступними одночасному дотику металевими частинами, що заземлюють і захисними провідниками (РЕ провідниками), а також PEN провідниками шляхом електричного з'єднання цих частин між собою.
Для зрівняння потенціалів у житлових будинках застосовується заземлення або занулення відкритих провідних неструмоведучих конструкцій. При цьому електричне з'єднуються між собою на вводі в будинок наступні струмопровідні частини [13, п. 2.8.19]:
• основний (магістральний) захисний провідник (PEN провідник);
• основний (магістральний) заземлюючий провідник або основний заземлюючий затискач;
• металеві частини будівельних конструкцій, стаціонарно прокладені трубопроводи, захист від блискавки, система центрального опалення, система вентиляції й кондиціювання повітря й ін.
Повинна бути забезпечена безперервність електричного кола, утвореного сталевими каркасами залізобетонних будинків і споруджень на всьому протязі їхнього використання в якості PEN провідників. Зв'язок для зрівняння потенціалів забезпечується або металоконструкціями будівельного призначення, або додатковими проводниками, або сполученням того й іншого.
Недоліки заземлення, виконаного за системою TN-C-S наступні. В аварійних режимах роботи, а саме: у випадку обриву нейтралі на лінії або на відгалуженні . При таких аварійних режимах роботи система заземлення TN-C-S втрачає свою працездатність і стає електронебезпечною. Дійсно, при обриві нейтралі на відгалуженні (навіть при повністю справній ізоляції електроустановки) на її металевих корпусах, з'єднаних з РЕ провідниками, з’явиться смертельно небезпечний потенціал фази. У цьому випадку ПЗВ, що згідно не є энергонезалежним, не зможе виконати функцію відключення. На жаль, передбачений лише досить надійний захист електроустаткування (а не людей!) від обриву нейтралі на відгалуженні від лінії, що живе однофазні споживачі від трифазних чотирьохпровідних ПЛ. Так, у випадку, "коли PEN провідник ПЛ є загальним для груп однофазних споживачів, що живляться від різних фаз, рекомендується передбачати захисне відключення споживачів при перевищенні припустимого рівня напруги, що виникає через асиметрію навантаження після обриву PEN провідника, N або спільного PEN [13, п. 2.3.8].
Пристрої контролю справності проводів ПЛ 0,38 кВ
Струмовий фазозрівняльній захист від однофазних замикань на землю й обриву проводів сільських електричних мереж 0,38 кВ, виконаних повітряними лініями, захищає мережу від замикань на землю, від коротких замикань фази на корпус електроустановки або на нульовий провід [1]. Принцип дії може бути розглянутий на прикладі мережі із двома лініями. Схема захисту наведена на рис. 1.1.
Рисунок 1.1- Струмовий фазозрівняльнтй захист
Захист заснований на порівнянні фаз струмів, що протікають при замиканні на землю в лініях мережі з фазою струму в заземлюючому проводі нейтралі силового трансформатора. Струми виміряються за допомогою трансформаторів ТТ0, ТТНП1, ТТНП2. Трансформатори струму нульової послідовності ТТНП охоплюють всі 4 проводи лінії.
При замиканні на землю однієї з фаз струм пошкодження проходить по ушкодженій фазі на землі й розгалужується по наявних шляхах у землі : через повторні заземлення в нульові провода пошкодженої й непошкодженої ліній, а також у коло заземлення нейтралі силового трансформатора підстанції. При цьому струми замикання, що повертаються в мережу через нульові провода неушкоджених ліній (струми ІОТС.ЗН. ) збігаються по фазі зі струмом у колі заземлення нейтралі силового трансформатора IН.З. , тому що ці струми складові того самого струму замикання IЗ, що розгалужує в ланцюгах з активними опорами.
Трансформатор струму пошкодженої лінії ТТНП1 вимірює різницю між повним струмом замикання IЗ і частиною струму замикання, що вертається по нульовому проводу цієї лінії IОТС.ЗП.. Вимірюваний ТТНП1 пошкодженої лінії струм IЗ. -IОТС.ЗП. має напрямок від шин у лінію, тобто зворотне щодо струмів. Порівнянням фаз (напрямків) струмів нульової послідовності в колі заземлення трансформатора ТП і кожної лінії, що відходить, забезпечується селективна дія захисту на вибір пошкодженої лінії.
Поріг спрацьовування обмежується струмами небалансу на виході трансформатора ТТНП при нормальному несиметричному режимі мережі.
Захист також реагує на обрив нульового проводу лінії, якщо асиметрія навантажень по фазах за місцем обриву створює струм через опори заземлення нульового проводу, необхідний для спрацьовування захисту.
Випробування показали, що при струмі замикання на землю IЗ>1А (або струмі I0>1А при обриві нульового проведення ) захист чітко спрацьовував.
З опису роботи захисту треба, що струмова фазозрівняльний захист не реагує на обрив фазного проводу при відсутності замикання на землю. При наявності замикання на землю, тобто коли, провід що обірвалося, лежить на землі, спрацьовування захисту можливо лише при струмі замикання IЗ>1А. У випадках коли IЗ=1А, захист не спрацьовує, але провід, що обірвався, створює небезпеку поразки електричним струмом при дотику до нього. Імовірність виникнення таких випадків досить велика.
Відомий пристрій контролю справності кола занулення в мережі 38/220 В, що працює на постійному оперативному струмі. Стосовно до повітряної лінії 0.38 кВ принципова електрична схема пристрою наведена на рис. 1.2.
Рисунок 1.2- Схема контролю справності нульового проводу
Пристрій установлюється наприкінці лінії, що захищається, і приєднується між трьома фазами мережі й нульовим проводом. Джерело постійного оперативного струму В (трифазний випрямляч) створює в замкнутому колі оперативний струм IР, що, протікаючи через реле Р, тримає якір реле в притягнутому стані. При обриві нульового проводу струм IР зменшується й реле Р відпускає свій якір, перемкнувши цим самим контакти Р1 і Р2.
Для контролю справності нульового проводу цей пристрій практично нереалізований, тому що вимірювальний елемент (реле Р) установлений наприкінці лінії й вимагає додатковий канал для передачі сигналу, що відключає, на підстанцію для відключення автоматичного вимикача А.
Розглянемо пристрої, що не потребують додаткового каналу передачі інформації. У цьому пристрої у якості лінії зв'язку використовуються провода ПЛ 0,38 кВ, а інформація про обрив передається за допомогою струмів непромислової частоти.
Розглянемо пристрій для захисту ділянки лінії напругою до 1000 В від обриву проводів [3]. Функціональна схема пристрою наведена на рис. 1.3.
Рисунок 1.3- Функціональна схема пристрою контролю ділянки мережі
Пристрій працює в такий спосіб. При нормальній роботі мережі контрольний струм протікає по колу: у перший півперіод - через діод VD1, резистор R і діод VR2 і коло утворене діодом VD1 резисторами R і RЗТ; у другий півперіод - через діод VD3 резистор RЗТ. У наслідку цього на виході трансформатора струму нульової послідовності ТТНП буде постійний двохполуперіодний сигнал. Реле БЗ не спрацьовує при наявності цього сигналу. При обриві фазного проводу контрольованої ділянки мережі струм протікає по колу: діод VD1 резистор R, діод VD2 і діод VD1, резистори R і RЗТ. На виході ТТНП у цьому випадку з'являється однопівперіодний сигнал, що приводить до спрацьовування реле РЗ і відключенню захисного автомата А.
При обриві нульового провода в зоні контролю струм протікає по ланцюзі: діод VD3 резистор Rзт. У цьому випадку також на виході ТТНП з'являється однопівперіодний сигнал, що приводить до спрацьовування пристрою захисту.
У пристрої коло створюється діодом VD1 і резисторами R і RЗТ не входить у контур виміру ТТНП, а це вносить похибку у вимір струму, що протікає по контрольованому колу, що може викликати помилкове спрацьовування захисту.
У пристрої [4] при обриві фази живлячої лінії з`являється сигнал на виході фільтра струму нульової послідовності ФТОП1 (рис.1.4), який діє на релейний орган РО.
Рисунок 1.4-Схема захисту від обриву фазних проводів
Контакти РО замикають коло живлення виконавчого органа ВО(короткозамикач). У лінії створюється двофазне коротке замкнення, яке вимикається максимальним струмовим захистом, який встановлено на початку лінії. У випадку, коли навантаження відімкнуто, сигнал про обрив формується симетричним трьохфазним навантаженням R і виділяється фільтром зворотної послідовності ФТОП2. Інформація про обрив передається на початок лінії за допомогою короткозамикача ВО. Для передавання інформації про пошкодження лінії можна використовувати також струми парних гармонік. Пристрій захисту в даному випадку складається із двох комплектів, які встановлюються в кінці та на початку лінії, що контролюється.
Як правило більшість повітряних ліній 0,38 кВ на початку можуть бути виконані трифазними, а потім розгалужуватися на двофазне й однофазне відгалуження. При такому виконанні повітряних ліній відсутність одного або двох фазних проводів унеможливлює приєднання фільтра напруги зворотної послідовності наприкінці двофазного або однофазного відгалуження.
Тому стосовно до таких мереж запропонований спосіб контролю обриву проводів за допомогою накладення на мережу струмів непромислової частоти джерелами, установленими наприкінці лінії [5].
Спрощена схема пристрою наведена на рис. 1.5.
Рисунок 1.5-Контроль обриву проводу за допомогою симетричної системи контрольних струмів
Джерела струму И викликають у фазних проводах однакові за величиною струми, зсунуті відносно один одного на 120 ел. град. На початку лінії встановлюється трансформатор струму нульової послідовності ТТНП, що охоплює всі чотири проводи лінії. Від вторинної обмотки ТТНП сигнал подається на блок захисту БЗ, що складається із селективного підсилювача, який виділяє сигнал на непромисловій частоті, і граничного елемента з реле. Контакти реле діють на незалежний розчеплювач автоматичного вимикача лінії.
У нормальному режимі роботи лінії, коли всі три фазних проводи справні, сума контрольних струмів (рис.1.6,а) дорівнює:
При обриві одного із проводів, наприклад фази А (рис.1.6,б), струм ІК1 стає рівним нулю. При цьому сума струмів дорівнює:
Струм І створює у вторинній обмотці ТТНП сигнал, що підсилюється селективним підсилювачем і при досягненні рівня спрацьовування граничного елемента викликає спрацьовування вихідного реле БЗ і відключення ушкодженої лінії.
При обриві двох проводів, наприклад фаз А и В (рис. 1.6,в) відсутні струми й, а сумарний струм буде дорівнює Ікз. Під впливом цього струму захист спрацьовує й відключає ушкоджену лінію.
Рисунок 1.6-Векторні діограми контрольних струмів:а-провода справні;б-обрив одного проводу;в-обрив двох проводів
До числа недоліків ПЗВ відносять: не спрацювання, яке часто зустрічається і найбільш небезпечне за умовами імовірності поразки електричним струмом із-за – обриву нульового проводу.
У лабораторії електробезпечності ВИЭСХ розроблені пристрої, що дозволяють відключити повітряні лінії в момент обриву одного, двох або трьох фазних проводів. Вони засновані на принципі захисного відключення [6].
Схема містить у собі автоматичний вимикач 1, яким керує чутливий орган 2, що отримує сигнал на відключення із вторинної обмотки 3 трансформатори струму 4, крізь вікно якого проходять нульовий робочий провід N і фазні провода L1, L2 і L3 (позиція 5). На цьому рисунку показані також опора 7, що знаходиться в землі 6, ПЛ із ізоляторами 8 і проводами 9. На останній опорі 10 (проміжні опори не показані) встановлений блок конденсаторів 11, 12 і 13 однакової ємності. Кожний з конденсаторів одним своїм кінцем приєднаний до одному з фазних проводів ПЛ, а другим – до захисного PE-провідника. При цьому робоча напруга конденсаторів повинне бути вище номінальної напруги ПЛ, а ємність – така (наприклад 10 мкФ), щоб при порушенні симетрії викликати спрацьовування ПЗВ. Причому блок конденсаторів встановлюється на останній опорі ПЛ (по ходу руху енергії), а ПЗВ - на підстанції.
Якщо відбудеться коротке замикання фазного проводу на корпус електроприймача з'єднаного із РЕ-провідником, то по цьому фазному проводу через вікно диференціального трансформатора потече струм короткого замикання. На вторинній обмотці трансформатора з'явиться напруга, що змушує спрацювати чутливий орган, і він у свою чергу, впливаючи на вимикач, який відключить живлення лінії.
Розглянемо випадок обриву проведення ПЛ (провода ПЛ на рис. 1.7 показані пунктирними лініями). Допустимо, обірвався фазний провід L1. Тоді по двох іншим цілими проводам, що залишилися справними, підуть струми від конденсаторів 12 і 13. Оскільки ці струми не будуть скомпенсовані струмом через конденсатор 11 через обрив проводу L1, то відбудеться миттєве спрацьовування ПЗВ й лінія буде знеструмлена раніше, ніж провід впаде на землю. Таким чином провід, що впав на землю, вже не буде представляти собою ніякої небезпеки. Те ж саме відбудеться при обриві проводу L2 або L3.
Одним з недоліків схеми на рис. 1.7 є відсутність реакції ПЗВ на обрив захисного РЕ-провідника.
У схемах захисту ПЛ для виключення помилкових спрацьовувань застосовані низкочутливі ПЗВ зі струмами спрацьовування від 100 до 500 мА залежно від довжини ліній і якості електроприймачів (з позиції наявності природних струмів витоку). У блоці конденсаторів застосовані звичайні паперові конденсатори, розраховані на номінальну напругу не нижче 300 В, ємністю від 10 до 50 мкФ. Вони поміщені в герметичні металеві корпуси із прохідними порцеляновими ізоляторами. Корпуси встановлені й закріплені шурупами на верхніх частинах останніх опор кожної захищеної від обриву проводів ПЛ.
Розділення нульового проводу на робочий і захисний виключає відсос струму несиметрії в землю через повторні заземлення нульового проводу. Поріг спрацювання захисту визначається струмом витоку в нормальному режимі лінії и складає 300 - 1500 мА.
Таким чином, для використання розглянутого захисту потрібна реконструкція існуючих лінії напругою 0,38 кВ. На лініях які будуються це робити не потрібно тому, що таке розділення повинно бути виконано згідно існуючого стандарту, але таких ліній в Україні на цей час практично не існує.
У західних країнах ТП великої потужності (понад 100 кВА) у сільській місцевості не використовують. При цьому, не потрібні й довгі ПЛ 0,38 кВ. Досить прокласти ПЛ-10 кВ та установити на стовпах за допомогою кронштейнів невеликі понижувальні масляні трансформатори 10/0,22 кВ потужністю 10-20 кВА и живити від них усього лише 2-3 будинку, гарантуючи споживачеві стабільні 220В [7]. Звичайно, при цьому початкові матеріальні витрати зростають у порівнянні з існуючим на Україні стандартнім електропостачанням, але надалі нормальна напруга, безумовно, себе швидко окупить.
Така структура мережі також істотно підвищує електробезпечність людей і тварин за рахунок того, що ПЛ 0,38 кВ стають дуже короткими й імовірність обриву в них проводів багаторазово зменшується (навіть практично зникає, якщо застосувати кабельний ввід в будинок).
Висновки
1. Аналіз методів контролю справності проводів ПЛ 0,38 кВ вказує на те, що контроль проводів доцільно здійснювати за зміненою напруги або струму в кінці лінії або її ділянки.
2. Найбільш ефективним є спосіб визначення обриву, заснований на накладенні на лінію симетричної системи струмів непромислової частоти джерелами, включеними наприкінці лінії між фазними проводами й землею.
3 Для ефективного використання цього методу потрібно провести аналіз роботи захисту, заснованому на цьому методі, при обриві фазного проводу і з’єднанні його з землею.
4 Для автоматичного визначення пошкодженої ділянки ВЛ 0,38 кВ потрібно розробити метод адресного контролю ділянок лінії
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.
