Повышением электрической безопасности сельских сетей занимались Д.С. Стребков, Е.В. Халин, С.И. Коструба, Н.Н. Липантьева, А.И. Якобс и другие учёные. Разработанные ими устройства снижают риск поражения электрическим током людей и животных при определенных видах повреждений, но не изобретено устройство, реагирующее на все виды повреждений линии 220 В.
Совершенствованием методов механического расчета сетей занимались К.П. Крюков, Б.П. Новгородцев, М.А. Короткевич, М.Т. Жулин. Однако их методики не учитывают последние изменения нормативной документации, в соответствии с которыми требуется рассчитывать провода и опоры на увеличенные нагрузки и применять изолированные провода.
Во второй главе "Расчет трехфазно-однофазных сетей в фазных координатах" показано применение метода фазных координат к расчету сельских сетей 10…0,22 кВ.
Суть расчетов в фазных координатах заключается в вычислении электрических величин для каждой фазы. Под фазой понимается любой элемент электрической цепи, по которому может протекать ток или в котором может наводиться электродвижущая сила (обмотка генератора, трансформатора, двигателя, проводник ЛЭП, грозотрос, земля как проводник тока и др.). По сравнению с методом симметричных составляющих расчет в фазных координатах нагляден, прост для понимания, легко подвергается формализации, дает более точные результаты.
Квазистационарный режим работы электрической сети синусоидального переменного тока определяется системой линейных алгебраических уравнений. Число независимых уравнений для схемы замещения сети составляет
,
где - количество ветвей;
- количество узлов.
При большом числе потребителей и учете взаимных связей между фазами система уравнений может состоять из десятков и сотен уравнений. Для решения таких систем уравнений используют матричный метод анализа.
Чтобы рассчитать токи и напряжения в узлах схемы замещения находят матрицу узловых проводимостей :
,
где - матрица инциденций;
- матрица собственных и взаимных сопротивлений ветвей;
- транспонированная матрица инциденций.
По заданному напряжению в начале линии определяют напряжения и токи в ветвях.
Для того чтобы каждый раз не составлять схемы замещения однотипных элементов электрической сети, их стали представлять в виде «черного» ящика, имеющего лишь входные и выходные выводы, так называемого 2К-полюсника (К - число фаз) в соответствии с рисунком 2.
Рисунок 2 - 2К-полюсник (К=2)
На рисунке 2 изображен 2К-полюсник с коэффициентами передачи A, B, C, D уравнений в форме H, при которой напряжение и токи на входе и на выходе 2К-полюсника связаны соотношениями:
,
где , - матрицы напряжений и токов на входе 2К-полюсника;
, , , - коэффициенты передачи 2К-полюсника;
, - матрицы напряжений и токов на выходе 2К-полюсника.
В зависимости от того, какие величины будут входными и выходными у 2К-полюсника, различают уравнения в форме Y, Z, Н, G, A, B. Возможен переход от одной формы уравнений к другой с помощью соответствующих формул.
Для модели однофазного трансформатора:
;
,
где - сопротивление первичной обмотки трансформатора;
- сопротивление вторичной обмотки трансформатора;
- взаимное сопротивление (указывает на магнитную связь между обмотками, расположенными на одном стержне магнитопровода).
По (2) матрица узловых проводимостей получается размерностью 4х4. Чтобы вычислить коэффициенты передачи в форме Н, матрицу следует разбить на четыре подматрицы:
,
где ; ; ;
.
Уравнения в форме H однофазного трансформатора:
,
Вычисление коэффициентов передачи выполняют по формулам
; ;
; .
Однофазная ЛЭП представляется П-образной схемой замещения с сосредоточенными параметрами. Схема замещения двухпроводной линии делится на три части. Первая и третья части будут включать проводимости линии между фазами и проводимости между фазами и землей и . Вторая часть содержит сопротивления линии , , . Каждую часть эквивалентируем в 2К-полюсник и соединим каскадно.
Токи и напряжения на выводах 2К-полюсника в форме Н связаны системой уравнений
.
При каскадном соединении параметры эквивалентного 2К-полюсника линии в целом
,
где , , .
Коэффициенты передачи двухпроводной линии
|
; |
; |
|
|
; |
; |
|
|
; |
; |
|
|
; |
. |
Поперечные проводимости и взаимные сопротивления для воздушных линий (ВЛ) напряжением до 35 кВ и кабельных линий напряжением до 20 кВ можно не учитывать. Тогда матрицы примут вид:
|
; |
; |
|
|
; |
; |
|
|
; |
; |
|
|
; |
. |
Однофазные нагрузки в сети задаются постоянными проводимостями и описываются уравнением связи входных и выходных токов и напряжений
.
Коэффициенты передачи 2К-полюсника
|
; |
; |
|
|
; |
. |
В качестве исходных для расчета параметров однофазных трансформаторов, линий и нагрузок используют общедоступные паспортные данные оборудования, технические характеристики и схему расположения проводов на опоре ЛЭП.
Для расчета сельских трехфазно-однофазных сетей разработана методика согласования в фазных координатах однофазной сети с трехфазной, заключающаяся в математическом моделировании однофазных трансформаторов, соединенных в «открытый треугольник» с дополнительно введенными сопротивлениями Ом в соответствии с рисунком 3.
Рисунок 3 - Модель двухпроводного ответвления с однофазным трансформатором, подключенным к фазам А и В
На рисунке 3 в первый блок заключены два провода, к которым подключен однофазный трансформатор, и сопротивление ; второй блок включает в себя два одинаковых однофазных силовых трансформатора, соединенных по схеме «открытый треугольник»; третий блок в виде однофазной нагрузки состоит из двух плеч: верхнее плечо соответствует сопротивлению нагрузки Zн, сопротивление нижнего плеча принимается постоянным и равным . Сопротивления , а также дополнительный однофазный силовой трансформатор необходимы для согласования размерностей матриц при вычислениях.
Три блока представляются 2К-полюсниками в Н-форме в соответствии с рисунком 4. сеть однофазный трансформатор аварийный
Рисунок 4 - Схема замещения с использованием 2К-полюсников
В параметрах 2К-полюсника двухпроводной ВЛ вместо продольного сопротивления отсутствующего провода вводится сопротивление .
Для нагрузки, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, матрицы коэффициентов передачи имеют вид:
|
; |
; |
|
|
; |
, |
где - полная проводимость нагрузки, См;
- проводимость дополнительного сопротивления, См.
Поскольку 2К-полюсники соединены каскадно, параметры эквивалентного 2К-полюсника определяются произведением матриц блоков
,
где - матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника двухпроводной линии;
- матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника силовых трансформаторов;
- матрица коэффициентов передачи 2К-полюсника нагрузки.
Для расчета токов и напряжений в сети на первом этапе находятся обобщенные параметры 2К-полюсника, получаемого путем приведения полной схемы соединений всех 2К-полюсников к одному эквивалентному. Вторым этапом, при необходимости, переводятся параметры эквивалентного 2К-полюсника в форму Н. Третьим этапом, задавшись напряжением на входе эквивалентного многополюсника и приняв ток на выходе (за нагрузкой) равным нулю , рассчитываются напряжение на выходе . Четвертым этапом по найденному напряжению на выходе определяются ток на входе . В развернутой схеме соединений ток и напряжение на выходе какого-либо 2К-полюсника одновременно являются входными током и напряжением последующего 2К-полюсника. Таким образом, по известным току и напряжению на входе поочередно вычисляются фазные напряжение и ток на выходе каждого из 2К-полюсников полной схемы сети.
Выполнен расчет реальной сельской сети по предлагаемой методике и методом симметричных составляющих. Сопоставление результатов расчетов выявило расхождение токов 9…11 %, напряжений 0,04…0,06 %, коэффициента напряжений по обратной последовательности 9…13 %, связанное с учетом в методе фазных координат большего числа параметров, например, токов намагничивания трансформаторов.
В третьей главе "Безопасная эксплуатация однофазных сетей" проанализированы типы заземления однофазных сельских сетей 220 В, оценена опасность поражения человека электрическим током и разработано новое устройство защиты линии 220 В.
Анализу были подвергнуты однофазные сети напряжением 220 В с глухим заземлением одного из питающих проводников в соответствии с рисунками 5а и 5б либо без него с подключением пробивного предохранителя в соответствии с рисунками 6а и 6б. На рисунке 5б показано возможное применение устройства защитного отключения (УЗО), реагирующего на дифференциальный ток.
Рисунок 5 - Сети однофазного тока с глухим заземлением проводника
(ДТТ УЗО - дифференциальный трансформатор тока
устройства защитного отключения)
Рисунок 6 - Изолированные сети однофазного тока
(УКИ - устройство контроля изоляции)
За основной критерий безопасного устройства заземления сельской сети был принят отпускающий ток через человека, равный 6 мА.
Определено, что:
- Двухпроводная сеть с фазным и нулевым рабочим проводниками (рисунок 5а) не может считаться безопасной. В случае прикосновения к корпусу ЭП с исправной изоляцией или к незаземленному проводу ток через человека превышает значение отпускающего тока.
- Трехпроводная сеть с фазным, нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками (рисунок 5б) считается безопасной, поскольку принципиально возможна установка дополнительного средства защиты от поражения электрическим током - быстродействующего УЗО, и корпус ЭП не имеет электрической связи с фазным проводником и не находится под потенциалом во время работы.
- Двухпроводная изолированная сеть с двумя фазными проводниками, один из которых соединен с заземляющим устройством через пробивной предохранитель (рисунок 6а), безопасна для человека при условии, что емкость проводов относительно земли не превышает критического значения. Например, для ВЛ напряжением 220 В, выполненной проводом А-35, критическое значение емкости достигается при длине линии равной 5,5 км.
- Трехпроводная изолированная сеть с двумя фазными и нулевым защитным проводниками (рисунок 6б) может считаться безопасной только в случае наличия защитного отключения при замыкании второго проводника на землю или при двойном замыкании на землю.
Выпускаемые промышленностью УЗО не реагируют на междуфазные КЗ. Однако проблема отключения электрически удаленных КЗ в сельских сетях низкого напряжения до сих пор не решена. Это связано с наличием таких факторов, как: сильное влияние теплового спада тока КЗ, значительное погонное сопротивление ЛЭП, большой разброс характеристик срабатывания защитных устройств, ограничение значения тока КЗ сопротивлением дуги или переходным сопротивлением. В совокупности перечисленные факторы вынуждают обеспечивать минимальный коэффициент чувствительности защиты КЧ=(3ч6) в зависимости от типа применяемого защитного аппарата, условий прокладки проводников и вида их изоляции.
Разработано новое устройство защиты однофазной линии 220 В, выполненное в соответствии с рисунком 7.
Рисунок 7 - Схема замещения УЗЛ и электросети с нагрузкой
На рисунке 7 представлена схема замещения УЗЛ, конденсаторов С1…С4 и продольных сопротивлений ЛЭП .
Работает предложенное УЗЛ следующим образом. При включении трансформатора Т и автоматического выключателя QF по проводам ЛЭП протекают равные по величине токи нагрузки. В начале линии под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора протекает ток через равные по величине конденсаторы С1, С2. На каждом из них падает половина подведенного напряжения. Ток нагрузки в проводах с разным сопротивлением вызывает разное падение напряжения, поэтому между точками заземления напряжение, подведенное к конденсаторам С3, С4 будет несколько меньше, чем напряжение, подведенное к конденсаторам С1, С2. На каждом конденсаторе С3, С4 будет половина подведенного напряжения. Сопротивления проводов различны по величине, на каждом из них будут разные падения напряжения. Под действием разности падений напряжения в проводах между общими точками конденсаторов С1, С2 и С3, С4 будет протекать незначительный ток, на который реле, подключенное к дифференциальному трансформатору, не реагирует.
При обрыве одного из проводов через один из конденсаторов С3, С4 и заземляющие устройства протекает ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает QF.
При повреждении изоляции любого из проводов происходит соединение провода с землей, через место повреждения изоляции и через конденсаторы протекает ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает QF.
При КЗ между проводами, на каждом из них падение напряжения увеличится, увеличится и разность падений напряжения, под действием этой разности падений напряжений через конденсаторы С3, С4, заземляющие устройства и конденсаторы С1, С2 будет протекать ток, который замыкается помимо окна дифференциального трансформатора, на его выходе срабатывает реле, и отключает QF.