Разработка мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами для секционирования сельских электрических сетей 0,4 кВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лансберг Александр Александрович

• Лансберг Александр Александрович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Лансберг Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 0,4 кВ

1.1 Характеристика сельских электрических сетей 0,4 кВ и их особенностей на примере Орловской области

1.2 Анализ конфигурации сельских электрических сетей 0,4 кВ и обоснование необходимости применения мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами

1.3 Анализ способов и средств повышения защищённости электрических сетей 0,4 кВ и надёжности электроснабжения сельских потребителей

1.4 Типы мультиконтактных коммутационных систем и особенности их применения в сельских электрических сетях 0,4 кВ

1.5 Постановка задач диссертационной работы

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, КОМПЬЮТЕРНОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 0,4 кВ, СЕКЦИОНИРОВАННЫХ МУЛЬТИКОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ С ДВУМЯ КОНТАКТНЫМИ ГРУППАМИ

2.1 Методы расчёта тока однофазного короткого замыкания в сельских электрических сетях 0,4 кВ

2.2 Разработка физической модели сельской электрической сети 10/0,4 кВ и оценка её достоверности

2.3 Разработка компьютерной модели сельской электрической сети 10/0,4 кВ и оценка её достоверности

2.4 Исследование электрических параметров в аварийных режимах работы сельской электрической сети 0,4 кВ с применением разработанных физической и компьютерной моделей

2.5 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЫЯВЛЕНИЯ ВИДА И МЕСТА ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА, ЗАЩИТЫ СЕЛЬСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 0,4 кВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МУЛЬТИКОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ДВУМЯ КОНТАКТНЫМИ ГРУППАМИ И АЛГОРИТМ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

3.1 Разработка нового способа выявления вида и места возникновения аварийного режима, защиты сельской электрической сети 0,4 кВ с применением мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами

3.2 Разработка алгоритма реализации способа выявления вида и места возникновения аварийного режима, защиты сельской электрической сети 0,4 кВ с применением мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами

3.3 Обоснование требований к функциональным возможностям мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами

3.4 Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА УСТРОЙСТВА МКС-2-3В(У), ЕГО ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

4.1 Обоснование технических требований к устройству МКС-2-3В(У) на основе обработки статистических данных и результатов моделирования режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ

4.2 Разработка электрической схемы устройства МКС-2-3В(У)

4.3 Разработка опытного образца устройства МКС-2-3В(У) и его лабораторные испытания

4.4 Разработка программы опытно-промышленной эксплуатации устройства МКС-2-3В(У)

4.5 Опытная эксплуатация устройства МКС-2-3В(У) и её результаты

4.6 Выводы по главе

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВА МКС-2-3В(У)

5.1 Капитальные вложения в разработку устройства МКС-2-3В(У)

5.2 Определение показателей надёжности устройства МКС-2-3В(У)

5.3 Оценка технико-экономических показателей применения устройства МКС-2-3В(У)

5.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патенты на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Рекомендательные письма

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт изготовления физической модели сельской

электрической сети 0,4 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акт испытания физической модели сельской

электрической сети 0,4 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Договор о предоставлении гранта с Фондом содействия инновациям на разработку устройства секционирования

сельской электрической сети 0,4 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Заявка на изготовление устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Акт изготовления устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ И Акт лабораторных испытаний устройства

МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ К Договор об опытно-промышленной эксплуатации

устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Программа опытно-промышленной эксплуатации

устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ М Заключение о результатах опытно-промышленной

эксплуатации устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Перечень электрооборудования для изготовления устройства МКС-2-3В(У)

ПРИЛОЖЕНИЕ П Сведения об аварийных отключениях исследуемой

сельской электрической сети 0,4 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Сведения о плановых отключениях исследуемой сельской электрической сети 0,4 кВ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами для секционирования сельских электрических сетей 0,4 кВ»

Актуальность темы исследования.

Необходимость секционирования сельских электрических сетей 0,4 кВ обусловлена низкими надёжностью электроснабжения и защищённостью от токов однофазных коротких замыканий. Протяжённость воздушных линий электропередачи (ВЛ) 0,4 кВ, которая на примере Орловской области достигает в среднем 985 м, в 1,5-2 раза превышает рекомендуемые значения. Сечения проводов ВЛ 0,4 кВ часто занижены (наиболее применяемые провода А-35, СИП-2 3х35+1х54,6). В совокупности с невысокой мощностью силовых трансформаторов (63-250 кВА) это приводит к высоким значениям сопротивления петли «фаза-нуль» в данных сетях и, как следствие, низким значениям токов однофазных коротких замыканий (ОКЗ). В конце ВЛ 0,4 кВ токи ОКЗ могут быть ниже токов нагрузки. Более 90% линий не защищены от ОКЗ, так как установленные защитные коммутационные аппараты не чувствительны к ним. Завышенная протяженность сельских электрических сетей 0,4 кВ также приводит к низкой надёжности электроснабжения. При аварии на любом участке, в том числе на отпайке, отключается вся ВЛ 0,4 кВ. Указанные особенности приводят к тому, что перерывы в электроснабжении потребителей превышают 72 часа в год. Потоки отказов в сетях 0,4 кВ достигают до 29 отключений в год на 100 км ВЛ, а число плановых отключений - до 71 отключения в год на 100 км ВЛ. Это приводит, на примере Орловской области, к отключениям более 20 тысяч потребителей ежегодно и недоотпуску электроэнергии им в объёме более 52 тысяч МВтч. Ежегодное количество жалоб на отключения электроэнергии, фиксируемых электросетевой компанией превышает 300 единиц.

Решить совокупность данных проблем можно сетевым секционированием сельских электрических сетей 0,4 кВ. Поскольку доля ВЛ 0,4 кВ с отпайками составляет не менее 65% от их общего числа, перспективными средствами секционирования являются мультиконтактные

коммутационные системы (МКС) разных типов, учитывающие эту особенность. Однако разработанные ранее МКС несовершенны по конструкции. Не в достаточной мере разработаны алгоритмы работы данных устройств, направленные на выявление и распознавание аварийных режимов и участков сети, на которых они возникают. Отсутствует значимый опыт их практической эксплуатации в электрических сетях. Наиболее актуальной является работа, направленная на разработку усовершенствованной МКС с двумя контактными группами и исследование её применения в сельских электрических сетях 0,4 кВ.

Степень разработанности темы. Проблемам повышения надёжности электроснабжения сельских потребителей и защищённости электрических сетей 0,4 кВ посвящены работы И.А. Будзко, Т.Б. Лещинской, В.Л. Осокина, С.В. Кириллова и других учёных. В работах П.И. Спевакова, И.О. Егорушкина, А.М. Ершова, А.И. Сидорова рассматриваются вопросы повышения защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ от ОКЗ, Р.Г. Валеевым, Я.Л. Верховским, Judith Palfi предложено использование неавтоматизированных, а в работах А.В. Виноградовой, А.В. Виноградова -автоматизированных средств секционирования электрических сетей 0,4 кВ для обеспечения защиты от удалённых коротких замыканий (КЗ), повышения надёжности электроснабжения потребителей. Предложено использование для секционирования ЛЭП 0,4 кВ с отпайками устройств МКС. Однако указанными авторами не проведено моделирование режимов работы электрических сетей с отпайками, оснащённых средствами секционирования, позволяющее выявлять и распознавать различные виды аварийных режимов и участки ЛЭП, на которых они возникают. Предложенные конструкции и схемы МКС не предполагают вывода из работы микроконтроллерного блока управления для технического обслуживания без перерыва электроснабжения потребителей, алгоритмы их работы имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью использования значений напряжения в точке установки МКС для распознавания аварийных режимов. Не имелось достаточного

производственного опыта эксплуатации МКС, позволяющего выявить надёжность устройств и предложить их усовершенствование.

Объект исследований: сельские электрические сети 0,4 кВ, содержащие ЛЭП с отпайками.

Предмет исследований: электрические параметры режимов работы и показатели надёжности сельских электрических сетей 0,4 кВ при секционировании ЛЭП с отпайками с помощью мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами.

Целью работы является повышение надёжности электроснабжения сельских потребителей и защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ от аварийных режимов за счёт разработки устройства, секционирующего линии с отпайками - мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать необходимость секционирования сельских электрических сетей 0,4 кВ с помощью мультиконтактных коммутационных систем;

- выполнить математическое, компьютерное и физическое моделирование режимов работы сельских электрических сетей 0,4 кВ, секционированных мультиконтактной коммутационной системой с двумя контактными группами;

- разработать способ выявления вида и места возникновения аварийного режима, защиты сельской электрической сети 0,4 кВ с применением мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами и алгоритм его реализации;

- разработать опытный образец устройства МКС-2-3В(У), произвести его лабораторные и производственные испытания;

- привести технико-экономическое обоснование применения устройства МКС-2-3В(У).

Методы исследования. При проведении исследования использовались методы патентного поиска, литературного обзора, математического, компьютерного, физического моделирования, методы теоретических основ электротехники, методы эмпирических исследований, инженерного эксперимента, натурных испытаний, методы технико-экономического обоснования.

Научная новизна заключается в:

- разработанных компьютерной и физической моделях, результатах компьютерного и физического моделирования электрических параметров режимов работы сельской электрической сети с отпайкой и устройством секционирования;

- разработанном способе защиты линии электропередачи 0,4 кВ с отпайкой от коротких замыканий, выявления вида короткого замыкания и участка линии, на котором оно произошло, алгоритме его реализации;

- разработанном устройстве секционирования МКС-2-3В(У), оснащённом средствами мониторинга и выявления режимов работы, вида и места возникновения короткого замыкания, возможностью обслуживания микроконтроллерного блока устройства без отключения потребителей, результатах его опытно-промышленной эксплуатации.

Теоретическая значимость заключается в разработанных способах, алгоритмах и технических средствах защиты ЛЭП с отпайками от аварийных режимов на основе мониторинга значений тока и напряжения в точках установки устройств секционирования. Теоретические исследования вносят вклад в исследование режимов работы электрических сетей 0,4 кВ и могут быть использованы при подготовке специалистов энергетических и агроинженерных профилей. Получены 4 патента на разработанное устройство и 1 патент на способ (Приложение А).

Практическая значимость. Применение разработанного способа защиты ЛЭП 0,4 кВ с отпайкой от КЗ, выявления вида КЗ и участка линии, на котором оно произошло, и реализующего его устройства секционирования

МКС-2-3В(У) позволяет повысить надёжность электроснабжения и защищённость сельских электрических сетей 0,4 кВ от КЗ. Использование устройства МКС-2-3В(У) также позволяет предотвратить необоснованное отключение потребителей при плановом обслуживании сети 0,4 кВ.

Разработанное устройство внедрено в электрической сети 0,4 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» в рамках гранта от Фонда содействия инновациям по договору №17749ГУ/2022 от 13 мая 2022 года. Устройство получило положительную оценку на техническом совете электросетевой компании и рекомендовано к применению в электрических сетях 0,4 кВ филиалов ПАО «Россети Центр» и ПАО «Россети Центр и Приволжье».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные компьютерная и физическая модели позволяют получать достоверные результаты компьютерного и физического моделирования электрических параметров режимов работы сельской электрической сети 0,4 кВ с отпайкой и устройством секционирования, необходимые для идентификации исследуемых режимов.

2. Разработанный способ защиты ЛЭП 0,4 кВ с отпайкой от коротких замыканий, выявления вида короткого замыкания и участка линии, на котором оно произошло, а также алгоритм его реализации позволяют повысить защищённость ЛЭП 0,4 кВ и надёжность электроснабжения сельских потребителей.

3. Разработано устройство секционирования МКС-2-3В(У), предназначенное для повышения надёжности электроснабжения сельских потребителей и защищённости ЛЭП 0,4 кВ за счёт выявления режимов работы, вида и места возникновения короткого замыкания, обеспечения возможности обслуживания микроконтроллерного блока устройства без отключения потребителей.

Реализация результатов исследования. Изготовленное устройство секционирования МКС-2-3В(У) прошло опытную эксплуатацию и внедрено в

сельской электрической сети 0,4 кВ в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго», а также в классе цифровизации сельских электрических сетей и в учебном процессе в ФГБОУ ВО Орловском ГАУ, в лаборатории электроснабжения, электрооборудования и возобновляемой энергетики ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. В рамках исследования выполнен грант от Фонда содействия инновациям по договору №17749ГУ/2022 от 13 мая 2022 года. Разработанные компьютерная и физическая модели внедрены в лаборатории электроснабжения, электрооборудования и возобновляемой энергетики ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.

Вклад автора состоит в формулировании цели и задач исследований, непосредственном участии в проведении теоретических исследований, разработке компьютерной и физической моделей электрической сети и исследовании режимов её работы с их применением, обработке полученных результатов, разработке опытного образца устройства, планировании, проведении и обработке результатов лабораторных и производственных испытаний, опытной эксплуатации разработанного устройства, апробации результатов исследований, написании диссертации, подготовке публикаций по выполненной работе.

Достоверность результатов подтверждена: сопоставимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; использованием традиционных методических принципов современной науки и известных методов анализа и синтеза; непротиворечивостью математических выкладок и преобразований.

Апробация. Основные материалы и результаты научной работы докладывались и получили одобрение на: Международных научно-технических конференциях в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, ФГБОУ ВО Орловский ГАУ в 2021-2025 годах, ФГБОУ НИУ МЭИ в 2022-2025 годах, ФГБОУ ВО Тамбовский ГТУ в 2021-2022 годах, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА в 2022 году, ФГБОУ ВО Липецкий ГТУ в 2021-2024 годах. Тема исследования поддержана рекомендательными письмами электросетевых компаний - исполнительным

аппаратом ПАО «Россети Центр» и филиалом ПАО «Россети Центр и Приволжье»-«Тулэнерго», Ассоциацией развития возобновляемой энергетики РФ, Правительством Орловской области, коммерческими компаниями ООО «Электросвет» и ООО «ЭнерГарант» (Приложение Б). Разработанное устройство получило медаль на XXIII выставке «Золотая осень 2021» в Москве. По теме исследования получено 2 медали РАН с премией согласно Постановлениям президиума РАН №93 от 16 июня 2020 года и №96 от 25 мая 2021 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 научных статей, в том числе 13 работ в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 статьи индексируются в базе данных Scopus, 2 монографии, получено 4 патента на устройство и 1 патент на способ, выполнен отчёт о НИОКР.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 14 приложений. Диссертация изложена на 215 страницах, включает 27 рисунков, 24 таблицы и 203 наименования источников литературы.

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 0,4 кВ

1.1 Характеристика сельских электрических сетей 0,4 кВ и их особенностей на примере Орловской области

Характеристика сельских электрических сетей 0,4 кВ была рассмотрена на примере Орловской области. В настоящее время территория Орловской области занимает площадь 24,7 тыс. км2 с численностью населения 0,686 млн человек и включает в себя 24 административных района [62].

На территории Орловской области функционирует филиал ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», осуществляющий эксплуатацию воздушных линий электропередачи 0,4 кВ, расположенных на территории Орловской области. Активы филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» характеризуются следующими техническими и эксплуатационными показателями [27], [29]:

- суммарная протяженность линий электропередачи (ЛЭП) по всем классам напряжения: 26485,34 км;

- суммарное количество линий электропередачи (ЛЭП) по всем классам напряжения: 12238 единиц;

- протяженность воздушных линий (ВЛ) 0,4 кВ: 10829,24 км;

- количество ВЛ 0,4 кВ: 11031 единица;

- количество трансформаторных подстанций (ТП) 6-10 кВ: 5801 единица;

- установленная мощность ТП 6-10 кВ: 921,2 МВА;

- износ основных фондов: 78,23%.

Протяженность сельских электрических сетей 0,4 кВ в Орловской области составляет 41% от общей протяжённости воздушных линий электропередачи по всем классам напряжения в регионе. При этом количество воздушных линий 0,4 кВ составляет 90% от общего количества ВЛ по всем классам напряжения (11031 линий из 12238) [47]. В Челябинской области суммарная протяженность воздушных линий электропередачи 0,4 кВ

составляет 13000 км при их общем количестве 20250 единиц, а средняя протяженность - 640 метров [80], [173]. В 20 регионах Центрального и Приволжского федеральных округов РФ наибольшая протяженность сельских электрических сетей 0,4 кВ характерна для Орловской области со значением 985 метров [22], а наименьшая - для Кировской со значением 737 метров. Среднее значение по регионам - 787 метров [47], [170], что превышает установленные Правилами устройства электроустановок требования протяжённости не более 500 метров [160].

Рассмотрим особенности сельских электрических сетей 0,4 кВ, к которым относятся: типы питающих трансформаторов, типы и сечения проводов, а также типы защитных коммутационных аппаратов.

Сельские электрические сети, расположенные на территории Орловской области, преимущественно питаются от понижающих трансформаторных подстанций (ТП) 6-10/0,4 кВ [129]. В ТП 6-10/0,4 кВ установлено 6206 силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ. Наиболее часто используемые мощности 63 кВА, 100 кВА, 160 кВА, 250 кВА, которых, соответственно, 853, 1454, 1252 и 802 единицы от общего парка трансформаторов [112]. В Челябинской области средняя мощность трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ составляет 200-250 кВА [173]. При этом по 20 регионам ЦФО и ПФО РФ среднее значение мощности силового трансформатора 10/0,4 кВ - 200 кВА [47]. В парке больше всего (4528 единицы, т.е. 73%) трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулевым проводом и нулевой группой соединения обмоток» [112]. Данная схема и группа соединения обмоток характеризуется наименьшими значениями токов однофазного короткого замыкания на стороне 0,4 кВ по сравнению с другими, что приводит к низкой чувствительности тока аварийного режима защитным коммутационным аппаратом 0,4 кВ [26]. При этом 74% от общего количества силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ сельских электрических сетей Орловской области работают с коэффициентом загрузки не более 20% [21].

В Орловской области наиболее часто используемыми типами проводов являются неизолированные алюминиевые провода сечением 25 мм2 (А-25) и 35 мм2 (А-35), которые составляют по 27% от общей протяженности по региону [22]. В настоящее время самонесущим изолированным проводом выполнено 3513,47 км сельских электрических сетей 0,4 кВ филиала «Орелэнерго», что составляет 32% от общей протяженности [62].

Среди 11031 воздушной линии электропередачи 0,4 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орёлэнерго» 3476 линий защищены плавкими предохранителями (1111), а 7555 - автоматическими выключателями (АВ). Современные автоматические выключатели с микропроцессорным расцепителем типа OptiMat производства КЭАЗ составляют 5,45% (412 единиц) от общего количества [94]. Для оценки эффективности защиты линий электропередачи 0,4 кВ были произведены замеры токов однофазного короткого замыкания (ОКЗ) на 7195 ВЛ 0,4 кВ. Из них 7103 единицы (98%) не удовлетворяют требованию по чувствительности защитного коммутационного аппарата к току ОКЗ [102].

Указанные особенности сельских электрических сетей 0,4 кВ в совокупности приводят к следующим проблемам:

1) к низкой надежности электроснабжения, проявляющейся в длительных перерывах в электроснабжении потребителей, которые превышают 72 часа в год, что является нарушением пункта 1.2.21 ПУЭ [160]. Это связано не только с физическим и моральным износом оборудования, но и с изменениями в порядке учета аварийных отключений, принятыми в 2021 году [48]. Всего в сельских электрических сетях 0,4 кВ Орловской области за 2018-2023 годы произошло 8682 аварийных отключения. Наиболее значимые причины аварийных отключений сельских электрических сетей 0,4 кВ: отключения по вине потребителя, перегорание предохранителей, схлестывание проводов, обрыв проводов [49], [51]. С учётом протяжённости сельских электрических сетей 0,4 кВ поток отказов на 100 км линий 0,4 кВ составил 29/год-1, среднее значение на одно отключение составляет 0,0009

МВт. Удельное значение недоотпуска электроэнергии на одного потребителя в год по аварийным отключениям составило 1,0.. .5,7 МВтч/потр. [61]. Низкая надёжность электроснабжения приводит к отключению более 20 тысяч потребителей ежегодно и недоотпуску электроэнергии им в объёме более 52 МВт-ч в год [61]. Это, в свою очередь, приводит к более, чем 330 жалобам потребителей на отключения в центр обращения электросетевой компании [8], [20]. Схлёстывание проводов стало причиной 14% перерывов в электроснабжении потребителей за рассматриваемый период [57], [59], [60]. В свою очередь, в Польше за 10-летний период среди 10458 аварийных отключений электрических сетей 0,4 кВ схлёстывание проводов стало причиной 15% перерывов в электроснабжении потребителей [184];

2) к низким значениям токов однофазных коротких замыканий, что приводит к невозможности отключения тока аварийного режима защитным коммутационным аппаратом за установленные пунктом 1.7.79 ПУЭ [160] 0,4 с для фазного напряжения 220 В.

Отмеченные проблемы обосновывают актуальность разработки способов и технических средств сетевого секционирования для повышения надежности электроснабжения сельских потребителей и защищённости линий электропередачи 0,4 кВ от однофазных коротких замыканий.

1.2 Анализ конфигурации сельских электрических сетей 0,4 кВ и обоснование необходимости применения мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами

Повышение надёжности электроснабжения потребителей и защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ можно обеспечить путем секционирования линий электропередачи 0,4 кВ. Решить данную задачу можно путём разработки современного высокоавтоматизированного устройства секционирования - мультконтактной коммутационной системы с двумя вакуумными контакторами, имеющими общую точку соединения, и тремя выводами [35], [36].

В работах [22], [47] был произведён анализ конфигурации сельских электрических сетей 0,4 кВ на примере Орловской области.

Выявлено, что в регионе эксплуатируется 11031 воздушная линия электропередачи напряжением 0,4 кВ суммарной протяжённостью 10829 км, что составляет 41% от протяжённости воздушных линий 0,4 кВ всех классов напряжения в регионе. Средняя протяжённость до наиболее удалённой точки сети составляет 985 м, что практически в 2 раза превышает рекомендуемую Правилами устройства электроустановок [22], [47], [160].

Анализ типов проводов сельских электрических сетей 0,4 кВ Орловской области представлен на рисунке 1.1 [22].

Рисунок 1.1 - Типы и сечения неизолированных проводов, используемых на

ВЛ 0,4 кВ Орловской области

В Орловской области наиболее часто используемыми типами проводов являются неизолированные алюминиевые провода сечением 25 мм2 (А-25) и 35 мм2 (А-35), которые составляют по 27% от общей протяженности по региону [22]. Доля самонесущих изолированных проводов (СИП) составляет

32% от общей протяжённости сельских электрических сетей 0,4 кВ в регионе [62]. Недостаточное использование СИП в сельских электрических сетях 0,4 кВ является одной из причин высокой аварийности по причинам схлёстывания проводов и падения на них веток и деревьев.

В среднем от одной трансформаторной подстанции 6-10/0,4 кВ отходят 2 воздушных линии электропередачи 0,4 кВ, а к одной линии электропередачи 0,4 кВ подключено 2-3 отпайки [22]. При этом наибольшее количество сельских электрических сетей 0,4 кВ имеет одну отпайку, что составляет 14% от общего количества сельских электрических сетей 0,4 кВ в регионе [22]. Таким образом, количество сельских электрических сетей 0,4 кВ Орловской области, для которых подойдёт к использованию мультиконтаткная коммутационная система с двумя контактными группами, имеющими общую точку соединения, составляет не менее, чем 1544 единицы. При этом для 90% сельских линий электропередачи 0,4 кВ с большим количеством отпаек характерно наличие одной отпайки от магистрали в каждой из точек, где подключены отпайки [22]. Данные положения обосновывают актуальность применения мультиконтактной коммутационной системы с двумя контактными группами, имеющими общую точку соединения, и тремя выводами [36]. Использование данного устройства позволит осуществлять секционирование магистрального участка сельской электрической сети 0,4 кВ и отпайки.

В таблице 1.1 в процентном соотношении представлено количество сельских электрических сетей 0,4 кВ Орловской области имеющих от 1 до 5 отпаек [22].

Следует отметить, что в таблице 1.1 не рассмотрены сельские электрические сети 0,4 кВ с числом отпаек от магистрали более 5, так как их доля в процентном соотношении от общего количества не превышает 3-4% [22].

В результате проведённого анализа было выявлено, что 85% потребителей представлены сельскими коммунально-бытовыми потребителями, а остальные - производственными.

Таблица 1.1 — Количество электрических сетей 0,4 кВ с отпайками в Орловской области

№ п/п Тип сельской электрической сети 0,4 кВ В процентах от общего количества сетей 0,4 кВ в регионе, %

1 Радиальная ВЛ 0,4 кВ (без отпаек) 35

2 ВЛ 0,4 кВ с 1-ой отпайкой 14

3 ВЛ 0,4 кВ с 2-мя отпайками 11

4 ВЛ 0,4 кВ с 3-мя отпайками 9

5 ВЛ 0,4 кВ с 4-мя отпайками 9

6 ВЛ 0,4 кВ с 5-ю отпайками 5

Среднее количество потребителей на километр сельской электрической сети 0,4 кВ составляет 14 [22]. При этом средние мощности на 1 км линии электропередачи 0,4 кВ варьируются в зависимости от номинальной мощности силового трансформатора. Например, для трансформатора 250 кВА мощность потребителей, подключенных к 1 км линии электропередачи 0,4 кВ составляет 16-32 кВт [28].

1.3 Анализ способов и средств повышения защищённости электрических сетей 0,4 кВ и надёжности электроснабжения сельских потребителей

В работе [14] предложена классификация существующих технических средств защиты сельских электрических сетей 0,4 кВ, к которым относятся:

1) токовые защиты, реагирующие на токи, протекающие по фазным проводам воздушной линии;

2) защиты, реагирующие на ток, протекающие по нулевому проводу воздушной линии;

3) защиты, реагирующие на различные виды дифференциальных токов воздушной линии;

4) защиты, реагирующие на переходные и установившиеся процессы, протекающие в электрической сети при возникновении однофазных коротких замыканий.

К первой группе, согласно классификации, относятся защиты, реагирующие на сверхтоки, протекающие по фазным проводам [14]. Наиболее проработанным решением по защите электрических сетей 0,4 кВ от свертоков, протекающих, по фазным проводам является использование плавких предохранителей и автоматических выключателей, которые отличаются низкими затратами при их использовании [14]. Но недостатком плавких предохранителей и автоматических выключателей является то, что они позволяют защитить только первые 150-300 метров воздушной линии электропередачи 0,4 кВ от тока аварийного режима однофазного короткого замыкания [14], [78], [166], [172].

Впервые решение проблемы повышения защищённости сельских электрических сетей 0,4 кВ от ОКЗ было предложено более 80 лет назад Спеваковым П.И. [165], который обосновал необходимость использования плавких предохранителей и автоматических выключателей вдоль электрической сети 0,4 кВ [102].

Структурная схема предлагаемого решения представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Секционирование воздушной линии электропередачи 0,4 кВ

плавкими предохранителями

На протяжении длительного периода времени учёными предлагались схожие технические решения. Например, учёными МЭИ: Гричевским Э.Я., Катковым П.А., Карпенко А.М., - предложено использовать автоматические выключатели серий АП50 и А3100 [69]. В настоящее время в

распределительных устройствах 0,4 кВ трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ Орловской области установлено 89 автоматических выключаталей типа А3100 и 121 типа АП50 среди общего количества 7555 автоматических выключателей 0,4 кВ [62].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лансберг Александр Александрович, 2026 год

Источник данных

5. Формы фиксации результатов действий при проведении опытно-промышленной эксплуатации.

В ходе ОПЭ заполняются формы контроля, приведённые в приложениях № 1, 2 к настоящей Программе с использованием исходных данных, обозначенных в таблице 3.2 настоящей Программы.

Результаты осмотров устройства МКС-2-ЗВ в процессе ОПЭ заносятся в журнал дефектов и неполадок в соответствии с классификацией дефектов, приведенных табл. 3.1 настоящей Программы.

6. Ответственные за проведение и оформление результатов опытно-промышленной эксплуатации

Таблица 6.1. Состав ответственных

№ п/п Наименование должности Роль Функционал

1 Начальник управления технологического развития и цифровизации Бобровский В.И. Участник комиссии 1. Организация и общий контроль проведения ОПЭ МКС-2-ЗВ.

2 Главный инженер Орловского РЭС Сечин А.Ю. Участник комиссии 1. Установка устройства МКС-2-ЗВ на анкерной опоре ВЛ 0,4 кВ в указанном месте. При необходимости заменить опору ВЛ 0,4 кВ, на которую устанавливается устройство МКС-2-ЗВ. 2. Организация ОПЭ устройства МКС-2-ЗВ персоналом РЭС (Диспетчер РЭС, ОВБ РЭС, электромонтеры РЭС). 3. Организация контроля работы устройства МКС 2-3 В с учетом таблицы 4.1 настоящей Программы. 4. Организация заполнения приложений №1 и №2 к настоящей Программе. 5. Организация ведения осмотров устройства МКС-2-ЗВ с оформлением результатов в журнал дефектов и неполадок.

3 Начальник управления корпоративных и тех нологических автоматизированных систем управления Багров В.В. Участник комиссии 1. Организация заведения сигналов с устройства МКС-2-ЗВ в ЦППС филиала. 2. Организация проверки прохождения сигналов с устройства МКС-2-ЗВ с их имитацией на месте установки (предварительные испытания), устранение замечаний при выявлении.

210

ПРИЛОЖЕНИЕ М Заключение о результатах опытно-промышленной эксплуатации

устройства МКС-2-3В(У)

ПАО «Р

«утверждаю»

[еститель директора -1иый инженер филиала Центр» - «Орелэнерго» Д.В. Константинов 2025г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

о результатах проведения ОПЭ в филиале ПАО «Россети Центр» -«Орелэнерго»

«Устройство секционирования ВЛ 0,4 кВ

(мультиконтактная коммутационная система типа МКС-2-ЗВ)»

(наименование устройства, оборудования, системы)

ООО «Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

(наименование производителя или разработчика)

Договор № 5700/00980/23 от 20.03.2023

(реквизиты договора ОПЭ)

Орловский район электрических сетей

филиала ПАО «Россети Центр» - «Орелэнерго»

_ВЛ 0,4 кВ №1 (опора №1-3) КТП 10/0,4 кВ Зв-З-2 (400 кВА)

(наименование объекта электрических сетей)

Комиссия по проведению ОПЭ, назначенная приказом филиала ПАО «Россети Центр» - «Орелэнерго» №321-ОР от 13.06.2023, ознакомилась со следующими отчетными документами по результатам проведения опытно-промышленной эксплуатации:

Акт приема-передачи оборудования ООО «Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»;

Техническая документация;

Программа опытно-промышленной эксплуатации;

Журнал учета проведения опытно-промышленной эксплуатации.

Замечания но предоставленной отчетной документации отсутствуют.

Заключение о результатах опытно-промышленной эксплуатации:

На основании анализа представленных документов, осмотра, установленного в ОПЭ оборудования, результатов опробования оборудования под напряжением (нагрузкой) в течение 48 часов и ОПЭ установлено соответствие заявленных характеристик оборудования фактическим, а именно:

- измерение значений токов в магистрали и отпайке ЛЭП;

- измерение значений напряжений на выводах;

управление двумя независимыми коммутационными аппаратами;

- выполнение функции автоматического повторного включения (АПВ);

- автоматическое отключение коммутационных аппаратов при исчезновении напряжения на вводе;

- автоматическое включение коммутационных аппаратов при появлении напряжения на вводе;

- автоматическое отключение коммутационных аппаратов при превышении заданных токовых уставок;

- обмен данными по интерфейсу 115-485; передача данных по протоколу МоёЫк И/Ш;

- отображение символьных данных на дисплее микроконтроллерного блока управления МКС-2-ЗВ;

- запись основных измеренных параметров на внешний накопитель:

- передача данных по протоколу МоЛив ЯТО;

- ручное включение/отключение коммутационных аппаратов с помощью клавиатуры микроконгроллерного блока управления;

диспетчерское включение/отключение коммутационных аппаратов;

- ручная и диспетчерская настройка параметров контроллера:

- сохранение значений конфигурационных параметров в энергонезависимой памяти микроконтроллерног о блока управления.

На основании вышеизложенного оборудование успешно прошло ОПЭ с 21.04.2023 г. по 21.01.2025 (ОПЭ продлена протоколом ТС филиала № 56 от 23.05.2024).

Оборудование рекомендуется для дальнейшей эксплуатации.

Услуга по проведению опытно-промышленной эксплуатации оборудования в соответствии с Договором № 5700/00980/23 от «20» марта 2023 г. оказана в полном объеме и в установленные сроки.

Наименование должности Подпись Дата Ф.И.О.

Председатель комиссии Заместитель главного инженера по управлению производственными активами Колесников П.А.

Член комиссии Начальник УРС у// Юрусов МА.

Член комиссии Начальник УТРиЦ — и.л 2S.C4 2ÖZS Бобровский В.И.

Член комиссии Начальник Службы эксплуатации средств диспетчерского и технологического управления и информационных технологий Минаков Р.И.

Член комиссии Начальник Орловского РЭС О ¿о с к ¿¿г Пчельников A.B.

212

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Перечень электрооборудования для изготовления устройства

МКС-2-3В(У)

Таблица Н.1 - Спецификация оборудования для изготовления устройства МКС-2-3В(У)

№ п/п Наименование оборудования Количество, шт. Цена за единицу, руб. Общая стоимость, руб.

1 Щит ЩМП-4-0 (800x600x250) IP 65 GARANT ИЭК YKM40-04-65 1 10876 10876

2 Микронтроллерный блок управления, в том числе: 1 15091 15091

2.1 3.5 TFT дисплей Ultra HD 320X480 для MEGA 2560 R3 1 1349 1349

2.2 MEGA 2560 R3 (Arduino совместимый контроллер) 1 1330 1330

2.3 Адаптер питания AC/DC, 9 В, 2 А 1 266 266

2.4 Датчик переменного напряжения ZMPT101B 266 2394

2.5 Защитная плата BMS/PCM 2S Li-Ion 7,4 В, 8,4 В, 18650 (4,28-2,9 В; 3 A), FDC-2S-2 1 95 95

2.6 Кабель-переходник pigtail IPX - SMA 1 104,5 104,5

2.7 Модуль GSM/GPRS SIM800L 1 320 320

2.8 Модуль MicroSD карты 1 104,5 104,5

2.9 Модуль часов реального времени DS3231 1 171 171

2.10 Неинвазивный датчик переменного тока SCT-013-000 YHDC 100A/50mA 551 3306

2.11 Понижающий DC-DC преобразователь LM2596 1 104,5 104,5

2.12 Понижающий DC-DC преобразователь XL4015 1 161,5 161,5

2.13 Угловая SMA антенна для GSMмодулей SIM800L/SIM900 1 104,5 104,5

2.14 CNY74-4H, Оптоизолятор 5,3 кВ, транзисторная оптопара, 4-канальная [DIP-16] \ Vishay 1 49,17 49,17

2.15 К10-17Б имп., 0,1 мкФ X7R, 10%, 0805, RDER71H104K, Конденсатор керамический выводнойMurata 5 10 50

2.16 К73-17 имп., 0,047 мкФ, 630 В, 5%, MKP BOXED, B32652A6473J000, Конденсатор металлоплёночный \EPCOS 2 12,5 25

2.17 ECAP (К50-35), 10 мкФ, 16 В, 105 °C, 20%, 5x11мм Р:2мм, Конденсатор электролитический алюминиевый \JB 9 4.17 37,5

2.18 CF-25 (С 1-4) 0,25 Вт, 33 Ом, 5%, Резистор углеродистый\Тайвань 20 2,5 50

2.19 M0-200 (С2-23) 2 Вт, 47 кОм, 5%, Резистор металлооксидный\Тайвань 20 5 100

2.20 CF-50 (С 1-4) 0,5 Вт, 10 кОм, 5%, Резистор углеродистый\Тайвань 20 3,33 66,67

2.21 CF-25 (С 1-4) 0,25 Вт, 1 кОм, 5%, Резистор углеродистый\Тайвань 20 2,5 50

Продолжение таблицы Н. 1

2.22 CF-25 (С 1-4) 0,25 Вт, 10 кОм, 5%, Резистор углеродистый\Тайвань 20 2,5 50

2.23 1N4007, Диод выпрямительный 1А 1000В [DO-41] \ Diotec 4 3,33 13,33

2.24 BC547A, Транзистор NPN45В 0,1 А 0,63 Вт [TO-92 Ammo] \ Diotec 4 3,33 13,33

2.25 MRS-101A-2C3 (SWR-41), Переключатель черный ON-OFF (6 A 250 VAC) SPST 2PJietong Switch 2 35,84 71,67

2.26 36-3330, Выключатель-кнопка металл 220 V2 А (2с) (ON)-OFF 0 10.2 черная MiniRexant 10 27,75 277,5

2.27 9-1393239-1 (RT314005), Реле 5 VDC 1пер. 16 A/250 VAC\TE Connectivity 4 233,33 933,33

2.28 305-031-12 (TB-02B), Клеммник 3-контактный, 5 мм, прямой \Xinya 12 24,17 290

2.29 FR4 150х250мм 35/35 (1.5 мм, 35 мкм), Стеклотекстолит, Стеклотекстолит 2-сторонний, фольгированныйКитай 1 575 575

2.30 FC1-5211 (TBH-18650-1A-P), Батарейный отсек 1x18650\KLS 4 59,17 236,67

2.31 INDUSTRIAL ICR18650 2200 mAh, Аккумулятор промышленный Li-Ion, 3.7 V (1шт.) \ Китай 4 266,67 1066,67

2.32 PETG-пластик 1.75 мм (1 кг) Темно-серый, Пластик для 3D принтера \BESTFILAMENT 1 1325 1325

3 Контактор вакуумный КВТ 1,14-2,5/160, 230В, In=5 /0,5A, 2з+2р 2 5498 10996

4 Выключатель нагрузки ВН-32 3Р 100А ИЭК 2 778 1556

5 Выключатель нагрузки IEK ВН-32 40А/2П ИЭК MNV10-2-040 2 360 720

6 Автоматический выключатель IEK ВА47-150, 3Р, 125А, 15кА, характеристика D MVA50-3-125-D 1 4716 4716

7 Авт. выкл. ВА47-29 1Р 10А 4,5кА х-ка С ИЭК 1 163 163

8 Микроконтроллер для связи (Роутер iRZ RU21W) 1 15014 15014

9 Лампа сигн.AD22DS 230В белая матр. d22 мм (LED) ИЭК 60,12 1 60,12

10 Лампа сигн.AD22DS 230В желтая матр. d22 мм (LED) ИЭК 58,37 3 175,11

11 Лампа сигн.AD22DS 230В зеленая матр. d22 мм (LED) ИЭК 60,12 3 180,36

12 Лампа CTra.AD22DS 230В красная матр. d22 мм (LED) ИЭК 60,12 3 180,36

14 Разрядник IEK OnC1-D, 1P, ИЭК, M0P20-1-D 1111 1 1111

15 Материал для монтажа (шины, опорные изоляторы, провода ПУГВ, наконечники концевые, штыревые типов НКИ, НШВИ и КВТ, термоусадочная маркировка, нейлоновые стяжки, клейкие плашки, болты, гайки, шайбы, саморезы) 5000 1 5000

Общая стоимость оборудования для реализации устройства 65839

214

ПРИЛОЖЕНИЕ П Сведения об аварийных отключениях исследуемой сельской

электрической сети 0,4 кВ

Таблица П.1 - Сведения об аварийных отключениях электрической сети 0,4 кВ

№ п/п Дата отказа Время Время восстановления Продолжительность отказа Причина

отказа питания по времени в долях отказа

Отключение

1 16.02.2019 12:16 13:54 1 ч 38 мин 1,63 ч АВ 0,4 кВ, успешное РПВ

Отключение

2 24.02.2019 16:25 17:56 1 ч 31 мин 1,52 ч АВ 0,4 кВ, успешное РПВ

Отключение

АВ 0,4 кВ,

3 06.03.2019 11:44 14:26 2 ч 42 мин 2,7 ч РПВ неуспешное, схлест проводов

Отключение

4 28.06.2019 08:23 09:26 1 ч 3 мин 1,05 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

5 09.02.2017 04:59 11:20 6 ч 21 мин 6,35 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

6 10.02.2017 22:15 05:19 7 ч 4 мин 7,07 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

7 28.07.2017 23:57 06:46 6 ч 49 мин 6,82 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

8 31.01.2016 13:45 14:54 1 ч 9 мин 1,15 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

9 02.02.2016 16:52 18:43 1 ч 51 мин 1,85 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

10 09.02.2016 04:59 05:20 21 мин 0,35 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

11 09.02.2016 22:15 23:20 1 ч 5 мин 1,08 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

Отключение

12 29.05.2016 18:13 21:40 3 ч 27 мин 3,45 ч АВ 0,4 кВ, РПВ успешное

215

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Сведения о плановых отключениях исследуемой сельской электрической сети 0,4 кВ

Таблица Р.1 - Сведения о плановых отключениях электрической сети 0,4 кВ

№ п/п Дата Время Время Продолжительность отключения Причина

отключения отключения восстановления питания по времени в долях отключения

Вырубка

1 04.04.2020 13:30 18:00 4 ч 30 мин 4,5 ч деревьев, перетяжка провода

2 25.05.2020 10:45 15:19 4 ч 34 мин 4,57 ч Технологическое присоединение

3 02.10.2020 22:50 02:37 3 ч 47 мин 3,78 ч Ремонт провода

4 03.10.2020 15:31 16:57 1 ч 26 мин 1,43 ч Монтаж провода

5 16.01.2019 12:57 15:37 2 ч 40 мин 2,67 ч Замена опор

6 18.01.2019 14:02 15:46 1 ч 44 мин 1,73 ч Монтаж провода

7 21.01.2019 15:42 17:28 1 ч 46 мин 1,77 ч Монтаж провода

8 23.01.2019 08:00 09:04 1 ч 4 мин 1,07 ч Монтаж провода

9 06.02.2019 10:14 15:28 5 ч 14 мин 5,23 ч Монтаж провода

10 11.02.2019 10:10 16:05 5 ч 55 мин 5,92 ч Ремонт провода

11 12.02.2019 08:30 15:54 7 ч 24 мин 7,4 ч Ремонт провода

12 25.05.2019 12:10 12:44 34 мин 0,57 ч Ремонт провода

13 22.02.2018 14:08 14:53 45 мин 0,75 ч Ремонт провода

14 24.07.2018 15:26 16:36 1 ч 10 мин 1,17 ч Ремонт провода

15 01.09.2018 13:07 13:39 32 мин 0,53 ч Монтаж провода

16 26.10.2018 08:40 18:12 9 ч 32 мин 9,53 ч Монтаж приборов учета

17 30.10.2018 09:07 17:54 8 ч 47 мин 8,78 ч Монтаж приборов учета

18 06.11.2018 09:24 17:38 8 ч 14 мин 8,23 ч Монтаж приборов учета

19 11.12.2018 11:33 13:36 2 ч 3 мин 2,05 ч Технологическое присоединение

20 03.02.2016 14:17 16:00 1 ч 43 мин 1,72 ч Перетяжка провода

21 28.07.2016 14:20 16:04 1 ч 44 мин 1,73 ч Ремонт провода

22 10.08.2016 12:11 16:13 4 ч 1 мин 4,02 ч Ремонт провода

23 13.09.2016 15:20 16:27 1 ч 7 мин 1,12 ч Технологическое присоединение

24 20.10.2016 12:50 16:26 3 ч 36 мин 3,6 ч Технологическое присоединение