К.т.н. Галимова А.А.

Самарский Государственный технический университет, Россия.

Особенности защиты протяженных линий наружного освещения автомобильных дорог от коротких замыканий

При проектировании систем электроснабжения одними из наиболее трудоемких являются работы по проектированию линий электропередачи среднего и низкого напряжения. Приходится решать целый комплекс задач, связанных с обработкой большого объема информации о плане трассы, полученной от изыскателей, выборе опор для подвески провода, расчета и выбора типа и сечения провода линии электропередачи.

Для систем электроснабжения низкого напряжения 0,4 кВ согласно п. 1.4.5. обязательным условием выбора автоматических выключателей является проверка срабатывания выключателя при коротком замыкании. В сетях низкого напряжения критерием выбора защитного аппарата является однофазное короткое замыкание в наиболее удаленной точке системы электроснабжения, так как при таком замыкании ток имеет минимальное значение . При выборе аппаратов защиты ток срабатывания короткому замыканию по отношению к номинальному току должен иметь кратность К в соответствии с характеристикой срабатывания автоматического выключателя. Минимальную кратность относительно тока короткого замыкания имеют выключатели с характеристикой А.

Методика выбора проводников в линиях высокого и низкого напряжения известна и изложена в литературе [1]. Однако, приведенная методика эффективна для систем электроснабжения непротяженных линий, линий соединяющих трансформаторную подстанцию (ТП) с нагрузкой. В протяженных линиях с распределенной нагрузкой, особенно небольшой мощности, такая методика не позволяет выбрать эффективную защиту от коротких замыканий. В качестве примера можно привести линию наружного освещения автомобильных магистралей. Такая линия электропередачи, как правило, достаточно протяженная, до нескольких километров, имеет небольшую мощность, распределенную по всей длине. Режим короткого замыкания в такой линии имеет особенность – ток короткого замыкания в конце линии, как правило, меньше или близок по значению току нагрузки в конце линии. В этом случае автоматические выключатели, установленные в распределительном устройстве 0,4 кВ на ТП, не отключат нагрузку при возникновении короткого замыкания в конце линии.

В статье приведена методика выбора аппаратов защиты в протяженных линях, имеющих распределенную нагрузку. В основе методики лежит секционирование линии. Вся линии электропередачи делится на участки, каждый из которых защищен своими предохранителями.

При разработке методики ставилась следующая задача: рассчитать ток короткого замыкания в i-той точке линии на расстоянии li от ТП и найти j-узел подключенной нагрузки на расстоянии lj от ТП, в котором можно установить аппарат для эффективной защиты участка линии lj – li. При этом должны выполняться два условия:

- ток короткого замыкания должен быть не менее заданной кратности номинального тока защитного аппарата

(1)

- номинальный ток защитного аппарата должен быть не менее номинального тока нагрузки в j-том узле

Ток короткого замыкания рассчитывается в соответствии с ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока до 1 кВ» [2]. В сетях 0,4 кВ минимальные токи возникают при несимметричных коротких замыканиях, поэтому в качестве критерия для выбора аппарата защиты принимается ток однофазного короткого замыкания:

где Uср – среднее значение низкого напряжения, для сети 380 В среднее напряжение равно 400 В;

R_∑ - суммарное активное сопротивление прямой последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом;

R₀ - суммарное активное сопротивление обратной последовательности схемы замещения системы электроснабжения Ом;

X_∑ - суммарное реактивное сопротивление прямой последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом;

X₀ - суммарное реактивное сопротивление обратной последовательности схемы замещения системы электроснабжения, Ом.

Для определения j-того узла для установки защитного аппарата воспользуемся условием выбора аппарата (1). Подставив в левую часть формулу для определения тока однофазного короткого замыкания, получим:

В правую часть неравенства подставим номинальный ток нагрузки и выразим его через мощность в j-том узле:

(2)

где P_нj – мощность в j-том узле, Вт;

n – количество узлов от точки подключения в ТП до в j-того узла;

Cosφ - коэффициент мощности, при проектировании коэффициент мощности принимается равным 0,85;

U – номинальное напряжение системы электроснабжения, U = 380 В.

В результате решения неравенства, подставив параметры системы электроснабжения и схемы замещения, можно определить узел нагрузки n, в котором необходимо установить защитный аппарат. Расстояние от точки короткого замыкания в i-том узле до j-того узла с защитным аппаратом при таком расчете будет минимально допустимым, исходя из условия решения неравенства. При выборе узла для установки защитного аппарата с помощью неравенства (2) получаем погрешность, обусловленную следующим. Номинальный ток защитного аппарата выбирается из стандартного ряда токов автоматических выключателей или предохранителей, выпускаемых для применения в электрических сетях. Если разница между номинальным током нагрузки в j-том узле Iнj и стандартным номинальным током защитного аппарата Iнз существенна, значение КIнз может превышать ток короткого замыкания. Подставлять в неравенство (2) в правую часть номинальный ток защитного аппарата также нецелесообразно, так как в формуле не будет связи с параметрами нагрузки. В приведенной методике автором предлагается следующее решение проблемы. Количество узлов от ТП до узла j, в котором необходимо установить защитный аппарат, определяется по формуле:

, (3)

где P_∑ - суммарная нагрузка системы электроснабжения Вт.

Номинальный ток защитного аппарата выбирается следующим образом. Рассчитывается ток короткого замыкания в конце линии. Номинальный ток защитного аппарата выбирается не более чем 1/К тока короткого замыкания. Подставив в формулу (3) выбранное значение номинального тока защиты, определяем значение n. Окончательный выбор узла j производится после проверки условий неравенства (2). Если неравенство (2) не выполняется, корректируется значение n. Практический опыт решения подобных задач показал, что если неравенство не выполняется, следует уменьшить значение n, выбрав узел j-1. Далее рассчитывается ток короткого замыкания в узле j, выбирается узел для установки защитного аппарата и определяется диапазон защиты. Таким образом, выполняется расчет для всей линии электропередачи. Последний узел для расчета и установки защитного аппарата – распределительное устройство низкого напряжения в ТП.

Задача выбора узла для установки защитного аппарата участка линии электропередачи может быть решена графически.

Распределение токов короткого замыкания и токов нагрузки в узлах линии электропередачи

На рис. представлены токи короткого замыкания, трехкратные номинальные токи в узлах распределенной нагрузки (для автоматических выключателей с характеристикой срабатывания А). На рисунке также представлены линии, соответствующие трехкратным номинальным токам защитных аппаратов. Точка пересечения линии трехкратного номинального тока защитного аппарата и зависимости трехкратного тока нагрузки в узлах соответствует значению узла n, который является нижней границей, в котором целесообразно устанавливать аппараты защиты. Максимально допустимый узел установки защитного аппарата - точка пересечения линии, соответствующих трехкратным номинальным токам защитных аппаратов с линией токов короткого замыкания. Диапазон действия защитного аппарата, установленного, например, в точке n₁ – до точки n₂, и т.д. Целесообразно выбирать узел нагрузки для установки защиты между двумя зависимостями, чтобы иметь запас надежности по срабатыванию при коротком замыкании и запас для возможной небольшой перегрузки в узле.

Методика применялась при проектировании линии наружного освещения автомобильной дороги, принадлежащей к категории общегородской магистрали протяженностью 6 км. Линия наружного освещения имеет четыре магистральных участка, протяженностью около 3 км каждый. В результате секционирования каждая магистраль разделена на 4-5 участков, каждый участок защищен группой предохранителей с номинальными токами, соответствующими условиям срабатывания.

Результаты расчетов одной из магистралей приведены в таблице. Соединение участков выполнено с помощью мачтовых рубильников, в каждом из которых установлены предохранители с параметрами, выбранными по приведенной методике. В результате секционирования каждый участок светильников линии

наружного освещения защищается от токов короткого замыкания своими предохранителями. Кроме того, при возникновении коротких замыканий в середине или конце линии, основная часть светильников будет работать, так как отключится только часть светильников, оказавшихся в зоне действия токов короткого замыкания.

Таблица.

Магистраль № 1
Длина участков магистрали, км	0,585	1,193		1,73	2,566	3,055
Сечение провода, мм^2	150		120
Сопротивление петли «фаза-нуль», Ом	1,314	2,44		3,67	4,63	6,69
Номинальный ток, А	87,7	70,9		55	38,4	17
Ток кз, А	527	284		189	150	103
Ток предохранителя, А	100	80		60	50	25
Номер опоры для установки предохранителя	89	72		56	39	17

Литература.

1. Ф.Ф.Карпов, В.Н.Козлов. Справочник по расчету проводов и кабелей. Изд. второе. – М., Изд. «Энергия», 1964.

2. ГОСТ 28249-93 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока до 1 кВ»

3. Электротехнический справочник.Т.1. Под общ. ред. П.Г. Грудинского и др. Изд.5-е, испр. М., «Энергия», 1974.