Защита электрических сетей напряжением 380 В при однофазных коротких замыканиях

А. М. Ершов, А. И. Сидоров, Р. Г. Валеев  
ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ  
НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В  
ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ 
Монография 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.316(07) 
ББК 31.27 
Е80 
Рецензенты: 
Суворов И. Ф., доктор технических наук, профессор, 
профессор кафедры энергетики Забайкальского 
государственного университета; 
Кузнецов К. Б., доктор технических наук, профессор, 
профессор кафедрытехносферной безопасности Уральского 
государственного университета путей сообщения 
Е80 
Ершов, А. М.  
Защита электрических сетей напряжением 380 В при однофазных 
коротких замыканиях : монография / А. М. Ершов, А. И. Сидоров,  
Р. Г. Валеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 232 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-0611-6 
Рассмотрены вопросы повышения надёжности и обеспечения безопасности работы электрических сетей напряжением 380 В при однофазных коротких замыканиях. Описаны методы теоретических и экспериментальных исследований с использованием опытной электрической 
сети, физической и компьютерной моделей. Представлена новая методика расстановки средств защиты воздушной линии напряжением 380 В 
при однофазных коротких замыканиях путём её секционирования.  
Для эксплуатационного персонала и проектировщиков электрических сетей, научных работников, преподавателей и студентов. 
УДК 621.316(07) 
ББК 31.27 
ISBN 978-5-9729-0611-6 
© А. М. Ершов, А. И. Сидоров, Р. Г. Валеев, 2021 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 6 
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 
НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ  
КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ ............................................................................ 7 
2. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 
НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ  
КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ  ......................................................................... 11 
2.1. Токовые защиты, реагирующие на токи,  
протекающие по фазным проводам ............................................................. 11 
2.2. Защиты, реагирующие на ток,  
протекающий по нулевому проводу воздушной линии  
............................ 15 
2.3. Защиты, реагирующие на различные виды дифференциальных токов  
воздушной линии  .......................................................................................... 17 
2.4. Защиты, реагирующие на переходные и установившиеся процессы,  
протекающие в электрической сети  
при возникновении однофазных коротких замыканий 
.............................. 31 
 
3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В 
.................................. 39 
3.1. О методах и средствах исследования 
........................................................... 39 
3.2. Опытная электрическая сеть напряжением 10/0,38 кВ .............................. 41 
3.3. Физическая модель электрической сети ...................................................... 49 
3.4. Компьютерная модель электрической сети 
................................................. 58 
3.5. Возможные направления исследований в опытной электрической сети  
и на физической и компьютерных моделях ................................................ 67 
 
4. РАСЧЁТЫ ТОКОВ ОДНОФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ  
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В  
С ГЛУХО ЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ  
................................................. 71 
4.1. Обзор методов расчёта токов однофазного короткого замыкания ........... 71 
4.2. Расчёт тока металлического однофазного короткого замыкания  
методом симметричных составляющих  ..................................................... 72 
4.3. Анализ факторов, влияющих на величину тока однофазного 
короткого замыкания  
.................................................................................... 80 
4.4. Алгоритм расчёта тока однофазного короткого замыкания  
с учётом эффекта «теплового спада» и сопротивления дуги  
в месте замыкания 
.......................................................................................... 91 
3 
 

4.5. Пример расчёта минимального тока однофазного  
короткого замыкания  
.................................................................................... 93 
4.6. Исследование токов однофазного короткого замыкания на физической  
и компьютерной моделях  ............................................................................. 99 
4.7. Исследования токов однофазного короткого замыкания  
в опытной электрической сети 10/0,38 кВ 
................................................. 101 
4.8. Исследование распределения потенциала по нулевому проводу  
при ОКЗ в различных точках ВЛ-380 В..................................................... 112 
5. ЗАЩИТА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ
КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ ПУТЁМ ЕЁ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ .... 118 
5.1. Предпосылки создания защиты ВЛ-380 В при ОКЗ 
................................. 118 
5.2. Новая методика расчёта защиты воздушной линии электропередачи 
напряжением 380 В при однофазных коротких замыканиях  
(концепция построения защиты)  .............................................................. 123 
5.3. Рекомендации по расстановке защитных аппаратов 
................................ 132 
5.3.1. Критерии расчёта защиты при однофазных коротких  
замыканиях  ......................................................................................... 132 
5.3.2. Характерные схемы воздушных линий электрических сетей  
напряжением 380 В ............................................................................. 133 
5.3.3. Определение предельной длины зоны защиты  
воздушной линии по условию её защиты 
при однофазном коротком замыкании ............................................. 133 
5.3.4. Определение предельной длины секционированных зон  
защиты воздушной линии  ................................................................. 147 
5.3.5. Определение предельной длины воздушной линии  
по условию допустимой потери напряжения  
.................................. 155 
5.4. Примеры выбора секционирующих плавких предохранителей  
для защиты воздушных линий электрических сетей  
напряжением 380 В ...................................................................................... 163 
5.4.1. Расчёт защиты воздушной линии опытной электрической сети  
напряжением 380 В полигона ............................................................ 163 
5.4.2. Расчёт защиты воздушных линий напряжением 380 В  
села Селезян 
......................................................................................... 169 
5.4.3. Расчёт защиты воздушных линий напряжением 380 В  
села Кулуево ........................................................................................ 174 
5.5. Экспериментальная проверка разработанной методики расстановки  
токовых защит воздушных линий напряжением 380 В  
при однофазных коротких замыканиях ..................................................... 181 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 183 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 184 
4 

ПРИЛОЖЕНИЯ 
..................................................................................................... 191 
П1. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТОВ ТОКОВ  
КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 
......................................................................... 191 
П2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА ТОКА ОДНОФАЗНОГО  
КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ  
........................................................................ 210 
П3. РАСЧЁТНЫЕ КРИВЫЕ ТОКА МИНИМАЛЬНОГО  
ОДНОФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ......................................... 226 
5 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Наиболее частыми видами повреждения воздушных линий напряжением 
380 В являются возникающие несимметричные режимы работы, связанные с 
однофазными замыканиями вида «фаза – нуль» и «фаза – земля», а также обрывами фазных и нулевых проводов с падением их на землю, на крыши, гаражи, 
металлические заборы и т. д. Прикосновения людей и животных к оборванным 
и повисшим проводам или металлическим конструкциям, на которые упали 
провода, приводят к поражению их электрическим током. 
Несмотря на попытки решения этой проблемы в 60–80-е годы прошлого 
века, когда активно разрабатывались различного рода устройства защиты от 
возникающих несимметричных режимов работы ВЛ-380 В, получить какихлибо приемлемых результатов не удалось. В последние 30 лет этими вопросами 
вообще практически не занимались.  
Традиционно для защиты воздушных линий напряжением 380 В применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели, устанавливаемые, 
как правило, в начале линий в РУ-0,4 кВ трансформаторных подстанций 
напряжением 6–10/0,4 кВ. Однако эти токовые защиты обеспечивают отключение однофазных коротких замыканий на расстоянии от питающей трансформаторной подстанции не более 150–300 м. Далее линии оказываются беззащитными. 
Известно техническое решение, позволяющее расширить зоны действия 
защит – проводить секционирование воздушной линии на отдельные участки, 
устанавливая в их начале защитные аппараты. Но при этом не решены вопросы, 
во-первых, определения протяжённости разбиваемых участков, во-вторых, 
определения параметров устанавливаемых защитных аппаратов – плавких 
предохранителей и автоматических выключателей. 
Изложенное выше послужило поводом для разработки методики определения протяжённости участков секционируемой ВЛ-380 В и выбора параметров 
плавких предохранителей и автоматических выключателей, устанавливаемых  
в начале секционируемых участков. 
 
6 
 

 
 
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЗАЩИТЫ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 380 В  
ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ 
 
Общая характеристика воздушных линий напряжением 380 В 
Электроснабжение городских посёлков с малоэтажной застройкой и сельских потребителей осуществляется, в основном, по воздушным линиям электропередачи напряжением 380 В (ВЛ-380 В), которые подключаются к трансформаторным подстанциям (ТП) напряжением 6–10/0,4 кВ, имеющих силовые 
трансформаторы со схемами соединения обмоток «треугольник – звезда с нулём», «звезда – звезда с нулём» или «звезда – зигзаг с нулём». ВЛ-380 В выполняются, как правило, воздушными, четырёхпроводными с многократным заземлением нулевого провода линий (с повторными заземлениями). Наряду с 
трёхфазными потребителями, электрические сети питают большое число однофазных электроприёмников. Последнее обусловливает несимметрию токов по 
фазам ВЛ-380 В и наличие, в связи с этим, тока в нулевом проводе, достигающего значения до 50 % от рабочего фазного тока, а иногда и более. Ток нулевого провода через повторные заземления частично стекает в землю и возвращается через заземляющее устройство питающей ТП в нейтраль вторичной обмотки силового трансформатора. 
Следует отметить, что практически все ВЛ-380 В, выполненные неизолированными проводами, представляют собой электрическую сеть с совмещённым нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками, т. е. систему TN-С 
[68]. Перевод электрической сети системы ТN-C в пятипроводную, т. е. систему 
TN-S является достаточно дорогим и затяжным мероприятием, т. к. общая протяжённость сетей TN-C достаточно большая.  
Электрические сети напряжением 380 В преимущественно питаются  
от понижающих подстанций 6–10/0,4 кВ с трансформаторами мощностью от 25 
до 630 кВÂА, при этом средняя мощность однотрансформаторной подстанции 
составляет 200–250 кВ·А [92].  
По данным [63] протяжённость электрических сетей напряжением 380 В 
по России составляет 771 тыс. км, что составляет 37,2 % от общей протяжённости электрических сетей напряжением 0,38–330 кВ. При этом 46 % ВЛ-380 В 
отработали 35 лет и более. 
В Челябинской области по данным на 2015 г. протяжённость ВЛ-380 В, 
располагающихся вдоль улиц и дорог, по населённым пунктам и территориям 
школ, детских садов, игровых площадок, составляла около 13 тыс. км при их 
количестве 20250 шт.; средняя длина ВЛ-380 В – 640 м [37]. 
Длина ВЛ-380 В зависит от ряда условий. До конца ХХ века, когда нагрузка на эти ВЛ была относительно небольшой, длина действующих ВЛ увеличивалась по мере строительства новых домов и могла достигать до 1,5–2 км. Но  
с последующим значительным увеличением электропотребления стали расти 
7 
 

 
потери напряжения в ВЛ, что обусловило необходимость уменьшения длины – 
начали строить дополнительные ТП. 
В современных условиях требованиями «Технической политики» сначала 
МРСК, а потом и ПАО «Россети» [62] длина воздушных линий напряжением 
380 В была ограничена 500 м. 
В районах коттеджной застройки, когда потребляемая мощность достигает 
25–50 кВт, начали строить сети, в которых мощность устанавливаемых трансформаторов составляет 40–100 кВ·А, а длина ВЛ-380 В не превышает  
100–200 м.  
Воздушные линии напряжением 380 В являются наименее надёжным звеном в системе электроснабжения городских посёлков и сельскохозяйственных 
потребителей. Анализ аварийной статистики по данным «Союзтехэнерго»  
и других источников информации показывает, что на 100 км электрических сетей напряжением 380 В приходится около 40–50 повреждений в год, причём 
около 62 % из них опасны для людей и животных [29, 76].  
Наряду с междуфазными короткими замыканиями (двух- и трёхфазными) в 
сетях возникают замыкания между фазным и нулевым проводами (однофазное 
короткое замыкание – ОКЗ), замыкание фазного провода на «землю» (однофазное замыкание на землю – ОЗЗ), а также обрывы фазных и нулевых проводов 
линий. Указанные повреждения сопровождается появлением опасного потенциала на металлических конструкциях и частях оборудования, связанных с нулевым проводом, величина которого может привести к поражению электрическим током человека и животных. Кроме того, они могут приводить к перерывам электроснабжения потребителей и выходу из строя бытовых электроприёмников. 
В случае обрывов и замыкания любой из фаз на землю электропоражение 
происходит из-за случайного прикосновения к оборванным, лежащим на земле 
и находящимися под напряжением проводам линий электропередачи. Поскольку режим «фаза – земля» может существовать неопределённо долго, то вероятность случайного прикосновения к проводам оказывается значимой. Продолжительность режима короткого замыкания «фаза – земля» в воздушных сетях 
380 В обусловливается тем, что аппараты защиты не реагируют на такой вид 
замыкания из-за незначительной величины тока замыкания, изменяющегося  
в пределах от долей до единиц и реже десятков ампер [29, 30, 82, 86]. 
Изучение режимов работы ВЛ-380 В в России и за рубежом свидетельствует о том, что в рассматриваемых системах постоянно имеет место недопустимо большая несимметрия токов и напряжений. Нагрузка, присоединяемая к 
сети 380/220 В, является смешанной, состоящей из трёхфазных и однофазных 
приёмников электроэнергии. Доля однофазных приёмников, основными из которых являются бытовые приборы, нагревательные, сварочные и осветительные 
установки, в общей нагрузке велика. Потребляемая этими приёмниками мощность, соизмеримая с мощностью трёхфазной производственной нагрузки, меняется для отдельных потребителей по величине и во времени независимо. 
Следовательно, так называемая случайная несимметрия является постоянно 
8 
 

 
действующим фактором в нормальном режиме работы линии 380/220 В. Помимо случайной несимметрии в рассматриваемых системах имеет место неслучайная несимметрия, обусловленная неравномерным присоединением однофазных электропотребителей к трёхфазной сети. Исследования показали, что ток в 
нулевом проводе может достигать значений от 46 до 61 % от тока средненагруженной фазы [5, 73]. 
Электрические сети напряжением 380 В городских посёлков с малоэтажной застройкой и сельских потребителей, в основном, строятся по системе  
TN-C, где нулевой рабочий провод совмещает функции защитного проводника, 
а в качестве защитных аппаратов применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели. В п. 1.7.78 ПУЭ [68] говорится о том, что характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников должны 
быть согласованы, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения 
повреждённой цепи защитно-коммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением питающей сети. При этом для обеспечения 
автоматического отключения питания могут быть применены защитнокоммутационные аппараты, реагирующие на сверхтоки или дифференциальный 
ток.  
Согласно п. 1.7.79 ПУЭ [68] время автоматического отключения питания 
не должно превышать 5 с в цепях, питающих распределительные, групповые, 
этажные и др. щиты и щитки. 
Опасности однофазных коротких замыканий на воздушных линиях 
напряжением 380 В 
Возникающие ОКЗ, ОЗЗ и часто сопровождаемые обрывами фазных и нулевого проводов ВЛ-380 В, обусловливают появление опасных для людей и 
животных напряжений прикосновения и шага, а также могут являться причиной возникновения пожаров.  
При однофазном коротком замыкании, когда замыкаются между собой 
фазный и нулевой провода, на металлических частях оборудования, имеющих 
связь с нулевым проводом (спуски от нулевого провода к повторному заземлению, металлические корпуса электроприёмников, распределительных щитков, 
корпуса электродвигателей и пр.) оказываются под напряжением, опасным для 
людей и животных (напряжение прикосновения). Кроме того, при растекании 
тока ОКЗ по земле вблизи опор ВЛ и ТП в пределах 8 м могут возникать опасные шаговые напряжения. 
В случае ОКЗ и обрыва фазных и нулевого проводов за местом ОКЗ на повисших проводах также будет присутствовать опасное напряжение прикосновения. Если при этом оборванные провода касаются металлических заборов 
крыш или каких-либо подобных сооружений и конструкций, то на них также 
появляются опасные напряжения прикосновения. 
Длительно неотключаемые ОКЗ могут приводить к разрушению различных проводников, расположенных на опоре. Например, имели случаи перегорания соединения нулевого провода со спуском к повторному заземлению, но 
при этом спуск сохранял контакт с всеми крюками, на которых располагались 
9 
 

 
изоляторы с проводами. В случае разрушения фазного изолятора или нарушения вязки фазного провода и его падения на крюк на спуске к защитному заземлению появляется фазное напряжение. 
Приблизительно половина всех тяжёлых и смертельных поражений электрическим током, происходящих в быту сельского населения, связана с рассмотренными ситуациями.  
В случае замыкания вида «фаза – земля» электропоражение происходит изза случайного прикосновения к оборванным, лежащим на земле и находящимся 
под напряжением проводам линий электропередач. Поскольку режим замыкания вида «фаза – земля» может продолжаться неопределённо долго, вероятность случайного прикосновения к проводам оказывается недопустимо высокой. 
Самой распространённой мерой защиты ВЛ-380 В при коротких замыканиях, применяемой в настоящее время в электрических сетях, является установка плавких предохранителей или автоматических выключателей на распределительном щите 0,4 кВ трансформаторной подстанции. Указанные защиты 
работают не всегда удовлетворительно, из-за малых кратностей токов короткого замыкания к токам срабатывания защит, температурной нестабильности характеристик тепловых расцепителей, низкого уровня эксплуатации и т. п. Если 
же происходят обрывы фазных или нулевых проводов с их падением на землю, 
то автоматические выключатели и плавкие предохранители совсем не почувствуют этот вид повреждения. 
В совокупности эти факторы затрудняют одновременное обеспечение 
условия чувствительности и селективности указанных выше защит. 
Таким образом, из вышеизложенного следует, что разработка устройств 
релейной защиты, противоаварийной автоматики от аварийных и ненормальных режимов представляет собой актуальную задачу, направленную на повышение надёжности электроснабжения и электробезопасности в городских посёлках и сельских районах. 
 
10