Введение
Энергетика Украины - это стратегическая отрасль национальной экономики, которая является основой функционирования всего общегосударственного комплекса общественного производства и обеспечения приличных условий жизни населения. Электрические сети Минэнерго Украины насчитывают свыше 1 млн. км воздушных и кабельных линий электропередачи всех классов напряжения, а также 207435 единиц трансформаторных подстанций, напряжением 6 - 750 кВ общей мощностью 201483 МВА.
Распределительные электрические сети напряжением 0,4 - 150 кВ охватывают всю территорию Украины и выполняют, в основном, функции распределения и передачи электроэнергии непосредственно к потребителям.
По состоянию на 01.01.99 распределительные сети Минэнерго Украины насчитывают 924,8 тыс. км воздушных линий электропередачи напряжением 0,4 - 150 кВ и 207305 трансформаторных подстанций напряжением 6 - 150 кВ общей мощностью 126143,7 МВА. В том числе: около 50 тыс. км воздушных линий и 1408 подстанций напряжением 110 - 150 кВ общей мощностью 57305,7 МВА; 70,7 тыс. км воздушных линий электропередачи и 3865 подстанций напряжением 35 кВ общей мощностью 25456,7 МВА; 331,6 тыс. км воздушных линий и 202032 подстанций напряжением 6 - 20 кВ суммарной мощностью 43381,3 МВА; 472,8 тыс. км воздушных линий напряжением 0,4 кВ.
Электрические сети всех классов напряжения должны находиться в постоянной технической готовности и круглосуточно обеспечивать непрерывное электроснабжение потребителей. Внешние электрические сети напряжениям 0.38 кВ выполнены; как правило, воздушными линиями. Эти сети состоят из четырех - пятипроводных линий с глухо заземленной нейтралью с повторными заземлениям нулевого провода.
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 отключение (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]:
а) основной (магистральный) защитный провод (PEN провод);
б) основной (магистральный) заземляющий провод или основной заземлющий зажим;
в) 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].
Задачи исследования
• провести анализ существующих устройств и методов контроля исправности проводов воздушных линий напряжением 0,3 8кВ;
• разработка устройства защиты проводов воздушных линий 0,38 кВ, который основан на наложении на токи промышленной частоты токов непромышленной частоты 100 Гц;
• исследование источника тока - цепь "диод-резистор";
• исследование источника тока - цепь из параллельно соедененых емкостью и резистором и последовательно с диодом;
• исследование источника тока - цепь диод и параллельно соедененых навиткой индуктивности и емкостью;
• расчет экономической эффективности внедрения устройства.
Некоторые вопросы работы этого прибора были рассмотрены в докладах на 2-й и 3-й международной научно-технической конференции аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых ".(25.04.2002, 13.05.2003 кафедра ГЕА, ДОННТУ), научно-технической конференции студентов "Дни науки 2002 "(ЕТФ, ДОННТУ)[7], научно-технической конференции студентов "Электротехнические и электромеханические системы " (2003, СЕВНТУ).
Основные понятия и краткое описание работы
В электрических сетях 0,38 кВ широкое приложение получили устройства защиты, которые используют рабочий ток сети как сигнал о повреждении.
При использовании этих приборов существуют следующие варианты контроля тока нулевой последовательности:
• устройство защиты реагирует на ток нулевой последовательности в нулевом проводе;
• устройство защиты реагирует на ток нулевой последовательности в фазных проводах;
• устройство защиты реагирует на токи утечки.
Согласно приведенной класификации проанализируем устройства токовой защиты.
При первом варианте контроля токов нулевой последовательности защита осуществляется токовым реле, которое устанавливается в разрыв нулевого провода линии непосредственно или с помощью трансформатора тока. К ним относятся автоматические выключатели с электромагнитным разъединителем в цепи нулевого провода (АП - 50 - 2МТЗО, АЗ700), первичное реле первичное реле тока РЗ -571Т. Эти устройства имеют как положительные качества, так и отрицательные, которые ограничивают их широкое применение.
Несимметричный режим работы воздушных линий 0,38 кВ является для них наиболее вероятным режимом. Кроме того, при коротком замыкании " фаза - нуль" геометрическая сумма токов нагрузок неповрежденных фаз в сложном случае находится в противофазе относительно тока короткого замыкания, потому, когда ток срабатывания защиты равен рабочему току линии и коэффициент чувствительности 1,5 возможно загрубление защиты до 2,5Iраб.
Второй вариант контроля тока нулевой последовательности осуществлен в устройстве защиты типа ЗТИ-0,4.
Полупроводниковая защита типа ЗТИ-0,4 предназначена для защиты трехфазных четырехпроводных воздушных линий 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью и повторными заземлением нулевого провода от межфазных и однофазных коротких замыканий на нулевом проводе, а также замыканий фаз на землю. Для подключения к линии ЗТИ имеет четыре входа, через которые пропускают три фазных и нулевой провода. Функциональная блок-схема защиты приведена на рисунке 1.1
Рисунок 1.1- Функциональная блок-схема защиты типа ЗТИ-0,4
Для защиты от межфазных к.з. используются подаватели тока фаз А и Т1 и Т2, что обеспечивают действие схемы по принципу максимальной токовой защиты (проводы фаз А и С служат первичной обмоткой этих подавателей). При однофазных к.з. токи в фазах могут быть относительно невелики, в результате чего не будет обеспечена необходимая чувствительность защиты. При этом нужно учесть, что в фазе В подаватели тока не установлены. Для действия защиты в данных случаях используется подаватели тока нулевой последовательности ТЗ, магнитопровод которого охватывает все три фазных провода цепи, который контролируется. Такой подаватель (трансформатор) является фильтром токов нулевой последовательности, которые появляются при однофазных к.з.
К вторичным обмотки Т1, Т2 и W1 давача ТЗ подключаются группы резисторов R1, R2, RЗ, переключением которых устанавливаются токи срабатывания (уставки) защиты. Схема "ИЛИ" выделяет среднее значение максимального из выпрямленных (диоды на схеме не указаны) входных напряжений, которые пропорциональны соответствующим токам. При превышении токами фаз или током нулевой последовательности значений уставок напряжения на входе схемы "ИЛИ" превышает опорное напряжение компаратора КМ1. Исходное напряжение компаратора при этом становится положительным, в результате чего начинается линейный рост напряжения на выходе интегратора ИН. При превышении исходным напряжением интегратора опорного напряжения компаратора КМ2 его исходное напряжение также становится положительным. При этом происходит отпирание транзисторного ключа ТК и тиристора ТР, в результате чего подается ток в обмотку независимого разъединителя НР автоматического выключателя и он выключается.
Наиболее сложно обеспечить чувствительную защиту от замыканий на землю. В этом случае сила тока часто гораздо меньше токов срабатывания защит от межфазных и однофазных к.з. на нулевом проводе. Принцип действия ЗТИ основан на том, что защита реагирует на разницу прироста токов небаланса трех фаз (токов нулевой последовательности) ΔI
(0) и в нулевом проводе /0. В этом случае реализовывается следующее неравенство:
где μ
n - коэффициент пропорциональности, U
n - постоянная величина.
Если неравенство верно, устройство срабатывает.
Для защиты от замыканий на землю используют (рис.1): давачи тока нулевой последовательности ТЗ (обмотка W3) и тока нулевого провода Т4, выпрямители В1 и В2, фильтры постоянной составляющей входного напряжения Ф1 и Ф2, на выходе которых напряжения пропорциональны амплитудам входных токов, дифференциальные цепи ДЦ1 и ДЦ2, на выходе которых в постоянном режиме при постоянных значениях входных токов напряжения равно нулю. При изменении входных токов на выходе ДЦ появляются напряжения, пропорциональные приростам токов нулевой последовательности и нулевого провода. После выпрямления, значения этих напряжений сравниваются на сумматоре СМ, на выходе которого появляются разница этих напряжений. При замыкании на землю на выходе СМ появляется отрицательное напряжение, которое превышает опорное напряжение компаратора КМЗ, в результате чего исходное напряжение компаратора КМЗ становится положительным (при отсутствии замыкания на землю напряжение на выходе СМ близкое к нулю, а на выходе КМ отличное). Дальше схема защиты действует, как и при межфазных к.з. Отметим, что защита ЗТИ - 0,4 чувствительна только к однофазным коротким замыканиям " фаза - нуль", так как его ток срабатывания находится в диапазоне (1 .5 - 2.5)
Iраб .
Таким образом, по принципу действия защиты, которые используют первый или второй варианты контроля тока нулевой последовательности не могут обеспечить необходимую чувствительность при коротком замыкании " фаза - земля", так как ее уставка больше тока замыкания на землю.
Малый ток замыкания на землю является следствием большого сопротивления в месте контакта оборванного провода с землей. Это сопротивление изменяется от 100 до 30000 Ом. Таким образом, ток замыкания на землю при сухой погоде составляет 1-10 мА и при дождливой погоде 0,15 - 9 А.
Обеспечить необходимую чувствительность можно, если рассмотреть третий вариант контроля сигнала о повреждении. Конструктивно это устройство должно иметь измерительный преобразователь, который охватывает своим магнитопроводом все фазные и нулевые провода линии, которая защищается. Рассмотрим принцип действия такого устройства.
Работа токовой фазосравнительной защиты (ТФЗ) может быть рассмотрена на примере сети 0,38 кВ с двумя воздушными линиями. Устройство контролирует ток нулевой последовательности в цепи заземления нейтрали трансформатора с помощью трансформатора тока ТТо и токи в линиях с помощью трансформаторов тока нулевой последовательности ТТНП1 и ТТНП2, которые охватывают магнитопроводом все четыре провода ПЛ 0,38 кВ.
При замыкании на землю ток замыкания проходить по поврежденной фазе на землю разветвляется по путям через повторные заземления в нулевом проводе поврежденной и неповрежденной линии, а также в цепь заземления нейтрали силового трансформатору подстанции. При этом токи замыкания, которые возвращаются в сеть через нулевые провода неповрежденных линий (токи утечки Івит.зн) совпадают по фазе с током в цепи заземления нейтрали силового трансформатора Ін.з., поскольку эти токи есть поскольку эти токи являются составляющими одного и того же тока замыкания Із, какой разветвляется в цепях с активными опорами.
Трансформатор тока поврежденной линии ТТНП1 измеряет разницу между полным током замыкания Із и частью тока замыкания что возвращается по нулевому проводу этой линии Івит.зн. ТТНП1 поврежденной линии, которая измеряет ток Із. - Івит.зп. имеет направление от шин в линию, то есть обратное относительно токовутечки. Сравнением фаз (направлений) токов нулевой последовательности в цепи заземления трансформатора ТП и каждой линии, которая отходит, обеспечивает селективное действие защиты 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 несимметрия 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 Із > 1А (или токе Іо > 1А при обрыве нулевого провода ) защита четко срабатывала.
Рисунок 1.2 - Схема защиты ВЛ. 0,38 кВ с компенсацией ошибочного сигналу
Анимация 640 x 356 x 7 кадров,задержка между кадрами 2 секунды,
количество циклов повторения — 5, объём 23 кБайт
При написании данного автореферата магистреская работа ещё не закончена.
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. &MDASH; 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.
