1 Введение

Пункты питания объектов переработки и хранения продукции растениеводства и животноводства, а также других объектов в сельском хозяйстве это как правило, трансформаторные подстанции напряжением 10/0,4 кВ. Неполнофазные режимы, возникающие как на стороне 10 кВ ( обрыв провода воздушной линии, перегорание плавкой вставки высоковольтного предохранителя на трансформаторной подстанции), так и на стороне 0,38 кВ (перегорание плавкой вставки низковольтного предохранителя) приводят, как правило, к выходу из строя дорогостоящего оборудования. На сегодняшний день подстанции напряжением 10/0,4 кВ этих производств (минипроизводств) не имеют технических средств защиты от неполнофазных режимов.

Такая ситуация в целом негативно отражается на надежности электроснабжения объектов переработки сельскохозяйственной продукции. Такая ситуация особенно опасна на объектах тех производств, где необходимо обеспечивать параметры микроклимата ( вентиляция животноводческих помещений комплексов по производству свинины, птицефабрики и др.). Массовый выход из строя электродвигателей вентиляторов по причине неполнофазного режима приведет к существенному экономическому ущербу связанного не только с выходом из строя электрооборудования, но и снижения продуктивности животных, а зачастую и их гибели.

Линии электропередачи напряжением 0,38 кВ объектов агропромышленного комплекса являются составной частью системы электроснабжения и в силу своей специфики (большая протяженность и разветвленность) имеют высокий уровень повреждаемости и электротравматизма. На сегодняшний день электрические сети напряжением 0,38 кВ этих производств (минипроизводств) не имеют технических средств защиты от неполнофазных режимов, связанных с обрывами проводов.

Такая ситуация приводит к тому, что линия с оборванным проводом длительное время может находиться под напряжением, что зачастую приводит к поражению электрическим током персонала перерабатывающих предприятий, либо случайных людей , имеющих контакт с оборванным проводом либо с металлическими частями на которые вынесено напряжение.

Для решения обозначенной проблемы разработаны устройства использующее для контроля неполнофазных режимов напряжение обратной последовательности. Применение устройств на объектах агропромышленного комплекса приведет к повышению надежности его электроснабжения, снижению ущерба от выхода из строя электрооборудования и недополучения сельскохозяйственной продукции.

При разработке этих устройств защиты от неполнофазных режимов был определен характер изменения напряжения обратной последовательности в нормальном и аварийном режимах работы сети. Предложена модель системы, позволяющей произвести оценку изменения контролируемых параметров в зависимости от изменения нагрузки в сети. Произвести исследования по определению изменений контролируемых напряжений. Уточнить алгоритм реализации контроля неполнофазного режима за местом повреждения в электрической сети. Разработаны схемы и выполнены опытные образцы устройств защиты трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ и электрической сети напряжением 0,38 кВ от неполнофазного режима. Разработаны устройства на современной элементной базе, реализующее новый способ контроля аварийного режима на подстанции 10/0,4 кВ и в сети 0,38кВ.

При реализации данного проекта достигается существенный экономический эффект на объектах агропромышленного комплекса, определяемый сохранностью электрооборудования в рабочем состоянии при возникновении аварийной ситуации как на трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ, так и в линиях 0,38 кВ. Кроме того, социальный эффект от внедрения этих разработок в электрическую сеть 0,38 кВ (повышая их электробезопасность) нельзя недооценивать.

Потенциальными потребителями данных разработок могут являться все без исключения потребители электрической энергии (сельскохозяйственные, промышленные, бытовые) не зависимо от их форм собственности, как внутри Республики Казахстан, так и в странах СНГ.

Работа выполнена в рамках программы «Научное обеспечение производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции по регионам Казахстана на 2001-2005 г.г.» , задание 03.01.03.03.И, тема 5-2 «Разработать технические средства защиты трансформаторных подстанций и электрических сетей объектов агропромышленного комплекса от аварийных режимов».

2. Анализ систем электроснабжения и аварийных режимов объектов

агропромышленного комплекса

В настоящее время электроснабжение сельскохозяйственных потребителей осуществляется в основном от трансформаторных подстанций10/0,4 кВ по воздушным линиям напряжением 0,38 кВ. Электрические сети выполнены четырех и пятипроводными, с повторным заземлением нулевого провода. В силу специфики сельскохозяйственного производства сети обладают значительной протяженностью и разветвленностью. Протяженность таких сетей составляет сотни тысяч километров [13]. Перевод сельскохозяйственного производства на промышленную основу обуславливает высокий уровень электровооруженности труда. Так, в настоящее время на объектах агропромышленного комплекса используется огромное количество электродвигателей. Причем количество электродвигателей, приходящихся на одно хозяйство может варьироваться от десятка до сотен. Наибольшее количество электродвигателей используется на объектах перерабатывающей промышленности для электромеханизации трудоемких процессов. Открытое расположение и большая протяженность сетей является причиной низкой надежности воздушных линий. Ежегодно на каждые 100 км. протяженности таких сетей приходится до 50 повреждений [13]. Имеющийся анализ отключений в сетях 0,38 кВ показывает, что на аварийные повреждения, связанные с обрывами проводов по разным причинам, приходится 10-50% от общего числа Имеющаяся в предприятиях энергосистемы информация о внезапных отказах проводов ВЛ-0,38 кВ немногочисленна, вследствие отсутствия налаженного учета по фиксации такого рода повреждений .

Статистический материал, приведенный в [2,21], показывает, что большинство повреждений в низковольтных сетях на замыкание вида «фаза-земля», обусловленные падением оборванного провода на землю, которые составляют более 40% от всех видов повреждений в этих сетях.

Данные исследований, которые приводятся в [26], показывают, что повреждения низковольтных линий с производственной нагрузкой происходит в среднем через 5-13 лет, линий со смешанным характером нагрузки через 1,7-4,3 года, а линий с коммунально-бытовой нагрузкой 1,6- 4 года.

Возникающий в результате обрыва провода неполнофазный режим отрицательно сказывается на работе электрооборудования, в частности на работе электродвигателей. В сельскохозяйственном производстве возникновение неполнофазного режима является весьма опасным и наиболее часто повторяющимися нарушениями нормального режима работы сети, которое приводит к немедленному выходу из строя присоединенных к сети электродвигателей, и в первую очередь, двигателей автоматических электроприводов, что сопровождается прекращением технологических операций или даже всего процесса в целом.

Наиболее серьезные последствия возникают при аварийном отключении электроприводов без обслуживающего персонала. В результате нарушения технологического процесса наиболее велик ущерб на птицефабриках и объектах животноводства [27].

Анализ причин выхода из строя электродвигателей погружных насосов, приведенный в [23], свидетельствует, что основной причиной преждевременного выхода из строя электродвигателей является обрыв фазы питающей сети.

Данные о выходе из строя электродвигателей из-за работы в неполнофазном режиме указывает на высокий процент отказов по этой причине [8].

При защите электродвигателей предохранителями с плавкой вставкой в 80% случаев отказы возникают из-за работы двигателей на двух фазах [4].

Данные, приведенные в [3], показывают, что в сельском хозяйстве 15-40% электродвигателей выходят из строя из-за работы на двух фазах.

По данным [3,21] на долю обрыва фаз падает от 30% до 44% аварий в низковольтных электрических сетях. Результаты работ [8,9] показали, что треть всех аварий элкектродвигателей в сельском хозяйстве есть результат неполнофазных режимов. Исследованием работ электродвигателей в зарубежном сельском хозяйстве установлено, что 27% их выходит из строя из-за обрыва фазы [16]. Аварийные режимы низковольтных сетей не только нарушают электроснабжение сельскохозяйственных потребителей и приводят к выходу из строя электрооборудования, но и в 30-60% случаев представляют потенциальную опасность для людей и животных [27]. Имеющаяся информация по этому вопросу показывает, что 30-40% электропоражений в сельском хозяйстве были связаны с воздушными линиями и обуславливались обрывами и провисаниями проводов. Анализ электротравматизма показал, что 18,4% электропоражений от общего числа в сельском хозяйстве приходится на низковольтные воздушные линии. Основной причиной явились обрывы проводов воздушных линий 0,38 кв.

В [17] отмечается:…”основная причина электротравматизма: неудоувлетворительное состояние воздушных линий, вследствие чего оборванный провод становится доступным для случайного соприкосновения лиц…”

Исследования, приведенные в [32], отчетливо показывают, что …«значительное число электропоражений вызвано обрывами и провисаниями проводов, находящихся под напряжением, так как практически не используется защита , отключающая напряжение при обрыве проводов воздушных линий до 1000 В…». Из-за отсутствия достаточно эффективных мер защиты от аварийных режимов электрических сетей 0,38 кВ вероятность электропоражений остается достаточно высокой, Так, в [20] отмечается:… «большинство замыканий на землю связанно с повреждениями проводов воздушных линий… . Способов защиты от таких повреждений нет. Опыт эксплуатации показывает, что такие повреждения часто являются причиной несчастных случаев со смертельным исходом». Исследования, проведенные энергосбытом Молдглавэнерго [22], позволяли охарактеризовать причины электротравматизма среди населения. Так по причине прикосновения к лежащим на земле оборванным проводам и к металлическим частям, на которые перешло напряжение, число электропоражений составило 26,5%. Обрывы проводов воздушных электрических линий также представляют опасность для животных, но из-за отсутствия налаженного учета точные данные отсутствуют. Однако по разрозненным данным, приведенным в [26], можно судить, что ущерб в сельскохозяйственном производстве из-за этого огромный.

Вместе с тем обрывы проводов в ряде случаев вызывают пожары, особенно в населенной местности. Исследования причин пожаров и статистические данные [28,29] показывают, что наиболее опасными являются замыкания одной фазы в результате ее обрыва на различные металлические конструкции, которые имеют значительное сопротивление по отношению к земле. Данные об электропожарах, приведенные в [26], свидетельствуют, что ущерб от них в сельской местности не имеет тенденции к снижению.

Большинство повреждений сельскохозяйственных воздушных линий 0,38 кВ, связанных с обрывами проводов, приводит к электропоражению людей и животных, выходу их строя электрооборудования и возникновению пожаров. На трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ надежная защита от обрыва проводов отсутствует. Существующие средства контроля и защиты в большинстве случаев не позволяют обесточить оборвавшийся провод [5,18], что зачастую объясняется неэффективностью устройств контроля и защиты. Следствием этого является возможность длительной работы электроустановки в опасном режиме. Известны факты, когда оборванный, но не обесточенный провод оставался на земле в течение нескольких дней и даже недель [11].

Для того, что уменьшить ущерб, наносимый народному хозяйству в результате выхода из строя электрооборудования и электропожаров, значительно повысить электробезопасность, необходимо устранить возможность работы низковольтных электрических сетей в аварийных режимах. Таким образом, следует, что разработка защиты от обрыва проводов в сетях 0,38кВ является весьма актуальной задачей, имеющей к тому же важное социальное значение.

Неполнофазные режимы, возникающие на подстанциях напряжением 10/0,4 кВ объектов агропромышленного комплекса, представляют не меньшую опасность для электрооборудования и персонала предприятий. Эти режимы могут быть вызваны недовключением ножа разъединителя высоковольтной линии, перегоранием плавкой вставки предохранителя, обрывом или замыканием на землю провода высоковольтной линии электропередачи. Имеющийся статистический материал показывает, что на долю этих повреждений может приходиться от 18% до 30% от общего числа повреждений в этих сетях. Последствия неполнофазных режимов работы подстанций 10/0,4 кВ – это высокая вероятность возникновения электропожара, поражения людей и животных электрическим током, массовый выход из строя электродвигателей. На сегодняшний день еще не достигнута оптимальная надежность электроснабжения сельских потребителей и особенно объектов агропромышленного комплекса. Неполнофазеные режимы, связанные с обрывом проводов, занимающие значительное место в сетях 0,38 кВ, а также на трансформаторных подстанциях напряжением 10/0,4 кВ, приводящие в ряде случаев к значительным ущербам и электропоражениям людей и животных, практически не контролируются в этих сетях.

С целью оценки эффективности применения способов и средств повышения надежности электроснабжения потребителей при неполнофазных режимах необходимо оценить параметры сети в этом режиме и на основании этого определить признаки, позволяющие надежно контролировать неполнофазные режимы. Как было отмечено, неполнофазные режимы в сетях 0,38 кВ и на подстанциях 10/0,4 кв вызывают выход из строя электродвигательной нагрузки, что влечет за собой остановку технологического процесса и массовый недоотпуск продукции. Однако неполнофазные режимы, вызванные обрывами проводов, имеют и другую сторону, поскольку такой режим является опасным из-за большой вероятности прикосновения к оборванному проводу или поверхностям, на которые перешло напряжение.

Анализ аварийных ситуаций, имеющих место в сетях 0,38 кВ и на подстанциях 10/0.4 кВ показал, что для устранения неполнофазного режима есть только один выход – это немедленное отключение воздушной линии либо подстанции при наличии аварийного режима. Если в сетях выше 1000 В предлагается отключать линию с неполнофазным режимом, после появления второго питания, а в промежутке между этим переводить электродвигательную нагрузку на повторно-кратковременный режим [3], то в сетях 0,38 кВ, в силу специфики аварийного режима, такой выход неприемлем. В данной ситуации, согласно требованиям ПТБ, такую линию необходимо немедленно отключить.

Анализ существующих способов и средств контроля аварийных режимов показывает, что имеющиеся устройства не могут быть использованы для контроля режима «обрыва провода» в сетях 0,38 кВ с учетом специфических особенностей этого режима в сети 0,38 кВ, а имеющиеся устройства защит трансформаторных подстанций непригодны для этих целей, так как они не различают неполнофазный режим и режим однофазного замыкания на землю. Наряду с этим, как в первом , так и во втором случае необходимо учитывать характер нагрузки, поскольку последнее существенно влияет на параметры неполнофазного режима. Поскольку вопросы защиты таких сетей от однофазных замыканий и замыканий на землю решены в работах [26,18], то для обеспечения высокой чувствительности устройств к режиму «обрыва провода» необходимо оценить параметры неполнофазного режима в различных точках сети при различной нагрузке в последней.

Для повышения надежности работы устройств необходимо исключить их работу при неустойчивых коротких замыканиях и естественной несимметрии напряжений, имеющей место в низковольтных сетях. Специфические условия сельских электрических сетей предъявляют особые требования к контролю неполнофазных режимов и устройствам, осуществляющим этот контроль.

• вновь предлагаемые устройства должны отвечать лучшим требованиям, предъявляемым к аппаратам такого класса, а именно, должны быть максимально простыми в исполнении и удобными в монтаже, требовать минимального количества затрат на обслуживание и наладку, отвечать высоким требованиям техники безопасности и не снижать надежность электрических сетей;

• поскольку сельскохозяйственное производство обладает специфическими особенностями по микроклимату (животноводство) и климатическим зонам, аппараты по защищенности от внутренних и внешних атмосферных воздействий должны обеспечить надежную работу при измерении температуры окружающей среды от –40⁰С до +60⁰С и значительной влажности при наличии химических элементов;

• устройства не должны иметь остродефицитных элементов и обладать малой стоимостью.

Контроль режима «обрыв провода» в сети 0,38 кВ и неполнофазный режим на трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ общем случае можно осуществить следующими способами:

а) контроль аварийного режима «обрыв провода» осуществляется с

шин низкого напряжения ТП 10/0,4 кВ по параметрам

неполнофазного режима.

б) контроль неполнофазного режима, вызванного обрывом провода ,

производится в конце защитного участка линии.

в) контроль неполнофазного режима на ТП 10/0,4 кВ осуществлять со

стороны 10 кВ

г) контроль неполнофазного режима на ТП 10/0,4 кВ производить со

стороны шин низкого напряжения ТП (0,4 кВ).

Применение указанных способов контроля аварийного режима зависит от многих факторов. К их числу можно отнести мощность питающего трансформатора, состав нагрузки сети, нагрузку воздушной линии, длину фидера 0,38 кВ и другие. Для выбора того или иного способа необходим анализ параметров сети при неполнофазном режиме, характеризующих применение вышеуказанных способов.

Состояние данного вопроса по проблеме разработки технических средств защиты трансформаторных подстанций и электрических сетей от неполнофазных режимов отражено в патентном поиске по семи ведущим странам мира, представленном в приложении В.

2. Исследование параметров неполнофазных режимов электрических

сетей напряжением 0,38 кВ

Электрические сети агропромышленных комплексов напряжением 0,38 кВ отличаются большим удельным весом однофазных нагрузок. Для нормального эксплутационного режима необходимо равномерное распределение таких потребителей по фазам, но необходимо учитывать, что каждый из потребителей может находиться в других состояниях: быть либо включенным, либо отключенным в зависимости от случайных обстоятельств и независимо то других электроприемников.

В связи с этим нагрузка каждой фазы изменяется во времени, независимо от нагрузки других фаз, поэтому число и мощность потребителей, включенных в отдельные фазы, будут различными в разные моменты времени. Поэтому в эксплуатации сельских электрических сетей напряжением 0,38 кВ имеют место несимметричные режимы работы даже при условиях равномерного распределения однофазных потребителей по фазам, которые для данных сетей считаются нормальным режимом работы [15].

При рассмотрении несимметричных режимов, вероятное распределение токов в фазах и нулевом проводе зависит от количества включенных потребителей. Это количество может быть размещено любыми возможными способами между тремя фазами сети. При этом следует учитывать комбинации с симметричным и не симметричным распределением нагрузок по фазам. Каждой такой комбинации, при равномерном присоединении потребителей, соответствует определенная вероятность ее появления [15].

Р^m_n1,n2,n3=C^m/3_n1·C^m/3_n2· C^m/3_n3·(1-P)^m-n ·Рⁿ ( 1 )

где, m – общее число присоединенных потребителей

n1, n2, n3 – количество включенных потребителей в первой, второй и третьей фазах.

n=n1+n2+n3 – общее кисло включенных потребителей.

Р – вероятность включения каждого потребителя.

При появлении неполнофазных режимов в сетях 0,38 кВ величины токов и напряжений, а также их симметричные составляющие существенно зависят от мощности трансформатора подстанции 10/0,4 кВ, величины и характера нагрузки и т.д. Несимметрия в различных точках схемы при неполнофазном режиме работы оценивается коэффициентном несимметрии по току К₁ и по напряжению К_u2, причем коэффициент несимметрии напряжений зависит от точки измерения, характера и величины нагрузки подстанции. Коэффициент несимметрии напряжений является также функцией случайных величин I_{2∑ t} и φ_2∑t [22],

где I_{2∑ t} – текущее значение тока обратной последовательности;

φ_2∑t - фаза напряжения обратной последовательности,

обусловленная несимметричной нагрузкой.

К_u = Z_2∑•I_2∑t•℮^jφ2Σt / U_H ( 2 )

где Z_2Σ – комплекс полного сопротивления обратной последовательности.

Обрыв провода на стороне 0,38 приводит к тому, что за местом обрыва в соответствующей фазе ток отсутствует. При этом в низковольтных сетях, на зануленных корпусах электрооборудования величина потенциала может достигнуть недопустимых пределов [7].

При включении однофазных нагрузок на зануленном оборудовании животноводческих ферм потенциал достигает 5 В и более, что вызывает у людей чувство страха, а у животных снижается продуктивность [12]. В основу имеющихся разработок устройств контроля неполнофазных режимов, положены принципы контроля напряжения в исследуемой сети [6,24].

При неполнофазном режиме, вызванным разрывом фазы, например фазы А, граничные условия могут быть записаны [28].

I_A=0, ΔU_B=0, ΔU_C=0 ( 3 )

Где ΔU_B, ΔU_C - падение напряжения фаз В и С на симметричном участке системы.

Применяя метод симметричных составляющих, разложим систему ( 3 ) на напряжения прямой, обратной и нулевой последовательности, предварительно приведя небольшие преобразования, получим:

U_A1=¹/₃(U_A+aU_B+a²U_C)= ¹/₃U_A

U_A2=¹/₃(U_A+a²U_B+aU_C)= ¹/₃U_A ( 4 )

U_Ao=¹/₃(U_A+U_B)+U_C=¹/₃U_А

I_A1+I_A2+I_Ao=0

Из сравнения выражений ( 4 ) видно, что симметричные составляющие в месте разрыва фазы равны между собой и составляют ¹/₃ часть напряжения сети, однако, как будет показано ниже, симметричные составляющие напряжений в значительной степени зависят от характера нагрузки сети.

В связи с тем, что напряжение нулевой последовательности в сети 0,38 кВ в значительной степени определяется наличием в сети однофазной нагрузки, имеющей вероятностный характер подключения, данный параметр не позволяет полностью охарактеризовать неполнофазный режим, то есть получить информацию о его возникновении, поскольку величины напряжений нулевой последовательности при нормальном и аварийном режимах могут быть соизмеримы. Наряду с этим напряжение нулевой последовательности будет зависеть от наличия повторных заземлителей нулевого провода, имеющих место в электрических сетях напряжением 0,38 кВ. С учетом вышеизложенного можно сформулировать принцип построения измерительного органа контроля неполнофазного режима в сетях 0,38 кВ, вызванного обрывами проводов:

• в сети 0,38, должны быть установлены датчики контроля симметричных составляющих напряжений в аварийном режиме;

• в качестве органа контроля симметричных составляющих напряжением в сети 0,38 кВ неиспользовать датчик напряжения обратной последовательности;

Следовательно, для разработки устройств для контроля несимметричных режимов должны быть определены возможные величины напряжения обратной последовательности в сети 0,38 кВ.

Как было отмечено выше, контроль неполнофазных режимов, вызванных обрывами проводов, может быть осуществлен с шин 0,38 кВ подстанции 10/0,4 кВ. Однако такой принцип контроля зависит от значения преходного сопротивления в месте падения провода на землю. Как показали исследования [10], максимальное значение напряжения обратной последовательности имеет в месте разрыва фазы сети и за местом разрыва, на зажимах нагрузки. Данное напряжение уменьшается по мере удаления от точки разрыва, и на шинах низкого напряжения подстанции 0,38 кВ практически всегда имеет место симметричная система напряжений, что естественно не позволяет осуществить контроль режима «обрыв провода» с шин подстанции 0,4 кB по напряжению обратной последовательности.

Следовательно, для осуществления надежного контроля неполнофазных режимов, вызванных обрывами проводов, наиболее приемлемым параметром аварийного режима сети является напряжение обратной последовательности. Данное напряжение необходимо контролировать в конце воздушной линии напряжением 0,38 кВ.

Использование метода симметричных составляющих, широко используемого при расчетах многофазных несимметричных цепей, является не только математическим приемом, но и облегчает представление физической сущности явлений, происходящих в многофазных цепях при различных аномальных режимах в последних.

Метод симметричных составляющих, не имея каких либо преимуществ при стационарных цепях, без вращающихся машин делается практически единственным приемлемым при анализе несимметричных режимов в электрических сетях, содержащих вращающиеся машины. Используя метод симметричных составляющих, удается учесть влияние вращающегося ротора на сопротивление взаимоиндукции между фазами статора, которое учитывается различными по величине сопротивлениями для токов прямой и обратной последовательностей [31].

В многофазных цепях местные виды несимметрии вызывают появление напряжений и токов обратной и нулевой последовательностей, а наличие в этих цепях элементов, имеющих различные сопротивления для этих токов, указывает на то, что наиболее удобным способом решения было бы отдельное рассмотрение схем для токов всех последовательностей или же использование комплексных схем замещения, аналогичных общеизвестным схемам, применяемым при расчетах токов короткого замыкания [28].

При обрыве проводов в сети 0,38 кВ и возникновению неполнофазного режима происходит изменение как фазных, так и линейных напряжений за местом разрыва. В связи с этим представляется интересным исследовать этот режим в сети для выявления изменений в ней напряжения обратной последовательности U₂ как на шинах питающих подстанции 10/0,4 кВ, так и за местом повреждения, т.е. в конце воздушной линии напряжением 0,38 кВ. Оценку изменения указанной величины целесообразно произвести с учетом изменения характера нагрузки сети.

Несимметричные схемы с разрывом одной фазы приводят к схемам без разрыва путем введения в место разрыва между обозначенными точками М и N продольного напряжения U_v, равного разности потенциалов между этими точками [1]. В таком случае результирующий ток в схеме без разрыва так же, как и в схемах с разрывом, остается равным нулю [30].

Результирующий ток складывается из тока, определяемого продольным напряжением U_v и тока нагрузки, который принимают равным току предшествующего нагрузочного режима. Для принятой расчетной схемы замещения электроснабжения сельских потребителей, состоящей из потребительского трансформатора 10/0,4 кВ, воздушной линии 0,38 кВ и сосредоточенной смешанной нагрузки Н [34], примем допущения:

• трансформаторная подстанция 10/0,4 кВ питается от системы бесконечной мощности, т.е. Z_C=0.

• обмотки трансформатора имеют схему соединения «звезда-звезда с нулем».

• все воздушные линии напряжением 0,38 кВ, отходящие от подстанции, заменены одной эквивалентной линией, к которой подсоединена смешанная нагрузка Н;

• считаем, что в нормальном режиме к шинам низкого напряжения подстанции 10/0,4 кВ приложены номинальные симметричные напряжения U_H.

Напряжения отдельных последовательностей в месте разрыва определяются [1, 30] при помощи комплексной схемы замещения, представленной на рисунке 3.1.

Z_1T Z_1л/n М₁ N₁ Z_1л/m Z_1H

Ú_пр. Í_1А

М₂ N₂

Z_2T Z_2л/m Z_2л/m Z_2H

Í_2A

М₀ N₀

Z_0T Z_0л/n Z_0л/m Z_0H

Í_0A

Рисунок 3.1- Комплексная схема замещения сети 0,38 кВ при

неполнофазном режиме

U_A1= I_A1·z₁= U_H·z₁/z₁+(z₂z₀)/(z₂+z₀) ( 5 )

U_A2= -U_H∙z₀·z₂/z₁(z₂+z₀)+z₂·z₀ ( 6 )

U_A0= -U_H∙z₂·z₀/ z₁(z₂+z₀)+z₂·z₀ ( 7 )

Учитывая, что сопротивления Z_1M, Z_2M, Z_OM незначительны по сравнению с сопротивлениями Z_1N, Z_2N, Zо_N, то напряжение в точке М остается практически симметричным, а симметричные составляющие Uy распределяются по одну сторону обрыва Z_N, поэтому в дальнейших расчетах индекс N опускаем, имея в виду, что во всех выражениях, составляющих для места разрыва, учтено сопротивление Z_N.

В связи с тем, что напряжение U_A1, U_A2, U_A0 распределяются пропорционально сопротивлениям отдельных элементов схемы, то при вычислении величин напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей в различных точках схемы, в расчетные выражения необходимо подставить и соответствующие сопротивления. Так, для шин 0,4 кВ подстанции 10/0,4 кВ

Z=Zт

Для стороны потребителя, т.е. в конце воздушной линии 0,38 кВ на зажимах нагрузки Z=Zн.

Считая, что в (5,6) сопротивления Z с соответствующими индексами определены как Z=Zт+Zл+Zн,

где Zт, Zл, Zн - соответственно комплексные сопротивления элементов схемы замещения; трансформатора, воздушной линии и смешанной нагшрузки.

Подставив в ( 5-7 ) z₁=r₁+jx₁, z₂=r₂+jx_2, z₀=r₀+jx_0, и приняв во внимание, что

r₁=r_1т+r_1л+r_1н

х₁=х_1т+х_1л+х_1н

r₂=r_2т+r_2л+r_2н

х₂=х_2т+х_2л+х_2н ( 8 )

r₀=r_0т+r_0л+r_0н

х₀=х_0т+х_0л+х_0н

Получим выражение для определения напряжений симметричных составляющих как на шинах 0,4 кВ подстанции 10/0,4 кВ, так и в конце воздушной линии 0,38 кВ.

Перейдя к относительным единицам (U_H=1.0) и произведя преобразования в выражениях ( 5-7 ), находим, что выражения для определения абсолютных значений напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей в конце воздушной линии 0,38 кВ принимают вид:

A²+C²

U₁=√ B²+Д² ( 9 )

E²+F²

U₂=√ B²+Д² ( 10 )

G²+H²

U₀=√ B²+Д² ( 11 )

Коэффициенты, входящие в выражения ( 9-11 ), определяются комплексной схемой замещения, сети и сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности составляющих ее элементов.

А=r_1н(r₂+r₀)-x_1н(x₂+x₀) ( 12 )

B=r₁(r₂+r₀)+r₂∙r₀-x₁(x₂+x₀)-x₂∙x₀ ( 13 )

C=r_1н(x₂+x₀)+x_1н(r₂+r₀) ( 14 )

Д=r₁(x₂+x₀)+r₂∙x₀+x₁(r₂+r₀)+x₂∙r₀ ( 15 )

E=r₀∙r_2н-x₀∙x_2н ( 16 )

F=r₀∙x_2н+x₀∙r_2н ( 17 )

G=r₂∙r_он-x₂∙x_он ( 18 )

H=r₂∙x_он+x₂∙r_он ( 19 )

Как показали исследовния, при обрыве одной фазы токи в двух других фазах зависят от характера нагрузки, т.е. от значений сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей. Согласно межгосударственного стандарта ГОСТ 13109-97 несимметрия напряжений в различных точках исследуемой схемы, при неполнофазных режимах, оценивается коэффициентом несимметрии [43] .

Всвязи с этим и согласно выражениям ( 10-11 ) коэффициенты несимметрии напряжений равны:

E²+F² G²+H²

К_U2=√ B²+Д² ∙100, К_O==√ B²+Д² ∙100 ( 20 )

Таким образом, данные коэффициенты зависят как от величины сопротивлений элементов сети, так и от характера нагрузки в последней, т.е. от величин сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей последней [14]. Значения сопротивления элементов схемы замещений приводится к базисной мощности, равной номинальной трансформаторной, и напряжению стороны обрыва согласно [28]. Для трансформаторных мощностей 25-400 кВА, получивших наибольшее распространение в сельских системах электроснабжения, данное приведение осуществляются по формуле:

r_T=r_Т^* ∙ S_б / U_б² ( 21 )

где r_Т^* - сопротивление трансформатора в Ом.

Параметры воздушной линии напряжением 0,38 кВ, определяются согласно [14]:

r_л=r∙ℓ• S_б / U_б² ( 22 )

где r∙ℓ - сопротивление воздушной линии низкого напряжения.

Полное сопротивление токам нулевой последовательности воздушной четырехпроводной линии определяется выражением [18].

z_ол=r_ол+jx_ол=r_ф+3r_N+j(x_ф+3x_N+2x_м-6x’_м), ( 23 )

где r_ф, x_ф – активное и индуктивное сопротивление фазного провода;

r_N, x_N – активное и индуктивное сопротивление нулевого провода;

x_м – сопротивление взаимоиндукции фазных проводов;

x’_м – сопротивление взаимоиндукции между фазным и нулевым проводом воздушной линии.

При соблюдении конструктивных условий исполнения четырехпроводной линии, т.е. x_ф≈ x_N, x_м≈ x’_м, r_N≈ r_ф, а также что, x_ф- x_м=х₁ [28], выражение ( 23 ) примет вид:

Z_ол=4(r_1л+jx _1л) ( 24 )

Следовательно, для получения значений напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей в сети 0,38 кВ при неполнофазном режиме необходимо определить выражения для расчета сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей смешанной нагрузки.

Поскольку нагрузка сети 0,38 кВ носит вероятностный характер, то представляется необходимым найти аналитическую зависимость сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей нагрузки в зависимости от изменения ее величины и характера.

Для определения сопротивления прямой Z_1Н, обратной Z_2Н и нулевой Z_0Н последовательностей нагрузки сети необходимо величины всех сопротивлений схемы выразить в относительных единицах, приняв за базисную мощность, номинальную трансформаторную мощность, т.е.

S_б=S_т

Сопротивления прямой и обратной последовательности элементов схемы, трансформатора и воздушной линии 0,38 кВ равны между собой и не зависят от режима работы подстанции 10/0,4 кВ [28]. Сопротивления же смешанной нагрузки сети зависят от ее величины и характера, т.е. наличия в сети четырехфазной и однофазной нагрузки, их отношения и режима работы последних.

В схеме замещения для одной фазы смешанной нагрузки сети сопротивления нагрузки представлены:

Z⁽¹⁾ – комплексное сопротивление однофазной нагрузки сети, где r⁽¹⁾ и х⁽¹⁾ ее активные и индуктивные составляющие;

Z^(д) – комплексное сопротивление трехфазной нагрузки сети, где r^(д) и х^(д) ее активные и индуктивные составляющие (электродвигательная часть нагрузки сети 0,38 кВ).

Получение расчетных выражений сопротивлений нагрузки сети при неполнофазном режиме представляется интересным для двух моментов времени, первый – когда сопротивления нагрузки в начальный момент перехода ее на работу с двумя фазами остаются таким же, как при нормальном режиме работы, т.е. вращающаяся электродвигательная нагрузка, в следствии наличия сил инерции, не изменяет своего скольжения. При этом симметричные составляющие напряжения определяются по параметрам предыдущего нагрузочного режима; второй – когда под влиянием магнитных потоков в установившемся режиме, определяемых током обратной последовательности, двигательная нагрузка замедляет частоту вращения, что вызывает увеличение скольжения и уменьшение их сопротивления. В данном моменте учитывается изменение сопротивления смешанной нагрузки сети.

С учетом вышеизложенного, анализ этой зависимости осуществляется при помощи параметров

α=S_н /S_б - относительная мощность нагрузки воздушной линии 0,38 кВ.

cosφ_н – коэффициент мощности смешанной нагрузки Н, определяющий ее характер.

Сопротивление нагрузки, отнесенное к ее номинальной мощности, при условии равенства ее базисной S_H=S_б определяется зависимостью

Z_н.ном.=1

В связи с тем, что нагрузку сети 0,38 кВ составляют трехфазные и однофазные потребители, можно записать:

S_H=S^(д)+S⁽¹⁾

где S^(д) – мощность трехфазной двигательной нагрузки сети;

S⁽¹⁾ – мощность однофазной нагрузки сети.

Согласно этому, относительная мощность нагрузки воздушной линии определяется:

α= S^(д)+ S⁽¹⁾ / S_б

В общем случае полное сопротивление смешанной нагрузки, присоединенной к сети 0,38 кВ, может быть выражено

Z_н.ном.=Z^(д)//Z⁽¹⁾

При этих же условиях, когда S_H≠S_б, т.е. S_б= S^(д)+ S⁽¹⁾ /α