Обеспечение электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях в воздушных сетях среднего напряжения

Ключевые слова: обрыв проводника, короткое замыкание, поддержание работоспособности электрической сети, неполнофазный режим, двухстороннее заземление

Читать онлайн

Аварии в электрических сетях являются распространенным явлением, связанным в основном с обрывами и короткими замыканиями проводников воздушных и кабельных линий. В результате аварии происходит отключение потребителей от сети, что может вызвать серьезные проблемы, особенно в условиях пониженных температур. В данной статье предлагается к рассмотрению новый концептуальный подход к обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях линий электропередачи напряжением 6–10 кВ, реализация которого позволит минимизировать время отключения потребителей и обеспечить электроснабжение. Проведен анализ исследований отечественных ученых, посвященных вопросам обеспечения работоспособности и надежности функционирования электрических сетей. Анализ показал, что основными подходами по обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях электрических сетей являются использование резервных источников питания, оптимизация систем управления и контроля, а также применение современных технологий для диагностики и прогнозирования состояния оборудования. В основе предлагаемого концептуального подхода лежит идея поддержания элементов электрической сети в работоспособном состоянии до устранения причины аварии.

Удинцев Д.Н., д.т.н., доцент, профессор кафедры ЭЭС ФГБОУ ВО «НИУ МЭИ»
Шведов Г.В., к.т.н., доцент кафедры ЭЭС ФГБОУ ВО «НИУ МЭИ»
Кочнев С.С., к.т.н., доцент, докторант ВУНЦ СВ «ОВА ВС РФ»
Пожидаев С.В., начальник службы РЗА АО «ОЭК», аспирант кафедры ЭЭС ФГБОУ ВО «НИУ МЭИ»

В электрических сетях достаточно часто происходят аварийные ситуации, связанные с обрывами фазного проводника или короткими замыканиями линий электропередачи в условиях воздействия неблагоприятных внешних факторов, таких как порывы ветра, гололед, ледяной дождь, падения деревьев и т.д. Для защиты от таких аварий используются системы обнаружения и отключения аварийного участка, после чего потребители могут получать электроэнергию по аварийной схеме либо отключаться. В критических условиях при сильном ветре, осадках и других погодных или природных явлениях важно минимизировать время отключения, чтобы предотвратить повреждение оборудования гражданской, промышленной и энергетической инфраструктуры. В настоящее время несмотря на повреждение только одной фазы, под действием релейной защиты (РЗ), поврежденные участки отключаются по трем фазам, что может привести к продолжительному прекращению электроснабжения потребителя. Для восстановления электроснабжения отключенных потребителей могут применяться аварийные схемы электроснабжения.

Одним из подходов по обеспечению электроснабжения потребителей является поддержание неполнофазных режимов электрической сети до устранения причины аварии.

Для электрических сетей 110 кВ и выше существуют методические указания по использованию неполнофазного режима [1]. Эти указания содержат основные положения по применению на подстанциях и открытых распределительных устройствах электрических станций неполнофазных режимов работы.

Под руководством профессора М.Ш. Мисриханова проведены первичные исследования по выбору нейтрали трансформаторов в неполнофазном режиме. Результаты этих исследований были использованы для разработки рекомендаций по выбору параметров нейтрали трансформаторов и режимов их заземления при неполнофазных режимах [2].

Для поддержания работоспособности электрических сетей 6–10 кВ с изолированной нейтралью в случае однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) производится компенсация емкостного тока в месте замыкания установленным в нейтрали сети дугогасящим реактором. При возникновении ОЗЗ дугогасящий реактор создает индуктивную составляющую тока в месте повреждения, которая не более чем на 5% выше емкостной составляющей. Это приводит к тому, что суммарный ток в месте повреждения практически равен нулю, и возникшее однофазное замыкание можно не отключать. Также при однофазном замыкании на землю может осуществляться отключение поврежденного присоединения — этот способ ориентирован на ручное либо автоматическое (с использованием средств РЗА) отключение. При этом потребитель в соответствии с категорией переводится на резервное питание или остается без питания [3, 4].

Таким образом, мы видим, что в настоящее время имеются теоретические и практические предпосылки для более широкого развития направления по поддержанию работоспособности электрических сетей 6–10 кВ — разработке концептуального подхода к обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях линий электропередачи напряжением 6–10 кВ.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ПОВРЕЖДЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6–10 кВ

Электрические сети 6–10 кВ являются наиболее протяженными в Российской Федерации. Соответственно, при аварийных ситуациях в условиях воздействия неблагоприятных внешних факторов объем нарушений в сетях может значительно превосходить возможности электросетевых и территориальных организаций (ЭСО/ТСО) по ремонту и восстановлению. Следует отметить, что причиной таких аварий, как обрыв фазного проводника и межфазные замыкания, является однофазное замыкание на землю.

Рис. 1. Структурно-функциональная схема принудительного двухстороннего заземления в электрических сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью (1 — источник питания, 2 — потребитель электрической энергии, 3 — аварийный фазный проводник, 4 — однофазные заземляющие ножи со стороны источника питания, 5 — однофазные заземляющие ножи со стороны потребителя электрической энергии, 6 — однофазный разъединитель со стороны источника питания, 7 — однофазный разъединитель со стороны потребителя электрической энергии, 8 — участок схлестывания проводников): а) при обрыве фазного проводника; б) при схлестывании двух фазных проводников

Для обеспечения электроснабжения потребителей до устранения причин аварии предлагается временное поддержание работоспособности сети с изолированной нейтралью посредством перевода поврежденного фазного проводника в режим двухстороннего ОЗЗ вместо отключения сети (рисунок 1) [5, 6]. Учитывая тот факт, что временное поддержание ОЗЗ в данных сетях является нормальным режимом, следует отметить, что предлагаемый вариант поддержания работоспособности позволит обеспечить безопасный режим работы за счет перевода ОЗЗ в отведенные места с обеспечением условий санитарной зоны безопасности и предупреждением проникновения в такие зоны случайных людей или животных.

С целью определения возможности перевода воздушных линий 6–10 кВ с изолированной нейтралью в режим двухстороннего ОЗЗ проведены лабораторные экспериментальные исследования. В ходе исследований получены осциллограммы напряжений, подтверждающие возможность использования данного способа для управления линиями электропередачи, представленные на рисунке 2.

Рис. 2. Осциллограмма линейных напряжений на стороне 0,4 кВ: а) нормальный режим; б) при обрыве фазного проводника на стороне 6–10 кВ; в) при двухстороннем замыкании на землю оборванного фазного проводника на *стороне 6–10 кВ*

МЕТОД ПЕРЕВОДА ПОВРЕЖДЕННОГО ПРОВОДНИКА В РЕЖИМ ДВУХСТОРОННЕГО ОЗЗ В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Следует отметить, что потенциал поврежденного проводника выносится в контролируемый периметр для предупреждения опасного влияния тока ОЗ. Санитарная зона (безопасная) — это территория, которая выделена и приведена в соответствие со стандартами безопасности, чтобы обеспечить защиту от случайного проникновения людей или животных к месту растекания тока при ОЗЗ. Устройство представляет собой замкнутый, ограничивающий проникновение за ограждение, периметр с заземляющим устройством внутри указанного периметра, обеспечивающим минимальный уровень сопротивления грунта для обеспечения максимально возможного уровня тока ОЗ. На заземляющее устройство предлагается произвести перенос потенциала от поврежденного полюса в начале и конце защищаемой линии.

Достигаются условия переноса за счет однополюсных выключателей с шунтирующим на заземляющее устройство элементом. Шунтирующие устройство, как и однополюсные выключатели, устанавливается на траверсе опоры ВЛ в начале и в конце линии (рисунок 3).

*Рис. 3. Структурно-функциональная схема расположения полукомплектов шунтирующего устройства линии*

Алгоритмы управления для полукомплектов, предлагаемые на базе микропроцессорной техники, должны быть реализованы с учетом особенностей определения однофазных замыканий на землю. В контексте этой темы особое внимание уделяется установлению условий для идентификации поврежденного проводника, используя различные методы (измерение сопротивления, анализ гармоник и визуальный осмотр). Полукомплекты позволяют определить наличие повреждения и принять меры для его устранения, обеспечивая надежную работу системы и безопасность.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ БЕЗОПАСНОСТИ

Одним из критериев безопасности реализации предлагаемого подхода к обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях линий электропередачи напряжением 6–10 кВ является шаговое напряжение, под которое может попасть как рабочий оперативной службы, так и посторонний человек, случайно проходящий вблизи элементов электрической сети.

При осуществлении двухстороннего ОЗЗ возникает шаговое напряжение, которое будет определяться током, протекающим по земле и обусловленным током нагрузки электрической сети, а также расстоянием между человеком и заземляющим устройством [7].

С целью сравнения со значениями, установленными требованиями безопасности, произведена оценка шагового напряжения, возникающего при различных значениях силы тока и расстояний до заземляющих устройств. В результате проведенных расчетов построены кривые зависимости шагового напряжения от расстояния до места замыкания и тока (рисунок 4). Расчет кривых произведен при значениях тока 1 А, 10 А, 50 А, 100 А и с учетом границы допустимого шагового напряжения для человека 40 В.

Рис. 4. График зависимости шагового напряжения от расстояния до места замыкания при разных значениях тока нагрузки

Из графика, представленного на рисунке 4, сделан вывод о том, что при значениях тока, протекающего через заземляющее устройство до 50 А, опасный потенциал будет находиться в зоне радиусом 8 метров, при значениях более 50 А необходимо проводить мероприятия по его ограничению либо расширению охранной зоны.

ВЫВОДЫ

В статье обоснованы решения концептуального подхода к обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях линий электропередачи напряжением 6–10 кВ. Практическая реализация предлагаемых решений может быть достигнута за счет развития пофазного управления, использования земли (грунта) в качестве проводника, управления режимами нейтрали и расширения алгоритмов РЗА. Теоретические и практические предпосылки подтверждают возможность реализации предлагаемого подхода по обеспечению электроснабжения потребителей при однофазных повреждениях линий электропередачи напряжением 6–10 кВ.

Предложенные в статье мероприятия позволят поддерживать работоспособность электрических сетей при различных типах повреждений, включая обрыв фазных проводников.

ЛИТЕРАТУРА

РД 153–34.3–20.670–97. Методические указания по применению неполнофазных режимов работы основного электрооборудования электроустановок 330–1150 кВ. М.: ОРГРЭС, 1999. 55 с.
Мисриханов М.Ш., Рагозин А.А., Попов В.А., Кушкова Е.И. Методика расчета установившихся неполнофазных режимов оборудования 110 кВ и выше в электрических системах / Повышение эффективности работы энергосистем: Труды ИГЭУ. Вып. 4. М.: Энергоатомиздат, 2001. 432 с.
Удинцев Д.Н., Кочнев С.С., Хлебнов А.В., Абакумов А.Д. Некоторые пути стабилизации работы электроэнергетической системы в условиях чрезвычайных ситуаций / Сб. трудов конференции «Теория и практика гражданской защиты на страже безопасности жизнедеятельности современного общества». М.: Объединенная редакция, 2022. С. 206–209.
Удинцев Д.Н., Зуев А.И., Кочнев С.С., Абакумов А.Д. Обеспечение работоспособности электрических сетей 0,4 кв при обрыве нулевого совмещенного проводника // Вестник МЭИ, 2023, № 2. С. 77–85.
Расовский Э.И. Общая электротехника в рисунках и чертежах. 2-е изд., перераб. Часть 1. Основы электротехники. Л.-М.: Государственное энергетическое издательство, 1952. 153 с.
Титенков С.С., Пугачев А.А. Режимы заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ и организация релейной защиты от однофазных замыканий на землю // Энергоэксперт, 2010, № 2. С. 18–25.
Мартынов В.А. Расчет неполнофазных режимов работы трехфазных трансформаторов // Электричество, 2003, № 9. С. 54–61; № 10. С. 17–24.