Алгоритм оценки технического состояния ПСК нулевой жилы кабеля по результатам инструментального контроля токов нулевой последовательности основной частоты

Page 1
background image

Page 2
background image

26

Алгоритм оценки технического 
состояния ПСК нулевой жилы кабеля 
по результатам инструментального 
контроля токов нулевой последова-
тельности основной частоты

УДК 621.315.2:621.316

качество электроэнергии

Тульский

 

В

.

Н

.,

к.т.н., доцент кафедры 

«Электро энергети ческие 

системы» ФГБОУ ВО «НИУ 

«МЭИ»

Валянский

 

А

.

В

.,

к.т.н., старший 

преподаватель кафедры 

«Электроэнергетические 

системы» ФГБОУ ВО «НИУ 

«МЭИ»

Иноятов

 

Б

.

Д

.,

аспирант кафедры 

«Электроэнергетические 

системы» ФГБОУ ВО «НИУ 

«МЭИ»

Джураев

 

Ш

.

Д

.,

к.т.н., ассистент кафедры 

«Теоретические основы радио- 

и электротехники» Таджик ского 

техничес кого университета 

им. ак. М.С. Осими

Исследованы

 

причины

 

изменения

 

токов

 

нулевой

 

последовательности

 

основной

 

частоты

 

в

 

сетях

 

низкого

 

напряжения

 

при

 

увеличении

 

переходного

 

сопротив

-

ления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

Определены

 

причины

 

роста

 

активного

 

сопротивления

 

контактных

 

соединений

 

нулевой

 

жилы

 

кабельной

 

сети

В

 

рабо

-

те

 

рассмотрено

 

влияние

 

изменения

 

значения

 

фазного

 

тока

угла

 

сдвига

 

фаз

 

между

 

током

 

и

 

напряжением

а

 

также

 

сопротивления

 

контактных

 

соединений

 

нулевой

 

жилы

 

на

 

величину

 

токов

 

нулевой

 

последовательности

 

основной

 

часто

-

ты

Расчеты

 

и

 

результаты

 

моделирования

 

получены

 

в

 

программном

 

комплек

-

се

 Matlab/Simulink 

для

 

несимметричных

 

режимов

 

работы

 

электрической

 

сети

 

с

 

глухозаземленной

 

нейтралью

 

напряжением

 380 

В

 

при

 

увеличении

 

переход

-

ного

 

сопротивления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

Представлен

 

алгоритм

 

оценки

 

технического

 

состояния

 

переходного

 

сопротивления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

 

по

 

результатам

 

инструментального

 

контроля

 

показателей

 

каче

-

ства

 

электроэнергии

 

и

 

выполнен

 

анализ

 

причин

 

изменения

 

коэффициента

 

несимметрии

 

по

 

токам

 

нулевой

 

последовательности

 

основной

 

частоты

Опре

-

делены

 

граничные

 

значения

 

активного

 

сопротивления

 

контактных

 

соединений

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

 

согласно

 

нормативным

 

документам

.

Ключевые

 

слова

:

качество электроэнергии, токи 

нулевой последовательности, 

переходное сопротивление 

контактов, нулевая жила кабеля

ВВЕДЕНИЕ

В  настоящее  время  особенную  актуальность  приобретает 

проблема обеспечения качества электрической энергии в се-

тях низкого напряжения. В первую очередь это связано с ро-

стом мощности потребителей городских электрических сетей 

[8].  Данная  ситуация  сказывается  на  значениях  показателей 

качества электрической энергии (ПКЭ) в узлах электрической 

сети. Так, например, по результатам инструментального кон-

троля КЭ [8], выполненных в сетях напряжением 380 В, превы-

шение  нормативного  значения  коэффициента  несимметрии 

напряжения  по  нулевой  последовательности  (

K

0

U

)  состав-

ляет  44%  от  общего  объема  измерений.  Следует  отметить, 

что  на  значения  этого  показателя  влияет  и  техническое  со-

стояние  электросетевого  оборудования.  Известно,  что  для 

фактического состояния низковольтных электрических сетей 

характерны  моральный  и  физический  износ  ее  элементов. 

На  подстанциях  10/0,4  кВ  распределительной  сети  нередки 

случаи,  когда  вследствие  некачественного  монтажа  кабель-

ных  наконечников  наблюдаются  их  локальные  перегревы, 

значительное  изменение  переходного  сопротивления  в  про-

цессе эксплуатации отдельных фаз. Одной из опасных ситу-

аций  в  сетях  низкого  напряжения  является  рост  сопротив-

ления  петли  «фаза-нуль».  Увеличение  сопротивления  петли 

«фаза-нуль»,  как  правило,  обусловлено  ростом  переходного 

сопротивления  контактов  из-за  ослабления  силы  нажатия 

в  месте  крепления  контактных  поверхностей,  их  окисления, 

а также термического воздействия со стороны токов нулевой 

последовательности основной частоты [7, 14]. В распредели-


Page 3
background image

27

тельных электрических сетях (РЭС) низкого клас-

са напряжения (НН) контроль за сопротивлением 

петли  «фаза-нуль»  является  обязательным  ме-

роприятием  [4].  Из  опыта  эксплуатации  известно, 

что  наиболее  уязвимыми  контактами  в  сети  НН 

являются места соединения нулевой жилы питаю-

щих кабелей с металлическими частями корпусов 

распределительных устройств (РУ). Так, в сетевой 

организации ОАО «Энерго» были созданы специ-

альные отделы по ремонту бытовой техники або-

нентов,  так  как  последняя  выходила  из  строя  по 

причине  неудовлетворительного  состояния  нуле-

вых проводников кабельной сети, обслуживаемой 

данной компанией [7].

Таким образом, значение 

K

0

U

 зависит от формы 

графика  нагрузки  потребителей,  от  технического 

состояния  и  условий  монтажа  сетевого  электро-

оборудования.  Поэтому  выявление  и  устранение 

причин  нарушения  нормативных  значений 

K

0

U

а  также  их  нормализация  являются  актуальными 

задачами,  решаемыми  сетевыми  организациями. 

Для этого сетевые организации периодически про-

водят  инструментальный  контроль  КЭ  в  обслу-

живаемых  РЭС  согласно  требованиям  стандарта 

[9]. Однако наличие результатов измерения КЭ не 

раскрывает  причин  ухудшения  технического  со-

стояния электросетевого оборудования. Таким об-

разом,  необходимо  разработать  алгоритм  оценки 

состояния нулевой жилы кабеля по данным перио-

дического контроля КЭ.

В  качестве  примера  рассмотрим  участок  РЭС 

напряжением 380 В, выполненный кабельными ли-

ниями электропередачи (рисунок 1). Участок РЭС 

включает в себя силовой масляный трансформа-

тор, кабельную линию и несимметричную активно-

индуктивную комплексную нагрузку.

При  разработке  алгоритма  оценки  состояния 

нулевой жилы кабеля по данным инструменталь-

ного контроля КЭ необходимо учесть следующие 

факторы, влияющие на значение тока нулевой по-

следовательности:

 

– сила  нажатия  на  переходное  сопротивление 

контакта;

 

– температура  нагрева  площадки  контактирова-

ния;

 

– несимметрия  трехфазной  нагрузки  участка 

РЭС.

ВЛИЯНИЕ

 

СИЛЫ

 

НАЖАТИЯ

 

НА

 

ПЕРЕХОДНОЕ

 

СОПРОТИВЛЕНИЕ

 

КОНТАКТА

При переходе тока от одного проводника к дру-

гому  по  площади  контактирования  возникает 

электрическое  сопротивление,  которое  называ-

ется  переходным  сопротивлением  контакта.  На 

рисунке 2 показана зависимость активного пере-

ходного сопротивления контакта 

R

k

 при увеличе-

нии силы контактного нажатия 

F

k

 [1, 5]. Увеличе-

ние силы контактного нажатия сначала приводит 

к резкому снижению переходного сопротивления 

в  связи  с  ростом  площадки  контактирования, 

а  дальнейшее  увеличение  силы  приводит  к  за-

медленному  снижению  активного  переходного 

сопротивления  контакта  вплоть  до  его  критиче-

ского значения. 

На  основании  опытных  данных  величину  пе-

реходного  сопротивления  контакта  можно  вы-

числить  по  эмпирической  формуле  Н.Е.  Лысова 

[1, 5]:
 

R

k

 = 

k

nx

/(0,102 

F

k

)

n

(1)

где 

k

nx

  —  коэффициент,  учитывающий  физические 

свойства и вид контакта; 

n

 — коэффициент формы 

контакта; 

F

k

 — сила контактного нажатия.

Согласно  действующим  нормативным  доку-

ментам [3] начальное электрическое сопротивле-

ние контактных соединений проводников со шты-

ревыми  выводами  (класс  1)  регламентируется 

в зависимости от площади поперечного сечения 

соединяемых проводников. При измерении пере-

ходных  сопротивлений  следует  учитывать,  что 

допустимое  переходное  сопротивление  контак-

тов ограничивается значением не более 0,05 Ом 

(п.  3  —  пп.  26.1  и  28.5  [4]).  Следовательно,  по 

формуле (1) предельному значению переходного 

сопротивления контакта соответствует значение 

силы контактного нажатия более 0,6 кН. Поэтому 

при силе контактного нажатия менее 0,6 кН уве-

личивается температура нагрева площадки кон-

тактирования.

R

ЗУ. ТП

 ТП  10/0,4 кВ

Потребитель

0,

4

 к

В

10

 к

В

R

ЗУ. ТП

PEN

Рис

. 1. 

Пример

 

участка

 

РЭС

 

напряжением

 380 

В

Рис

. 2. 

Зависимость

 

переходного

 

сопро

-

тивления

 

контакта

 

от

 

силы

 

контактного

 

нажатия

R

k

, Ом

F

k

, Н

 3 (54) 2019


Page 4
background image

28

Анализатор КЭ (В1)

Анализатор КЭ (В0)

Анализатор КЭ (В1)

Фаза  А

Фаза  B

Фаза  С

N

Нагрузка

A1+

A1

B1+

B1

C1+

C1

A2+

A2

B2+

B2

C2+

C2

ТМ-400/10

A

B

C

a

b

c

B0

A

B

C

a

b

c

B1

+

Земля

+

Фаза А

A

B

C

a

b

c

B2

+

Фаза B

+

Фаза C

    

      

Переходное сопротивление

A

B

C

Источник питания

РАСЧЕТ

 

ТЕМПЕРАТУРЫ

 

НАГРЕВА

 

ПЛОЩАДКИ

 

КОНТАКТИРОВАНИЯ

Условно  контактное  соединение  (рисунок  3)  можно 

представить  в  виде  проводника  переменного  се-

чения.  При  распространении  тока  через  площадку 

контактирования выделяются потери мощности, ко-

торые больше, чем в объеме контактов, и их отно-

сят на единицу длины l площади соприкосновения. 

Кроме того, площадь соприкосновения имеет малую 

поверхность  охлаждения  по  сравнению  с  контакти-

руемыми  проводниками.  Поэтому  в  месте  контакта 

процесс нагрева характеризуется высокой интенсив-

ностью, а выделяемая теплота в области контакта, 

главным образом, рассеивается через контактируе-

мые проводники. Фактическая температура нагрева 

болтового соединения (рисунок 3) двух токоведущих 

шин прямоугольного сечения определяется по урав-

нению установившегося теплового баланса. 

Фактическая температура нагрева площадки кон-

тактирования не должна превышать допустимую [2]. 

Для установившегося состояния данная температу-

ра определяется из уравнения баланса мощностей. 

Для проводника прямоугольного сечения [1, 5]:

 

I

2

 · 

S

 · 

p

 · 

K

T

 · 

T

о.с

 T 

= —, 

(2)

 

S

 · 

p

 · 

K

– 

I

2

 · 

0

 · 

Т

где 

0

  —  удельное  электрическое  сопротивление 

материала  проводника  при 

T

  =  0°С,  Ом·см; 

T

  — 

температурный  коэффициент  электрического  со-

противления, 1/°С; 

K

T

 — коэффициент теплоотдачи, 

Вт/(см

2

·°С); 

T

о.с.

 — температура окружающей среды, 

°С; 

S

 — площадь соприкосновения, см

2

p

 — пери-

метр контактного соединения, см.

C учетом силы контактного нажатия и электриче-

ского тока через переходное контактное соединение 

получим  выражение  для  расчета  активного  сопро-

тивления площадки соприкосновения [1, 5]:
 

2

 

R

k

(

T

) = 

R

k

 

1 + — 

(

– 

T

о.с

)  = 

 

3

 

k

nx

 

2

 

= — ·  1 + — 

(

– 

T

о.с

) , 

(3)

 

(0,102 

F

k

)

n

 

3

где 

k

nx

  —  коэффициент,  учитывающий  физические 

свойства и вид контактов; 

n

 — коэффициент формы 

контактов; 

F

k

 — сила контактного нажатия, Н. 

Для  исследуемого  участка  кабельной  сети  (ри-

сунок  1)  разработана  имитационная  модель  в  про-

граммном  комплексе  Matlab/Simulink  (рисунок  4). 

При  построении  имитационной  модели  выбраны 

расчетные  параметры  наиболее  распространенных 

типов силовых трансформаторов и марок кабельных 

линий  напряжением  0,4  кВ  в  городских  электриче-

ских сетях Республики Таджикистан. Таким образом, 

выбран силовой трансформатор типа ТМ-400/10 со 

схемой соединения обмоток 

/

Y

H

 и кабельная линия 

АСБ 3×70+1×35 длиной 400 м. Имитационная модель 

включает  в  себя  несимметричную  активно-индук-

тивную комплексную нагрузку со значениями токов, 

выбранных по данным инструментального контроля 

КЭ [10, 11]. Точки контроля, где фиксируются параме-

тры сети, могут быть расположены на выводе 0,4 кВ 

силового трансформатора (B1) или на главном рас-

пределительном щите нагрузки (B2). При моделиро-

вании рассматривалось только влияние сопротивле-

ния контактных соединений участка кабельной сети. 

Влияние изменения параметров силового трансфор-

матора в данной сети не рассматривалось. Измене-

ние  значения  сопротивления  контактов  (формулы 

1–3) осуществляется с помощью блока «Переходное 

сопротивление», который подключен в нулевой жиле 

кабеля имитационной модели.

 В ходе моделирования был рассмотрен случай, 

когда в течение расчетного периода времени (напри-

мер, одной недели, согласно [9]), величина нагрузки 

оставалась  постоянной,  а  сопротивление  нулевой 

жилы увеличивалось от 0,027 до 1 Ом. При возрас-

тающем  характере  зависимости  сопротивления  ну-

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рис

. 3.

Контактное

соединение

Рис

. 4. 

Общий

 

вид

компьютерной

 

модели

 

электрической

 

сети

,

выполненный

 

в

 

пакете

 Matlab/Simulink


Page 5
background image

29

левой жилы (

R

N

) от времени мы получили обратную 

зависимость напряжения нулевой последовательно-

сти (

U

0

) (рисунок 5). Получившийся нисходящий ха-

рактер кривой обусловлен тем, что при увеличении 

сопротивления  нулевой  жилы  происходит  увеличе-

ние напряжения смещения нейтрали, и одновремен-

но с этим ток, протекающий в нулевой жиле, умень-

шается. Это приводит к уменьшению токов нулевой 

последовательности (

I

0

) в нулевой жиле и, соответ-

ственно, к уменьшению напряжения нулевой после-

довательности.  Отсюда  мы  можем  сделать  вывод, 

что и коэффициент несимметрии напряжения по ну-

левой последовательности 

K

0

U

 тоже будет изменять-

ся во времени [13]. 

Из  рисунка  5  видно,  что  при  увеличении  сопро-

тивления нулевой жилы кабеля снижаются значения 

тока нулевой последовательности и напряжения ну-

левой последовательности. Известно, что величина 

тока в нулевой жиле равна утроенной сумме токов 

нулевой  последовательности  основной  частоты. 

Следовательно,  значение 

I

0  более  восприимчиво 

к ухудшению состояния нулевой жилы кабеля. Тогда 

для оценки ухудшения технического состояния нуле-

вой жилы воспользуемся изменением значения тока 

нулевой последовательности.

ВЛИЯНИЕ

 

ПЕРЕХОДНОГО

 

СОПРОТИВЛЕНИЯ

 

КОНТАКТОВ

 

НУЛЕВОЙ

 

ЖИЛЫ

 

КАБЕЛЬНОЙ

 

ЛИНИИ

 

НА

 

ЗНАЧЕНИЕ

 

ТОКОВ

 

НУЛЕВОЙ

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

С помощью имитационной модели участка кабель-

ной сети напряжением 380 В выполним оценку вли-

яния учитываемых факторов (см. формулы 1–3) на 

значение  тока  нулевой  последовательности.  При 

моделировании принималось допущение о постоян-

стве трехфазной нагрузки, при этом варьировалось 

значение переходного сопротивления контактов ну-

левой  жилы.  Значения  токовых  нагрузок  выбраны 

на основании архивных данных инструментального 

контроля КЭ на шинах НН трансформаторной под-

станции  (ТП)  городской  распределительной  сети 

[10, 11]. Оценка проводилась с учетом активного со-

противления, так как при расчетах режимов работы 

кабельных сетей напряжением 10 кВ и ниже индук-

тивным сопротивлением пренебрегают [12].

Рассмотрим  влияние  роста  переходного  сопро-

тивления контакта (ПСК) на значение токов прямой, 

обратной и нулевой последовательностей основной 

частоты. Для этого запишем выражение для расче-

та  относительного  отклонения 

n

  токов  прямой,  об-

ратной  и  нулевой  последовательностей 

основной  частоты  при  приращении  пере-

ходного сопротивления контакта:
 

I

ni

 

– 

I

ni

+1

n

 

= —

 

· 100%, 

(4)

 

I

ni

где 

I

ni

  —  предыдущее  значение  тока  дан-

ной  последовательности  основной  часто-

ты; 

I

ni

+1

 — то же, но последующее значение; 

n

 — номер последовательности (1 — пря-

мой, 2 — обратной и 0 — нулевой).

На рисунке 6 изображены графики за-

висимости  относительного  отклонения 

токов  прямой 

1

,  обратной 

2

  и  нулевой 

0

  последовательностей  от  переходного 

сопротивления  контактов  нулевой  жилы 

кабеля. Как было показано выше, норма-

тивное  значение  ПСК  нулевой  жилы  вы-

брано в соответствии с [2–4]. Так, для на-

конечников  кабелей  с  сечением  нулевой 

28,0

28,5

29,0

29,5

30,0

30,5

31,0

0,027

0,04

0,05

0,06

0,07

0,8

0,9

1

I

0

А

R

N

Ом

0,78

0,79

0,80

0,81

0,82

0,83

0,84

0,85

0,027

0,04

0,05

0,06

0,07

0,8

0,9

1

U

0

B

R

N

Ом

Рис

. 5. 

Зависимость

 

U

0

 (

а

и

 

I

0

 (

б

от

 

сопротивления

 

нулевой

 

жилы

 

R

N

а)

б)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

0,05

1

2

3

4

5

R

пер.сопр, Ом

|

G

1

|,

G

2

|, |

G

0

|, %

|

G

1

|, %

|

G

2

|, %

|

G

0

|, %

1

2

3

Рис

. 6. 

Графики

 

зависимости

 

относительного

 

отклонения

 

токов

 

прямой

 

1

обратной

 

2

 

и

 

нулевой

 

0

 

последовательностей

 

от

 

пере

-

ходного

 

сопротивления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

 3 (54) 2019


Page 6
background image

30

жилы 35 мм

2

 (так как рассматривается кабель АСБ 

3×70+1×35) переходное сопротивление контакта не 

должно превышать 14 мкОм (точка 1 на рисунке 6) 

[3]. Допустимое переходное сопротивление контак-

тов должно быть не более 0,05 Ом (точка 2 на ри-

сунке 6) [4]. Исследуем влияние силы контактного 

нажатия и тока основной частоты на значение пере-

ходного  сопротивления  контактов  в  нулевой  жиле 

по условию допустимой температуры нагрева кон-

тактных соединений (не более 95°С [2]). Согласно 

формуле (3) значение переходного сопротивления 

контактов,  соответствующее  допустимой  темпера-

туре нагрева контактных соединений, равно 1,4 Ом 

(точка 3 на рисунке 6).

Из  графиков  на  рисунке  6  следует,  что  при  зна-

чениях  переходного  сопротивления  контактов  в  ну-

левой  жиле  кабеля  свыше  0,05  Ом,  относительное 

отклонение  токов  нулевой  последовательности 

0

 

резко  возрастает  по  сравнению  с  изменением  пря-

мой 

1

 и обратной 

2

 последовательности основной 

частоты.

ВЛИЯНИЕ

 

НЕСИММЕТРИИ

 

ТРЕХФАЗНОЙ

 

НАГРУЗКИ

 

НА

 

ЗНАЧЕНИЕ

 

ТОКОВ

 

НУЛЕВОЙ

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Для  оценки  состояния  нулевой  жилы  кабеля  при 

наличии  архива  инструментального  контроля  КЭ 

необходимо выявить пофазно абсолютно одинако-

вые значения фазных токов участка сети в различ-

ных периодах измерения. При этом значения токов 

нулевой  последовательности  будут  равны,  если 

сопротивление нулевой жилы кабеля в различных 

периодах измерения постоянно. В противном слу-

чае  значения  токов  нулевой  последовательности 

не  будут  равны,  что  свидетельствует  об  измене-

нии состояния нулевой жилы кабеля.

Однако токи нагрузки имеют вероятностный ха-

рактер изменения, и выявить пофазно абсолютно 

одинаковые их значения практически невозможно. 

Тем не менее, при длительных наблюдениях (один 

год  и  более)  или  при  периодическом  инструмен-

тальном контроле КЭ не менее одной недели мож-

но выявить пофазно близкие значения фазных то-

ков участка сети. В качестве примера рассмотрим 

суточные графики изменения фазных токов и токов 

нулевой последовательности участка РЭС 380 В, 

полученные  в  разные  дни  летнего  периода  года. 

Как видно из рисунка 7 в момент времени 

t

1

 (рису-

нок 7а) фазные токи во всех фазах примерно равны 

(отклонение по фазам составляет: фаза А — 1,2%, 

фаза В — 0,9%, фаза С — 1,4%) соответствующим 

токам в момент времени 

t

2

 (рисунок 7б). 

Для  оценки  несимметрии  напряжений  и  токов 

трехфазной системы векторов используется метод 

симметричных составляющих, согласно которому 

любая  несимметричная  трехфазная  система  си-

нусоидальных величин может быть представлена 

наложением  трех  симметричных  составляющих: 

прямой, обратной и нулевой последовательности. 

Прямая  последовательность  является  основной 

составляющей,  а  обратная  и  нулевая  —  являют-

ся  кондуктивными  помехами,  так  как  эти  токи  не 

совершают полезной работы [8]. Если амплитуды 

фазных  напряжений,  токов  и  сдвиги  фаз  между 

ними равны, то трехфазная система векторов сим-

метрична. Если любое из этих условий нарушают-

ся, то трехфазная система векторов является не-

симметричной. Следовательно, на значение токов 

нулевой последовательности влияют модули фаз-

ных токов и характер нагрузки (активно-индуктив-

ный или активно-емкостной).

Далее  рассмотрим  влияние  модулей  фазных 

токов  и  углов  сдвига  фаз  между  фазным  током 

и  напряжением  на  значение  относительного  от-

клонения  токов  нулевой  последовательности 

0

 

при  приращении  фазного  тока  и  угла  сдвига  фаз 

между  фазным  током  и  напряжением.  Значение 

относительного отклонения токов нулевой после-

довательности 

0

  определяется  по  формуле  (4). 

Оценку  влияния  модулей  фазных  токов  и  углов 

сдвига  фаз  между  фазным  током  и  напряжением 

на значение 

0

 выполним в разработанной имита-

ционной  модели  (рисунок  4).  Согласно  результа-

там инструментального контроля КЭ [10, 11] значе-

ние тока фазы А больше, чем в остальных фазах. 

Следовательно, необходимо оценить влияние мо-

дуля тока фазы А и угла сдвига фаз относительно 

напряжения фазы А на значение 

0

. Шагом дискре-

тизации примем значение ±5% как допустимую ин-

женерную погрешность. Тогда:

1)  значение  угла  сдвига  между  током  и  напряже-

нием  фазы  А  изменяется  в  диапазоне  от  0  до

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рис

. 7. 

Суточные

 

графики

 

изменения

 

фазных

 

токов

 

и

 

токов

 

нулевой

 

последовательности

 

участка

 

РЭС

 380 

В

Дата измерения 25.07.2016 года

0

50

100

150

200

250

00:

0

0

03:

0

0

06:

0

0

09:

00

12:

0

0

15:

0

0

18:

0

0

21:

00

I

A

t

час

I

a

I

в

I

c

I

0

0

0

50

100

150

200

250

00:00

03:00

06:00

09:00

12:00

15:00

18:00

21:00

Дата измерения 29.08.2016 года

I

A

t

час

I

a

I

в

I

c

I

0

а)

б)


Page 7
background image

31

40  эл.град.  (шаг  дискретизации  ∆

  =  ±5%),  при 

этом  углы  сдвига  между  током  и  напряжением 

в фазах B и C остаются неизменными, а харак-

тер нагрузки — активно-индуктивный;

2)  значение модуля тока фазы А изменяется в диа-

пазоне от 1 до 

I

max

, А (шаг дискретизации ∆

I

 = ±5%), 

где 

I

max

 — длительно допустимый ток жилы кабеля 

по условию нагрева, при этом токи в фазах B и C 

остаются неизменными.

Выполним  расчет  для  кабеля  АСБ  3×70+1×35 

с  длительно  допустимым  током  нагрева  184  А  со-

гласно ГОСТ 18410-73 [6]. Результаты расчета пред-

ставлены на рисунке 8.

Рисунок  8а  иллюстрирует  изменение 

0

  в  за-

висимости от приращения угла между током и на-

пряжением фазы А и на рисунке 8б — модуля тока 

фазы А.

Из  рисунка  8а  видно,  что  при  изменении  угла 

сдвига фаз между током и напряжением относитель-

ное отклонение 

0

 не превышает 1,9%. Из рисунка 8б 

видно, что при изменении значения модуля фазного 

тока значение 

0

 не превышает 6%. Следовательно, 

влияние  несимметричной  нагрузки  по  модулю  на 

значение 

0

  намного  существеннее,  чем  несимме-

тричной нагрузки по углу сдвига между током и на-

пряжением рассматриваемой фазы А. 

Для  оценки  технического  состояния  нулевой 

жилы кабеля при наличии архива периодического 

инструментального  контроля  КЭ  необходимо  вы-

явить  равные  по  значению,  но  разновременные 

нагрузочные токи во всех фазах. Однако, как было 

отмечено выше, выявить пофазно абсолютно оди-

наковые  значения  фазных  токов  практически  не-

возможно.  В  связи  с  этим  необходимо  принять 

допущение,  в  каком  диапазоне  могут  изменяться 

нагрузочные  токи.  В  качестве  диапазона  примем 

допустимую  инженерную  погрешность  ±5%.  Тог-

да рассмотрим изменение относительного откло-

нения 

0

  в  зависимости  от  приращения  модуля 

токов  каждой  фазы  в  диапазоне  ±5%  от  эталона 

(рисунок  9).  Стоит  отметить,  чем  шире  диапазон 

изменения  токов  в  фазах,  тем  больше  значение 

0

. Осуществлялся перебор всевозможных комби-

наций  изменения  тока  каждой  фазы  в  диапазоне 

±5%,  после  чего  рассчитывались  значения  отно-

сительных отклонений 

0

. На диаграмме рисунка 9 

относительные отклонения 

0

 проранжированы по 

возрастанию 

0

, максимальное значение которого 

составляет 7,2%.

Из рисунков 6 и 9 следует, что относительное от-

клонение  тока  нулевой  последовательности 

0

  при 

увеличении  переходного  сопротивления  контакта 

нулевого проводника достигает 48%, а при измене-

нии  модуля  несимметричной  нагрузки  в  диапазоне 

±5% не превышает 7,2%. Таким образом, на значе-

ние  тока  нулевой  последовательности  переходное 

сопротивление контакта влияет в большей степени, 

чем  изменение  модуля  несимметричной  нагрузки. 

Стоит  отметить,  чем  шире  диапазон  изменения  то-

ков в фазах, тем больше значение 

0

. Поэтому, срав-

нивая  значения  фазных  токов  в  пределах  ±5%  по 

данным инструментального контроля в двух разных 

периодах измерения, можно оценить изменение ак-

тивного сопротивления нулевого проводника.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 

ГРАНИЧНЫХ

 

ЗНАЧЕНИЙ

 

ПЕРЕХОДНОГО

 

СОПРОТИВЛЕНИЯ

 

КОНТАКТОВ

 

НУЛЕВОЙ

 

ЖИЛЫ

 

КАБЕЛЯ

В соответствии с ГОСТ 10434-82 [2] при номиналь-

ном токе наибольшая фактическая температура на-

грева контактных соединений не должна превышать 

допустимого  значения.  Для  контактных  соединений 

классов 1 и 2 в сетях напряжением до 1 кВ допусти-

мая температура нагрева составляет 95°С [2].

Рис

. 8. 

Графики

 

зависимости

а

относительного

 

отклонения

 

0

 

от

 

угла

 

между

 

током

 

и

 

напряжением

 

фазы

 

А

б

приращения

 

модуля

 

тока

 

фазы

 

А

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

1

6

11

16

21

26

31

36

41

46

51

56

61

66

71

76

|

G

0

|, %

'M

, эл.град.

0

1

2

3

4

5

6

1

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101

|

G

0

|, %

'

I

фаз, А

Рис

. 9. 

Диаграмма

 

изменения

 

относительного

 

отклоне

-

ния

 

0

 

от

 

приращения

 

фазных

 

токов

 

в

 

диапазоне

 ±5%

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

|

G

0

|, %

а)

б)

 3 (54) 2019


Page 8
background image

32

На рисунке 10 показан график зависимости сум-

марной  температуры  контактных  соединений  от  их 

переходного  сопротивления  при  различных  зна-

чениях  тока  в  нулевом  проводнике.  При  расчете 

учитывалось  влияние 

F

  силы  нажатия  площадки 

контактирования и значение 

I

0

 тока нулевой после-

довательности  основной  частоты  при  постоянстве 

температуры окружающей среды 

T

окр

 = 20°С. В дей-

ствительности  температура  окружающей  среды  из-

меняется в широком диапазоне при различных кли-

матических условиях. Так, например, при 

T

окр

 = 20°С 

и 

I

0

 = 40 А активное ПСК составляет 

R

пс

 = 0,535 Ом, 

а при 

T

окр

 = –20°С 

R

пс

 = 0,626 Ом.

Из диаграммы (рисунок 11), показывающей зави-

симость ПСК нулевого проводника от значения тока 

в нем, следует, что с ростом тока в нулевом прово-

днике предельно допустимое значение переходного 

сопротивления контактных соединений снижается. 

АЛГОРИТМ

 

ОЦЕНКИ

 

ТЕХНИЧЕСКОГО

 

СОСТОЯНИЯ

 

ПЕРЕХОДНОГО

 

СОПРОТИВЛЕНИЯ

 

КОНТАКТОВ

 

НУЛЕВОЙ

 

ЖИЛЫ

 

КАБЕЛЕЙ

 

ПО

 

РЕЗУЛЬТАТАМ

 

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО

 

КОНТРОЛЯ

 

ПКЭ

Для определения изменения сопротивления нуле-

вого проводника в части несимметрии напряжения 

и тока по нулевой последовательности разработан 

алгоритм, блок-схема которого показана на рисун-

ке 12. Суть его работы заключается в следующем. 

Производятся  измерения  показателей  качества 

электроэнергии в течение расчетного периода (на-

пример,  одной  недели  согласно  [9]).  Все  данные 

измерений записываются в архив. Для каждого но-

вого 

i

-го текущего значения (

T

) выполняется срав-

нение  коэффициента  несимметрии  напряжения 

по нулевой последовательности (

K

0

U

) с архивными 

данными (A). Если значение 

K

0

U

 изменилось более 

чем на 5%, то необходимо определить, связано это 

с  несимметрией  трехфазной  нагрузки  или  с  ухуд-

шением состояния нулевого проводника. 

Для  каждого  нового 

i

-го  измерения  выполняет-

ся сравнение текущих значений (Т) токов нагрузки 

с  архивными  данными  (А).  В  установленных  пре-

Рис

. 10. 

График

 

зависимости

 

суммарной

 

температуры

 

контакт

-

ного

 

соединения

 

от

 

его

 

переходного

 

сопротивления

 

при

 

различ

-

ных

 

значениях

 

тока

 

в

 

нулевой

 

жиле

Рис

. 11. 

Диаграмма

 

зависимости

 

переходного

 

сопротивления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

от

 

тока

 

в

 

нулевой

 

жиле

0

20

40

60

80

100

120

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

Суммарная температура контактного соединения, °C

R

пер.сопр

I

= 40 А

I

= 30 А

I

= 20 А

I

= 10 А

Граничное значение

0

1

2

3

4

5

6

10

20

30

40

R

пер.сопр

.

, Ом

I

0

, A

делах  для  модуля  фазных  токов 

I

  =  ±5%  и  угла 

сдвига фаз между током и напряжением 

φ = ±5% 

выполняется поиск значений внутри указанных ди-

апазонов.

Если отклонение модулей сравниваемых нагру-

зочных токов во всех фазах находится в диапазоне 

±5%, то формируется массив соответствующих зна-

чений тока нулевой последовательности основной 

частоты.  Далее  выполняется  сравнение  отобран-

ных  значений  тока  нулевой  последовательности 

с архивными данными предыдущих инструменталь-

ных контролей КЭ.

Если  значение  тока  нулевой  последовательно-

сти  для  текущего  измерения  увеличилось,  тогда 

проводится  анализ  и  оценка  необходимости  уста-

новки  фильтросимметрирующих  устройств  (ФСУ). 

При  снижении  тока  нулевой  последовательности 

основной  частоты  в  двух  различных  периодах  из-

мерений ПКЭ можно сделать вывод о том, что пе-

реходное  сопротивление  контактов  нулевой  жилы 

кабеля  в  электрической  сети  возросло.  Далее  не-

обходимо  определить  переходное  сопротивление 

контактов нулевой жилы кабеля. Полученные зна-

чения фазных токов архивного инструментального 

контроля КЭ задаем в имитационной модели (рису-

нок 4). После чего с помощью имитационной модели 

определяется  значение  переходного  сопротивле-

ния контактов нулевой жилы кабеля по формулам 

(1–3). Полученная разность значений переходного 

сопротивления контактов нулевой жилы сравнива-

ется с допустимым значением переходного сопро-

тивления контакта, которая должна быть не более 

0,05  Ом  [4].  После  чего  определяется  расчетная 

температура  нагрева  площадки  контактирования 

нулевой жилы, которая сравнивается с допустимым 

значением согласно [2]. В случае превышения до-

пустимого  значения  переходного  сопротивления 

контакта и/или температуры нагрева площадки кон-

тактирования  предпринимаются  мероприятия  по 

снижению переходного сопротивления контактных 

соединений нулевой жилы (подтяжка болтовых со-

единений  контактов,  удаление  с  поверхности  кон-

тактов следов коррозии и окисления).

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ


Page 9
background image

33

ВЫВОДЫ

В статье изложен алгоритм оценки активного 

сопротивления нулевой жилы кабеля по дан-

ным инструментального контроля токов нуле-

вой  последовательности  основной  частоты 

и получены следующие результаты:

1.  Показано,  что  несимметрия  по  модулю 

фазных  токов  в  большей  степени  влияет 

на значение тока нулевой последователь-

ности основной частоты, чем несимметрия 

по углу сдвига фаз между током и напряже-

нием.

Начало

Формирование и сравнение значений

токов нулевой последовательности

 текущих и 

архивных данных

Определение сопротивления контактных 

соединений нулевого проводника в 

имита-

ционной модели с учетом формул 1–3 для 

текущего инструментального контроля

Конец

Протокол с даными инструментального 

контроля ПКЭ

Начальное значение 

i

-го измерения фазных токов

 

<= 

T

I

0

i

  <  

I

0

j

I

i

 = 

I

j

 ± 

'

I

M

i

 

M

j

 ± 

'M

Цикл перебора значений текущего массива фазных

токов  и углов сдвига фаз

<= 

A

Расчет температуры площадки

контактных 

соединений нулевой жилы

Сравнение рассчитанного значения 

температуры площадки контактных

соединений 

нулевой жилы с нормативным 

значением по ГОСТ 10434-82

Выбор мероприятий по снижению 

сопротивления контактных 

соединений нулевой жилы кабеля

Сравнение сопротивлений контактных  

соединений нулевой жилы для текущего 

инструментального контроля 

с нормативным значением по ПТЭЭП

Нет

Да

Нет

Да

T

конт

i

>    

T

допус.

i

Нет

Да

Нет

Нет

Да

Да

Нет

Н

R

пер.

i

  

>  

R

допус

Да

K

0

Ui

= K

0

Uj

 

± 5%

Да

Нет

Анализ нагрузки и оценка необходимости 

установки ФСУ

Рис

. 12. 

Алгоритм

 

оценки

 

технического

 

состояния

 

переходного

 

сопротивления

 

контактов

 

нулевой

 

жилы

 

кабеля

 

по

 

результатам

 

инструментального

 

контроля

 

ПКЭ

ЛИТЕРАТУРА

1.  Таев И.С., Буль Б.К., Годжелло А.Г. 

и  др.  Основы  теории  электриче-

ских аппаратов. Под ред. И.С. Тае-

ва. М.: Высшая школа, 1987. 352 с.

2.  ГОСТ 10434-82. Соединения контакт-

ные электрические. Классификация.

Общие технические требования. М.: 

Стандартинформ, 2007. 14 с.

3.  ВСН  164-82.  Инструкция  по  про-

ектированию  и  монтажу  контакт-

ных соединений шин между собой 

и с выводами электротехнических 

 

2.  Показано, что переходное сопротивление контактов ну-

левой жилы кабеля существенно влияет на значение 

токов нулевой последовательности основной частоты.

3.  Определены граничные значения активного сопротив-

ления контактных соединений по условию наибольшей 

допустимой температуры их нагрева. 

Представленный  подход  позволит  снизить  трудоза-

траты на проведение периодических испытаний электро-

оборудования  и  уменьшить  число  аварий  за  счет  сво-

евременного  выявления  отклонений  от  нормативных 

значений.  

 3 (54) 2019


Page 10
background image

34

устройств.  М.:  Энергоатомиздат, 

1984. 28 с.

4.  Правила  технической  эксплуата-

ции  электроустановок  потребите-

лей.  Госэнергонадзор  Минэнерго 

России.  М.:  ЗАО  «Энергосервис», 

2003. 392 с.

5.  Таев  И.С.  Электрические  аппа-

раты  автоматики  и  управления. 

Учеб. пособие для вузов. М., Выс-

шая школа, 1975. 224 с.

6.  ГОСТ  18410-73.  Кабели  силовые 

с пропитанной бумажной изоляци-

ей. Технические условия (с Изме-

нениями № 1, 2, 3, 4, 5). М.: ИПК 

Издательство  стандартов,  1998. 

28 с.

7.  Суворов  И.Ф.,  Сережин  К.С.  Вли-

яние  переходного  сопротивления 

нулевого  проводника  на  вводе 

в  здание  на  электро-  и  пожароо-

пасность  //  Электробезопасность, 

2011, № 2. С. 34–39.

8.  Карташев И.И., Тульский В.Н., Ша-

монов Р.Г. и др. Управление каче-

ством  электроэнергии.  Под  ред. 

Ю.В.  Шарова.  М.:  Издательский 

дом МЭИ, 2017. 347 с.

9.  ГОСТ  32144-2013.  Электричес-

кая энергия. Совместимость тех-

нических  средств  электромаг-

нитная.  Нормы  качества  элек-

трической  энергии  в  системах 

электроснабжения  общего  на-

значения.  М.:  Стандартинформ, 

2014. 15 с.

10. Шаров Ю.В., Тульский В.Н., Джу-

раев  Ш.Д.,  Иноятов  Б.Д.,  Чор-

шанбиев С.Р. Инструментальная 

оценка качества электроэнергии 

в  энергосистеме  Республики 

Таджикистан / Управление каче-

ством  электроэнергии:  сборник 

трудов  меж.  научн.–прак.  конф., 

23–25  ноября  2016  г.  М.:  Изда-

тельский дом МЭИ, 2017. С. 219–

226.

11. Tulsky V.N. [and others]. Study and 

Analysis of Power Quality of Electric 

Power System. Case Study: Repub-

lic of Tajikistan / IEEE Conference 

of  Russian  Young  Researchers  in 

Electrical and Electronic Engineer-

ing, IEEE Russia North West Sec-

tion.  January  29  –  February  01, 

2018.  Saint  Petersburg  Electro-

technical University «LETI», St. Pe-

tersburg,  Russia:  2018.  Section  7. 

Pp. 837–843. 

12. Идельчик В.И. Электрические си-

стемы и сети: учебник для вузов. 

М.: Энергоатомиздат, 1989. 592 с.

13. Бочаров  Д.С.,  Иноятов  Б.Д.,  Си-

лаев  М.А.,  Тульский  В.Н.,  Шаров 

Ю.В.  Исследование  влияния  обо-

рудования  электрической  сети 

380  В  на  уровни  искажения  сину-

соидальности  и  несимметрии  на-

пряжений  по  нулевой  последова-

тельности / Управление качеством 

электроэнергии:  сборник  трудов 

меж. научн.-прак. конф., 23–25 но-

ября 2016 г. М.: Издательский дом 

МЭИ, 2017. С. 75–82.

14. Inoyatov  B.D.  [and  others].  Pow-

er  quality  monitoring  as  a  tool  for 

phase  conductors  diagnostics  / 

IEEE Conference of Russian Young 

Researchers in Electrical and Elec-

tronic  Engineering,  IEEE  Russia 

North  West  Section.  January  29  – 

February 01, 2018. Saint Petersburg 

Electrotechnical  University  «LETI», 

St.  Petersburg,  Russia:  2018.  Sec-

tion 7. Pp. 837–843.

REFERENCES
1.  Tayev  I.S.,  Bul  B.K.,  Godzhello 

A.G.  et  alias. 

Osnovy teorii elek-

tricheskikh apparatov

  [Fundamen-

tals  of  electrical  apparatus  theory]. 

Moscow,  Vysshaya  shkola  Publ., 

1987. 352 p.

2.  State  Standard  10434-82.  Еlectric 

contact  connections.  Classifi cation. 

General  technical  requirements. 

Moscow, Standartinform Publ., 2007. 

14 p. (in Russian)

3.  Industry Specifi c Construction Stan-

dards 164-82. Instructions for the de-

sign and installation of contact con-

nections when busbar are connected 

between each other and with termi-

nals  of  electrical  devices.  Moscow, 

Energoatomizdat Publ., 1984. 28 p. 

(in Russian)

4.  Rules  of  technical  operation  for 

electrical  installations  of  consum-

ers. Moscow, CJSC "Energoservice" 

Publ., 2003. 392 p. (in Russian)

5.  Tayev  I.S. 

Elektricheskiye apparaty 

avtomatiki i upravleniya

  [Electrical

apparatus  for  automation  and  con-

trol].  Moscow,  Vysshaya  shkola 

Publ., 1975. 224 p.

6.  State Standard 18410-73. Power pa-

per  insulated  cables.  Specifi cations 

(including  amendments  no.  1,  2,  3, 

4, 5). Moscow, IPK Izdatelstvo stan-

dartov  Publ.,  1998.  28  p.  (in  Rus-

sian)

7.  Suvorov  I.F.,  Serezhin  K.S.  Infl u-

ence  of  neutral  conductor  transient 

resistance on electrical and fi re haz-

ard. 

Elektrobezopasnost

  [Electrical 

safety],  2011,  no.  2,  pp.  34–39.  (in 

Russian)

8.  Kartashev I.M., Tulsky V.I., Shamo-

nov  R.G.  et  alias. 

Upravlenie ka-

chest vom elektroenergii

  [Power 

quality  management].  Moscow, 

Izdatelskiy  dom  MEI  Publ.,  2017. 

347 p.

9.  State  Standard  32144-2013.  Elec-

tric  energy.  Electromagnetic  com-

patibility  of  technical  equipment. 

Power  quality  limits  in  the  public 

power  supply  systems.  Moscow, 

Standartinform  Publ.,  2014.  15  p. 

(in Russian)

10. Sharov  Y.V.,  Tulskiy  V.N.,  Dzhura-

yev  S.D.,  Inoyatov  B.D.,  Chorshan-

biyev  S.R.  Power  quality  measure-

ments  in  Tajikistan  power  system. 

Upravleniye kachestvom elektroen-
ergii: sbornik trudov mezh. nauchn.–
prak. konf.

 [Power Quality Manage-

ment:  Proceedings  of  the  2016 

International  Conference].  Moscow, 

2017, pp. 219–226 (in Russian)

11. Tulsky V.N. [and others]. Study and 

Analysis of Power Quality of Electric 

Power System. Case Study: Repub-

lic of Tajikistan / IEEE Conference 

of  Russian  Young  Researchers  in 

Electrical and Electronic Engineer-

ing, IEEE Russia North West Sec-

tion.  January  29  –  February  01, 

2018.  Saint  Petersburg  Electro-

technical University «LETI», St. Pe-

tersburg,  Russia:  2018.  Section  7. 

Pp. 837–843. 

12. Idelchik V.I. 

Elektricheskiye sistemy 

i seti

 [Electrical networks and power 

systems].  Moscow,  Energoatom-

izdat Publ., 1989. 592 p.

13. Bocharov D.S., Inoyatov B.Dzh., Si-

laev M.A., Tulsky V.N., Sharov Yu.V. 

Investigation  of  impact  of  380  V 

electrical network equipment on lev-

els  of  voltage  unsinusoidality  and 

zero-sequence voltage ratio. 

Uprav-

leniye kachestvom elektroenergii: 
sbornik trudov mezh. nauchn.–prak. 
konf.

  [Power  Quality  Management: 

Proceedings  of  the  2016  Interna-

tional  Conference].  Moscow,  2017, 

pp. 75–82 (in Russian)

14. Inoyatov  B.D.  [and  others].  Pow-

er  quality  monitoring  as  a  tool  for 

phase  conductors  diagnostics  / 

IEEE Conference of Russian Young 

Researchers in Electrical and Elec-

tronic  Engineering,  IEEE  Russia 

North  West  Section.  January  29  – 

February 01, 2018. Saint Petersburg 

Electrotechnical  University  "LETI", 

St.  Petersburg,  Russia:  2018.  Sec-

tion 7. Pp. 837–843.

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ


Читать онлайн

Исследованы причины изменения токов нулевой последовательности основной частоты в сетях низкого напряжения при увеличении переходного сопротивления контактов нулевой жилы кабеля. Определены причины роста активного сопротивления контактных соединений нулевой жилы кабельной сети. В работе рассмотрено влияние изменения значения фазного тока, угла сдвига фаз между током и напряжением, а также сопротивления контактных соединений нулевой жилы на величину токов нулевой последовательности основной частоты. Расчеты и результаты моделирования получены в программном комплексе Matlab/Simulink для несимметричных режимов работы электрической сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 380 В при увеличении переходного сопротивления контактов нулевой жилы кабеля. Представлен алгоритм оценки технического состояния переходного сопротивления контактов нулевой жилы кабеля по результатам инструментального контроля показателей качества электроэнергии и выполнен анализ причин изменения коэффициента несимметрии по токам нулевой последовательности основной частоты. Определены граничные значения активного сопротивления контактных соединений нулевой жилы кабеля согласно нормативным документам.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»