Аналіз та дослідження використання в електричних мережах вакуумних струмообмежуючих комутаційних  апаратів шунтуючого типу

Гончаренко, Павло Вікторович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7105

Title:	Аналіз та дослідження використання в електричних мережах вакуумних струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу
Authors:	Протасов, Сергій Юрійович Гончаренко, Павло Вікторович
Keywords:	струмообмежуючий пристрій;вакуумний вимикач;комутація;перехідний процес
Issue Date:	Dec-2025
Abstract:	У роботі досліджено природу та причини виникнення комутаційних перехідних процесів у системах електропостачання, проаналізовано методи обмеження перенапруг і струмів короткого замикання. Обґрунтовано перспективність поєднання вакуумних комутаційних апаратів із системами керованої комутації та струмообмеження. Розроблено модель електричної мережі 10 кВ у середовищі MATLAB/Simulink та виконано порівняльне моделювання режимів із застосуванням шунтуючого вимикача і без нього. Результати показали зниження струмів короткого замикання на 30–40 %, зменшення перенапруг і підвищення надійності роботи захисної автоматики. Підтверджено ефективність використання вакуумних струмообмежуючих апаратів шунтуючого типу в електричних мережах.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7105
Appears in Collections:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
ВКРМ_Гончаренко.pdf Restricted Access		1.56 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(назва факультету)
Кафедра електротехнічних систем
(повна назва кафедри)

«До захисту допущено»
Завідувач кафедри ЕТС
Валентин ТКАЧЕНКО
______________________
“_____” _________2025 р.

Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра

на тему:
«Аналіз та дослідження використання в електричних мережах
вакуумних струмообмежуючих комутаційних
апаратів шунтуючого типу»

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи мЕСЕ–44
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Гончаренко Павло Вікторович ____________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)

Науковий керівник к.т.н., доцент Сергій ПРОТАСОВ ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)

Нормоконтроль к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)

Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших
авторів без відповідних посилань.
Здобувач вищої освіти ______________
(підпис)

Черкаси 2025 р.
3
РЕФЕРАТ

По структурі робота складається зі вступу, трьох розділів основної
частини та висновків основних результатів дослідження. Загальна кількість
сторінок – 90, рисунків – 34, таблиць – 2, використаних літературних джерел
– 25.
Метою кваліфікаційної магістерської роботи є дослідження
можливості використання вакуумних комутаційних апаратів як
струмообмежуючих шунтуючих пристроїв, що обмежить дію струмів
короткого замикання та зменшить їх негативний вплив на обладнання
електричних мереж.
На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання:
− зробити аналіз способів та засобів обмеження параметрів комутаційних
перехідних процесів в електричних мережах;
− дослідити адаптивні способи обмеження параметрів комутаційних
перехідних процесів у вакуумних вимикачах;
− розробити інструменти модельного експерименту для дослідження
комутаційних перехідних процесів;
− провести аналіз даних отриманих у результаті модельних
експериментів.
У першому розділі виконано детальний аналіз природи, причин
виникнення та методів обмеження комутаційних перехідних процесів у
системах електропостачання. Розглянуто особливості протікання процесів
під час комутації при нормальних і аварійних режимах, визначено основні
чинники появи перенапруг і надструмів. Оцінено ефективність традиційних
способів обмеження струмів короткого замикання – секціонування шин,
використання реакторів, резисторів, трансформаторів із розщепленими
обмотками та тиристорних пристроїв. Особливу увагу приділено вакуумним
комутаційним апаратам, які характеризуються високою швидкодією,
надійністю та можливістю роботи у складі шунтуючих струмообмежуючих
4
пристроїв. Визначено перспективність застосування керованої (синхронної)
комутації для мінімізації перенапруг та підвищення комутаційного ресурсу
апаратів. За результатами аналізу встановлено, що найефективнішим
напрямом розвитку є поєднання вакуумних комутаційних апаратів із
системами керованої комутації та струмообмеження.
У другому розділі розроблено комп’ютерну модель електричної мережі
10 кВ у програмному середовищі MATLAB/Simulink, що дозволяє
досліджувати процеси виникнення та ліквідації коротких замикань. Модель
враховує параметри джерела живлення, активні та реактивні опори лінії,
характеристики комутаційних апаратів і алгоритм дії захисних пристроїв.
Адекватність моделі підтверджено отриманими осцилограмами струмів і
напруг, які відповідають фізичним закономірностям перехідних процесів у
мережі.
Проведено порівняльне моделювання двох режимів:
− без шунтуючого вимикача, коли струми КЗ досягають 2800–3000 А і
супроводжуються значними комутаційними перенапругами;
− із застосуванням шунтуючого вимикача, що дозволяє знизити струм КЗ
до 1800–2000 А, зменшити провал напруги та скоротити тривалість
перехідного процесу.
Отримані результати підтвердили ефективність використання
шунтуючого вимикача та правильність побудови математичної моделі.
У третьому розділі виконано моделювання аварійних режимів роботи
мережі – трифазних і двофазних коротких замикань на початку та в кінці
лінії електропередачі. Проаналізовано отримані осцилограми струмів і
напруг, визначено часові етапи перехідного процесу та дії шунтуючого
вимикача. Показано, що застосування вакуумного струмообмежуючого
комутаційного апарата шунтуючого типу забезпечує:
− зменшення амплітуди струмів короткого замикання на 30…40 %;
− прискорення процесу затухання аперіодичної складової;
− зниження електродинамічних і теплових навантажень на вимикачі;
5
− стабільну роботу захисної автоматики.
Отримані результати підтвердили високу ефективність, надійність і
доцільність використання вакуумних СОП шунтуючого типу в електричних
мережах.
Ключові слова: струмообмежуючий пристрій, вакуумний вимикач,
комутація, перехідний процес, підстанція, обмеження струму короткого
замикання.

6
ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І
ТЕРМІНІВ ................................................................................................................ 8
ВСТУП ..................................................................................................................... 9
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ ОБМЕЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ
КОМУТАЦІЙНИХ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ЕЛЕКТРИЧНИХ
МЕРЕЖАХ ............................................................................................................. 14
1.1. Загальна характеристика комутаційних перехідних процесів .............. 14
1.2. Обмеження параметрів перехідних процесів при нормальних умовах
роботи електричної мережі .................................................................................. 19
1.3. Обмеження параметрів перехідних процесів при аварійних умовах
роботи електричної мережі .................................................................................. 19
1.4. Напрями досліджень щодо розробки ефективних засобів обмеження
параметрів комутаційних перехідних процесів в електричних мережах ........ 22
1.5. Можливість застосування вакуумних комутаційних апаратів в якості
СОП ......................................................................................................................... 30
1.6. Керування комутацією як спосіб обмеження параметрів перехідних
процесів в електричних мережах ......................................................................... 36
1.7. Висновки до розділу 1. .............................................................................. 39
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА КОМП’ЮТЕРНОЇ МОДЕЛІ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ
ФУНКЦІОНУВАННЯ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ВАКУУМНИХ
СТРУМООБМЕЖУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ ШУНТУЮЧОГО
ТИПУ ...................................................................................................................... 41
2.1. Побудова комп’ютерної моделі електричної мережі для проведення
досліджень ............................................................................................................. 42
2.3. Програма досліджень обмеження струмів короткого замикання та
апробація моделі .................................................................................................... 62
7
2.4. Висновки до розділу 2 ............................................................................... 68
РОЗДІЛ 3. КОМП’ЮТЕРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИКОРИСТАННЯ
ВАКУУМНИХ СТРУМООБМЕЖУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ
ШУНТУЮЧОГО ТИПУ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ................................ 70
3.1. Процеси аварійного відключення елементів електричної мережі ........ 70
3.1.1. Трифазне КЗ на початку ЛЕП .......................................................... 70
3.1.2. Трифазне коротке замикання в кінці ЛЕП ..................................... 73
3.1.3. Двофазне коротке замикання на початку кабельної лінії ............. 76
3.1.4. Двофазне коротке замикання в кінці кабельної лінії .................... 79
3.2. Перспективи використання в електричних мережах вакуумних
струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу ....................... 83
3.3. Висновки до розділу 3 ............................................................................... 85
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ..................................... 87
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 89

8
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І
ТЕРМІНІВ

ВДК – вакуумна дугогасильна камера
ЄЕС – єдина енергетична система
КЗ – коротке замикання
ЛЕП – лінія електропередачі
ОПН – обмежувач перенапруг
ПВН – перехідна відновлювана напруга
ПС – підстанція
ПУЕ – правила улаштування електроустановок
КВР – керований вакуумний розрядник
СМ – синхронна машина
СОП – струмообмежувальний пристрій
ЕМ – електрична машина

9
ВСТУП

Надійне та ефективне функціонування електроенергетичних систем, а
також безперебійне забезпечення споживачів електроенергією є ключовим
чинником сталого розвитку економіки України. Сучасні енергетичні системи
є складними інтегрованими системами, які складаються із множини
невеликих локальних мереж, що у свою чергу ускладнює їх управлінням та
експлуатацією. Таким чином, забезпечення надійності та оптимізації режимів
роботи великих енергетичних об’єднань є актуальною науково-технічною та
економічною проблемою сучасної енергетики.
В умовах воєнного стану та цілеспрямованих уражень енергетичної
інфраструктури зі сторони агресора електроенергетика України зазнає
безпрецедентних випробувань. Руйнування генеруючих потужностей,
підстанцій та ліній електропередач спричиняє необхідність оперативного
відновлення енергопостачання та переосмислення принципів побудови
енергетичних систем. З урахуванням геополітичних факторів та міжнародних
енергетичних угод, актуалізується завдання імпортозаміщення, підвищення
енергонезалежності та розвитку власного експортного потенціалу.
Внаслідок переформатування енергетичних потоків і створення
резервних схем живлення посилюються взаємозв’язки між регіональними
енергосистемами, що призводить до зміни режимів роботи мереж і зростання
струмів короткого замикання (КЗ). Це, у свою чергу, створює нові техніко-
економічні виклики для модернізації електричних мереж, зокрема щодо
підвищення надійності комутаційного обладнання, систем релейного захисту
та автоматизації.
В умовах воєнних дій та систематичних уражень енергетичних об’єктів
проблема обмеження струмів короткого замикання (КЗ) набуває особливої
актуальності. Максимальні струми КЗ визначаються параметрами
електричних апаратів та обладнання, а їх значення часто стають критичним
чинником під час відновлення та модернізації пошкоджених мереж. Після
10
ракетних ударів і часткових руйнувань електростанцій чи підстанцій виникає
необхідність тимчасового перепідключення споживачів та створення нових
схем живлення, що може призводити до збільшення струмів КЗ у певних
вузлах системи.
У таких умовах зростає потреба у вдосконаленні ізолювання
трансформаторів, заміні пошкоджених вимикачів на апарати з підвищеною
відключаючою здатністю та впровадженні сучасних засобів обмеження
струмів КЗ. Однак це супроводжується збільшенням ваги, габаритів і
вартості обладнання, а також ускладненням його експлуатації в умовах
нестабільного електропостачання. Для підвищення надійності енергосистеми
застосовуються додаткові технічні рішення, які, попри ефективність, істотно
підвищують капітальні та експлуатаційні витрати.
Одним із перспективних рішень є застосування спеціалізованих
струмообмежуючих пристроїв (СОП), зокрема: резисторів, демпфуючих
реакторів, а також тиристорних СОП шунтуючого типу. Використання СОП
дозволяє розглядати максимальний рівень струму КЗ як техніко-економічний
параметр, що визначає доцільність заміни обладнання на більш стійке або
застосування пристроїв струмообмеження. У зв’язку з високою вартістю
повної заміни обладнання, на сьогоднішній день активно досліджуються і
впроваджуються СОП та комплексні заходи, спрямовані на обмеження
струмів КЗ [14-16].
Підвищений інтерес до дослідження СОП зумовлений актуальністю
проблеми та розвитком електротехнічних технологій, що сприяє створенню
нових типів пристроїв струмообмеження [4].
На сьогодні в мережах підстанцій та електростанцій напругою до 35 кВ
обмеження струмів КЗ здійснюється, переважно, трансформаторами із
розщепленими обмотками, а також демпфуючими та струмообмежувальними
реакторами. Для мереж високої напруги (понад 35 кВ) використовуються
схемно-технічні рішення, що забезпечують секціонування мережі та
автоматичне розподілення при аварійних режимах. Однак такі заходи, хоча й
11
ефективні в обмеженні струмів КЗ, знижують надійність електропостачання,
збільшують втрати енергії та погіршують якість напруги [1].
Актуальність проблеми обмеження струмів КЗ підтверджується
світовим досвідом: над її вирішенням працюють великі міжнародні компанії
та наукові організації, такі як IEEE та CIGRÉ [21, 22].
СОП нового покоління повинні забезпечувати:
− продовження використання існуючого комутаційного обладнання на
підстанціях при введенні додаткових потужностей або нових ліній;
− зменшення витрат на комутаційне обладнання для нових об’єктів;
− підвищення надійності роботи системи за рахунок відмови від
секціонування мереж 110…500 кВ;
− підвищення надійності електропостачання промислових підприємств;
− обмеження теплових та електродинамічних впливів шляхом контролю
ударних та сталих струмів КЗ, що сприяє зменшенню зносу
обладнання;
− можливість розподілу електроенергії з шин генераторної напруги;
− зниження втрат енергії та покращення параметрів напруги завдяки
заміні традиційних струмообмежувальних реакторів.
Одним із перспективних варіантів є використання вакуумного
вимикача як шунтуючого СОП, що встановлюється на шинах низької
напруги підстанції паралельно захищеним приєднанням. Принцип дії
ґрунтується на створенні штучного короткого замикання (шунтуванні), що
перерозподіляє аварійний струм КЗ між ушкодженим фідером і ланцюгом
вакуумного СОП, зменшуючи струм у захищеній гілці. Це дозволяє
здійснити відключення струму КЗ за оптимальних умов для фідерного
вимикача (мінімальний струм КЗ, відсутність перехідної відновлюваної
напруги). Після цього необхідно відключити струм КЗ вакуумним СОП [9].
Вакуумний СОП шунтуючого типу також виконує функції вимикача,
що накладає на нього наступні вимоги:
12
− швидке включення (одиниці мілісекунд) та витримка струмів КЗ
протягом заданого часу;
− відключення струмів КЗ із витримкою перехідної відновлюваної
напруги (ПВН).
Досліджувані вакуумні СОП шунтуючого типу здатні відключати
струми КЗ великих значень та функціонально є аналогом тиристорних СОП,
маючи два основні та один (або більше) керуючих електродів.
Таким чином, застосування вакуумних вимикачів як СОП є актуальним
напрямком, що сприяє розширенню сфери їх використання та створенню
принципово нових типів струмообмежуючих пристроїв для сучасної
електротехніки та електроенергетики.
Метою кваліфікаційної магістерської роботи є дослідження
можливості використання вакуумних комутаційних апаратів як
струмообмежуючих шунтуючих пристроїв, що обмежить дію струмів
короткого замикання та зменшить їх негативний вплив на обладнання
електричних мереж.
На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання:
− зробити аналіз способів та засобів обмеження параметрів комутаційних
перехідних процесів в електричних мережах;
− дослідити адаптивні способи обмеження параметрів комутаційних
перехідних процесів у вакуумних вимикачах;
− розробити інструменти модельного експерименту для дослідження
комутаційних перехідних процесів;
− провести аналіз даних отриманих за результатами модельних
експериментів.
Об'єкт дослідження – вакуумні струмообмежуючі пристрої
шунтуючого типу.
Предмет дослідження – процеси обмеження струму короткого
замикання у вакуумних струмообмежуючих пристроях шунтуючого типу.
13
Методи досліджень. Для експериментального дослідження
використовувався програмний комплекс Mathlab Simulink.
Наукова новизна. Розроблена та апробована комп’ютерна модель, яка
дозволяє встановити закономірності протікання аварійних процесів та
довести ефективність шунтуючих вакуумних вимикачів як засобів
обмеження струмів короткого замикання.
Отримані результати мають практичне значення для підвищення
надійності, електробезпеки та довговічності комутаційного обладнання
розподільчих електричних мереж середньої напруги.
Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження
магістерської роботи були обговорені на студентській науково-практичній
конференції ЧДТУ, яка відбувалася 22-24 квітня 2025 р.

14
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ ОБМЕЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ
КОМУТАЦІЙНИХ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ЕЛЕКТРИЧНИХ
МЕРЕЖАХ
При будь-яких змінах в електричній мережі (включенні, вимиканні,
короткому замиканні, обриві, стрибкоподібній зміні будь-якого параметра
мережі або амплітуди, частоти або фази напруги джерела тощо), що
називаються комутаціями, у мережі виникають перехідні процеси.
Перехідний (динамічний, нестабільний) процес – це процес, який
виникає в електричній мережі при переході від одного усталеного стану
роботи мережі до іншого [8].

1.1. Загальна характеристика комутаційних перехідних процесів

Режим електричної системи – це стан, який характеризується певними
значеннями параметрів режиму. До параметрів, що визначають режим
електричної системи відносяться потужність, напруга, частота та інші
фізичні величини [8].
В електричних системах розрізняють два основних типи режимів:
усталений режим та перехідний режим.
Усталений режим – це стан електричної системи, при якому миттєві
значення струмів та напруг у мережі залишаються практично незмінними або
періодично повторюються. На практиці параметри електричних мереж не є
абсолютно сталими, оскільки вони можуть змінюватися внаслідок коливань
навантаження, дії зовнішніх факторів або інших незначних збурювальних
впливів. Проте, якщо коливання параметрів відносно певного середнього
значення є незначними, то режим системи можна вважати усталеним [12].
15
Перехідний режим (перехідний процес) в електричних мережах – це
процес переходу системи з одного усталеного стану (режиму) в інший.
Інакше кажучи, – це режим, у якому спостерігаються різкі та суттєві зміни
параметрів електричної системи.
Перехідні процеси, що супроводжуються зміною електричного стану
елементів системи, можуть бути зумовлені як природними причинами так і
роботою пристроїв автоматики.
Виділяють три основні типи перехідних процесів [12]:
1. хвильові;
2. електромагнітні;
3. електромеханічні.
Хвильові перехідні процеси – це процеси, під час яких відбувається
локальна зміна електричного стану системи, що супроводжується різким
збільшенням електричного розряду в лініях електропередачі внаслідок
підвищення напруги, спричиненого атмосферними впливами. Швидкість
перебігу хвильових перехідних процесів становить від 103 до 108 Гц, що
свідчить про їхню високочастотність (швидкодію). У результаті таких
процесів виникають перенапруги, які негативно впливають на ізоляцію
елементів електричної системи та можуть призвести до її пошкодження [8].
Електромеханічні перехідні процеси – це процеси, під час яких
змінюються як електричні, так і механічні параметри режиму. Вони належать
до низькочастотних процесів, оскільки швидкість зміни параметрів лежить у
діапазоні від 10−1 до 50 Гц.
Електромагнітні перехідні процеси – це процеси, у ході яких
відбувається зміна електромагнітного стану елементів електричної системи,
при цьому механічні параметри режиму залишаються незмінними.
Тривалість таких процесів становить від 0,007 до 0,02 с, що відповідає
частоті від 50 до 150 Гц [8, 12].
Електромагнітні перехідні процеси можуть бути спричинені:
− вмиканням або вимиканням електродвигунів та інших агрегатів;
16
− короткими замиканнями (КЗ) та простими замиканнями;
− локальною несиметрією;
− форсуванням збудження, роботою регуляторів збудження,
автоматів гасіння поля тощо;
− вмиканням синхронних машин (СМ) у несинхронному режимі
роботи.
Найпоширенішими електромагнітними перехідними процесами є
процеси, які зумовлені короткими замиканнями. Виникнення перехідних
процесів у багатьох випадках є небажаним і потенційно небезпечним
явищем. Такі процеси можуть супроводжуватися значними перенапругами,
надструмами та електромагнітними коливаннями, які здатні порушити
нормальну роботу енергосистеми, негативно впливаючи на
електрообладнання аж до його виходу з ладу [12].
Основною причиною виникнення перехідних процесів є наявність у
елементах електричних мереж енергоємних компонентів – індуктивності та
ємності, які здатні накопичувати енергію.
Перехідний режим по суті являє собою процес переходу енергетичного
стану мережі від докомутаційного режиму до післякомутаційного. Кожному
усталеному стану енергосистеми, що містить реактивні складові, відповідає
певний запас енергії магнітного та електричного полів. Перехід від одного
усталеного режиму до іншого супроводжується зміною (збільшенням або
зменшенням) енергії цих полів і, відповідно, протіканням перехідного
процесу [8].
Коли зміна запасу енергії припиняється, перехідний процес
завершується. Якщо ж енергетичний стан кола не змінюється внаслідок
комутації, перехідні процеси не виникають.
Енергія, накопичена в магнітному полі котушки з індуктивністю L при
протіканні через неї струму iL, визначається за виразом

17
W 1 2
L = ·(L·iL ).
2

Кількість енергії, що накопичується в електричному полі конденсатора
ємністю C, зарядженого до напруги uC, визначається за виразом

W 1
С = ·(С·и2
С ).
2

Магнітна енергія WL визначається струмом у котушці iL, а електрична
енергія WC – напругою на конденсаторі uC. Тому під час комутацій,
незалежно від їхнього типу, дотримуються два основні положення: струм у
котушці та напруга на конденсаторі не можуть змінюватися стрибкоподібно
[8]. У узагальненому вигляді ці положення формулюються так:
потокозчеплення котушки та заряд конденсатора можуть змінюватися лише
безперервно та без стрибків [12].
Таким чином, перехідні процеси супроводжуються перерозподілом і
обміном енергії між електричними та магнітними полями. Варто зазначити,
що найбільш інтенсивно цей обмін відбувається між реактивними опорами
елементів мережі, розташованих поблизу місця збурення.
Зазвичай процес має коливальний характер і може супроводжуватися
підвищеннями напруги, небезпечними для ізоляції обладнання, а також
струмовими стрибками, що збільшують електродинамічні зусилля на
струмопровідні елементи [8].
Перенапруга – це будь-яке перевищення амплітуди найбільшої робочої
напруги миттєвим значенням напруги (рис. 1.1).
Однією з основних характеристик перенапруг є кратність перенапруги,
яка визначається як відношення максимального значення напруги Umax до
амплітуди найбільшої робочої напруги даної ізоляційної конструкції [12]

18
К U
= max .
Uн 2

Рис. 1.1. Перенапруги під час комутації в електричній мережі

Перенапруги, що виникають під час комутації електричної мережі,
можуть мати значну кратність і чинять руйнівний вплив на ізоляцію
електрообладнання. Водночас слід зазначити, що багаторазова дія
перенапруг навіть невеликої кратності також має деградуючий ефект на
ізоляцію.
З кожним впливом перенапруги електрична міцність ізоляції поступово
знижується, що суттєво підвищує ймовірність її пошкодження під час
наступних комутацій із подібними перенапругами [8].
Під час вмикання трансформатора, батареї конденсаторів чи іншого
реактивного навантаження можуть виникати струмові стрибки, які
спричиняють значні електродинамічні зусилля на струмопровідні елементи.
Це призводить до зменшення ресурсу обладнання, а також потребує
використання більш грубих релейних захистів, що, у свою чергу, знижує
чутливість спрацювання системи захисту.

19
1.2. Обмеження параметрів перехідних процесів при нормальних
умовах роботи електричної мережі

У нормальному режимі параметри електричної системи близькі до
номінальних. Для цього режиму характерне плавне регулювання роботи
електростанцій, мінімальні втрати електроенергії в мережах та зручність
здійснення оперативних комутацій. Надійне електропостачання споживачів
без перебоїв із достатнім рівнем якості напруги забезпечується саме при
нормальному режимі електричної мережі.
За нормальних умов можливі такі комутації, що супроводжуються
перехідними процесами [12]:
• вмикання/вимкнення конденсаторів;
• вмикання/вимкнення шунтуючих реакторів;
• вмикання/вимкнення трансформаторів;
• зміна навантаження.
Деякі з цих комутацій можуть призвести до аварійних ситуацій.
Наприклад, вмикання шунтуючих конденсаторів або шунтуючих реакторів, а
також потужних трансформаторів може супроводжуватися просадкою
напруги, великими стрибками струму або значними перенапругами.
Вимкнення шунтуючих реакторів може спричинити повторні перенапруги,
що здатні викликати виникнення хвиль [8].

1.3. Обмеження параметрів перехідних процесів при аварійних
умовах роботи електричної мережі

Якщо в електричній системі при переході від одного усталеного стану
до іншого спостерігається різка зміна параметрів мережі (струму та напруги),
режим вважається аварійним. До аварійних режимів роботи електричних
мереж належать такі відхилення [12]:
• коротке замикання;
20
• перевантаження електромережі;
• короткочасне перевищення напруги;
• розрив кола;
• стрибки напруги, що виникають внаслідок ударів блискавки.
Особливо небезпечними є перехідні процеси в аварійному режимі
роботи електричної мережі.
Аварійні режими, спричинені короткими замиканнями, є
найпоширенішими серед усіх електромагнітних перехідних процесів.
Більшість коротких замикань – дугові, які часто самоліквідуються; металеві
короткі замикання трапляються рідше та виникають через з’єднання фаз
електроустановки між собою або фаз із землею.
Наслідки коротких замикань [12]:
• різке збільшення струмів у гілках системи, особливо в місці короткого
замикання;
• значне зниження напруги в вузлах електричної системи; при
трифазному короткому замиканні (K₃) напруга в точці короткого
замикання знижується до нуля; несиметричні КЗ (двофазне – K₂,
однофазне − K₁, двофазне на землю − K₁.₁) характеризуються
частковим збереженням напруги в точці КЗ;
• спотворення симетрії струмів і напруг при несиметричних коротких
замиканнях, що збільшує електростатичний та електромагнітний вплив
ЛЕП на лінії зв’язку та інші об’єкти;
• тепловий вплив струмів КЗ, що призводить до пошкодження ізоляції,
підгорання контактів електроапаратури тощо;
• динамічний вплив струмів КЗ, який проявляється при механічних
зусиллях, що здатні пошкодити конструкції машин і апаратів.
До зниження напруги в електричній системі (ЕС) особливо чутливі
споживачі (навантаження). При зниженні напруги гальмуються асинхронні
двигуни (АД), що становлять близько 50 % навантаження. Це призводить до
збільшення струму навантаження та подальшого зменшення напруги на
21
затискачах споживачів, що може спричинити порушення стійкої паралельної
роботи електричних машин (ЕМ) у системі. У результаті система може
розпастися на окремі частини, які працюватимуть несинхронно, що призведе
до тривалих порушень електропостачання споживачів і може спричинити
значні матеріальні збитки [11, 12].
У цій роботі розглядаються розподільні мережі середньої напруги.
Відповідно до «Правил улаштування електроустановок» (ПУЕ), у
вітчизняних електричних мережах 6…35 кВ дозволено застосування трьох
режимів заземлення нейтралі. Пункт 1.2.16 ПУЕ зазначає: «Робота
електричних мереж напругою 3–35 кВ може передбачатися як із ізольованою
нейтраллю, так і з нейтраллю, заземленою через дугогасний реактор або
резистор» [15].
На сьогоднішній день приблизно 80 % мереж 6…35 кВ використовують
режим ізольованої нейтралі, а близько 20 % – режим заземлення через
дугогасний реактор [3].
Для мереж із ізольованою нейтраллю режим однофазного короткого
замикання не вважається аварійним, оскільки струм КЗ на землю у таких
мережах значно менший за міжфазний струм КЗ. Тому при цьому режимі
мережа може експлуатуватися протягом кількох годин.
Таким чином, для мереж 10 кВ аварійними режимами є лише міжфазні
короткі замикання [7]:
• двофазне КЗ;
• трифазне КЗ.

22
1.4. Напрями досліджень щодо розробки ефективних засобів
обмеження параметрів комутаційних перехідних процесів в електричних
мережах

Максимальний рівень струмів короткого замикання (КЗ) для
розподільних мереж 6…10 кВ обмежується технічними параметрами
струмопроводів, електричних апаратів, стійкістю навантаження та термічною
витривалістю кабелів [4].
На сьогоднішній день існує кілька способів обмеження струмів
короткого замикання, серед яких [13, 14]:
• підвищення напруги живлячих мереж;
• зменшення кількості ступенів трансформації напруги;
• секціонування збірних шин при розімкнутих секційних вимикачах;
• застосування трансформаторів із розщепленими обмотками та
секційних реакторів;
• використання лінійних реакторів;
• попередньо вмикні резистори;
• демпфуючі реактори або резистори, а також розрядники;
• посилення ізоляції системи та обладнання для витримування вищих
струмів;
• тиристорні СОП (трансформаторні обмежувачі уставки).
Якщо супутні витрати на обмежувачі струмів КЗ або заходи щодо
обмеження струмів КЗ окупаються завдяки можливості використання більш
дешевих комутаційних пристроїв та струмопровідних елементів, при цьому
підвищується надійність електропостачання споживачів, то застосування
таких заходів вважається економічно ефективним.
Найпоширенішими та найефективнішими заходами є [9]:
• секціонування збірних шин при розімкнутих секційних вимикачах;
• застосування трансформаторів із розщепленими обмотками низької
напруги;
23
• використання струмобмежуючих реакторів.
Секціонування електричних мереж є ефективним засобом, який
дозволяє зменшити рівні струмів короткого замикання в мережах у 1,5…2
рази.
Для обмеження струмів КЗ у потужних електроустановках
застосовуються реактори, які також при виникненні ушкоджень за
реакторами дозволяють підтримувати напругу на шинах на визначеному
рівні [3, 12].
Відповідне побудування схем електростанцій і мереж також дозволяє
обмежувати струми короткого замикання (КЗ).
• Підвищення класу напруги мережі призводить до зменшення робочих
струмів і, відповідно, струмів КЗ.
• Паралельна робота джерел виключається за рахунок секціонування
електричних мереж, що сприяє зменшенню струмів КЗ (проте при
цьому можливе збільшення втрат у ЛЕП і силових трансформаторах у
нормальному режимі роботи).
• Роздільна робота трансформаторів на шинах низької напруги
підстанцій, а також у системі власних потреб електростанцій і ПС,
збільшує опір кола КЗ та знижує струми КЗ.
• Оскільки опір трансформаторів із розщепленою обмоткою у режимі КЗ
майже в 2 рази більший, ніж у трансформаторів з тими ж номінальними
параметрами без розщеплення обмотки НН, застосування таких
трансформаторів також обмежує струми КЗ [12].
Застосування резисторів для обмеження комутаційних перехідних
процесів [18]. На сьогодні компанією ABB промислово випускаються
вимикачі, обладнані резисторами.
При використанні таких резисторів збільшується відношення Rекв/Xекв,
що сприяє зменшенню амплітуди та тривалості аперіодичної складової
струму, що протікає через вимикач.
24
Під час вмикання попередньо ввімкнених резисторів за певний
проміжок часу до замикання основних контактів вимикача замикаються
додаткові контакти, підключені послідовно з активним опором (рис. 1.2).
Завдяки цьому в перший момент часу після замикання контактів
здійснюється інтенсивне демпфування електромагнітного перехідного
процесу.

Рис. 1.2. Схема ввімкнення попередньо ввімкнених резисторів

У схемі (рис. 1.2) показано, як додаткові контакти вимикача підключені
послідовно з активним резистором. При вмиканні вимикача:
1. Додаткові контакти замикаються першими, і струм протікає через
резистор, що обмежує амплітуду та аперіодичну складову струму.
2. Через певний проміжок часу відбувається замикання основних
контактів, і струм переходить на повний провідник, при цьому
перехідний процес демпфується резистором на початковій фазі.
У сучасних вимикачах час попереднього вмикання резисторів
коливається в межах 8…12 мс.
Використання вимикачів із попередньо ввімкненим резисторами на
лініях електропередачі не гарантує надійного гасіння дуги у вимикачі при
швидкій його комутації (вмиканні/вимиканні).
Це пов’язано з тим, що хоча на першому етапі комутації (вмикання
допоміжних контактів) відбувається швидке загасання аперіодичної
складової струму, на другому етапі включення (замикання основних
контактів та шунтування резисторів) також виникає аперіодична складова
струму. Хоча її початкове значення менше, вона залишається досить
небезпечною.
25
Отже, застосування лише цієї міри не забезпечує надійного гасіння
дуги у вимикачі при швидкому вмиканні/вимиканні [13].
Застосування компенсаційних реакторів як засобу обмеження
комутаційних перехідних процесів [7]. При вмиканні компенсаційного
(нульового) реактора з індуктивним опором xN у ланцюг заземлення нейтралі
трифазної групи шунтуючих реакторів, з’єднаних за схемою «зірка» і мають
фазний опір xP, група реакторів еквівалентна трьом індуктивним опорам xP.0,
підключеним між фазами та землею, та трьом індуктивним міжфазним
опорам xP.ΦΦ, з’єднаним у трикутник, причому

xP,0 = xP + 3xN , xP.Φ.Φ = x(3+ xP / xN ).

При встановленні двох чотирипроменевих груп реакторів на лінії їхні
індуктивні опори xP.0 компенсують половини ємнісних провідностей лінії до
землі B0/2, а індуктивні опори xP.ΦΦ – половини міжфазних ємнісних
провідностей Bm/2.
Умовою компенсації міжфазних ємнісних провідностей ПЛ є рівність
міжфазної реактивної провідності групи реакторів відповідним ємнісним
провідностям лінії Y 1
Φ.Φ = та 0,5Bm
xP.Φ.Φ

1
= 0,5B .
x(3+ x m
P / xN )

З цього випливає розрахунковий вираз для визначення необхідного
індуктивного опору нульового реактора:

x x
N = P
2 = 0,5 .
− 3
BmxP
26
Остаточний вибір значення опору компенсаційного (нульового)
реактора здійснюється за результатами пускових випробувань лінії
електропередачі (ПЛ) [13].
Тиристорні СОП [5]. Тиристорний струмобмежуючий пристрій
шунтового типу (СОП) призначений для промислових та міських
розподільчих підстанцій середнього класу напруги 6…10 кВ.
СОП використовується для підвищення комутаційної здатності
електромеханічних вимикачів, встановлених на підстанціях (вакуумних,
масляних, елегазових тощо), коли їхня комутаційна здатність не відповідає
реальній потужності струму короткого замикання (КЗ).
Одночасно СОП знижує динамічний та тепловий вплив на кабельну
мережу 6…10 кВ, зменшуючи ударну хвилю струму КЗ. Завдяки цьому
комутаційна здатність захищених вимикачів збільшується щонайменше в три
рази.
Принцип дії СОП полягає у наступному [5]:
При виникненні КЗ у відгалуженні фідера підстанції, через який
відбувається КЗ, елементи СОП підключаються паралельно кінцевому
вимикачу цього відгалуження. Струм КЗ у точці пошкодження обмежується
залежно від:
• потужності системи електропостачання;
• реактивності трансформатора понижувальної підстанції;
• наявності та параметрів включеного реактора;
• опору кабелю до точки обмеження струму КЗ.
При виникненні КЗ через усі елементи схеми розповсюджується
аперіодична ударна хвиля струму КЗ, активна складова якої у найгіршому
випадку може досягати 2,5…2,55 від усталеного значення струму КЗ.
Якщо на інших фідерах підстанції є навантаження у вигляді
електродвигунів, вони забезпечують додаткове живлення точки КЗ, величина
якого залежить від потужності та типу цих електродвигунів.
27
Таким чином, СОП ефективно обмежує струми КЗ, підвищує
надійність роботи вимикачів та захищає електричне обладнання від
динамічних і теплових перевантажень.
Кабельні розподільчі мережі 6…10 кВ при короткому замиканні також
піддаються додатковому динамічному та тепловому навантаженню, особливо
в місцях муфтових з’єднань кабелів, що знижує їхню експлуатаційну
надійність.
Встановлення струмообмежуючого пристрою (СОП) на
трансформаторній підстанції суттєво змінює характер процесу аварійного
струму КЗ на пошкодженому відгалуженні.
СОП представляє собою потужний безконтактний комутатор змінного
струму, послідовно з яким ввімкнений активний резистор. Величина
резистора визначається потужністю трансформатора та ступенем обмеження
струму.
СОП підключається паралельно кожній секції збірних шин системи
6…10 кВ на підстанції. Включення СОП у момент аварійного режиму КЗ
утворює штучний контур КЗ, підключений паралельно реальному аварійному
контуру.
При цьому відбувається перерозподіл кінцевого струму КЗ, що
надходить від живлячого трансформатора, між реальним контуром КЗ та
контуром включеного СОП. Характер цього перерозподілу залежить від
відстані точки КЗ від секції збірних шин підстанції.
Утворення штучного контуру КЗ за допомогою СОП, паралельного
природному контуру, суттєво зменшує величину ударної хвилі струму КЗ.
На осцилограмах, представлених на рис. 1.3, знятих під час натурних
випробувань одного з СОП, встановленого на розподільній підстанції з
трансформаторами потужністю 40 МВА, видно процес зменшення ударної
хвилі струму КЗ на аварійному відгалуженні. Місце короткого замикання
знаходилось безпосередньо на вихідних шинах одного з резервних масляних
вимикачів.
28
Таким чином, використання СОП збільшує комутаційну здатність
фідерних вимикачів щонайменше в три рази [5].

Рис. 1.3. Епюри осцилограм при роботі СОП у режимі струмообмеження
та КЗ поблизу секції збірних шин підстанції

Технічні характеристики СОП наведені в таблиці 1.1.

29

Таблиця 1.1
Технічні характеристики СОП
Показник Значення
Номінальна напруга, кВ 6
Потужність живильного
63 000
трансформатора, кВА, до
Струм динамічної стійкості,
60
тривалістю 0,02 с, кА, не менше
Термін служби 10 років
Умови експлуатації: закриті
опалювані приміщення з від 0 до +40
температурою, °С
Кількість вмикань 10 000
Охолодження – природне,
—
повітряне

Мікроконтролерна система керування СОП виконує наступні функції
[1]:
• автоматичне включення СОП через 0,02 с після виникнення короткого
замикання на одному із відгалужень підстанції;
• автоматична подача команди на відключення вимикача пошкодженого
відгалуження після включення СОП;
• автоматичне відключення СОП після ліквідації аварійного режиму
короткого замикання.
У основі досліджень комутаційних перехідних процесів в електричних
мережах лежать практичні експерименти властивостей комутаційних
пристроїв, а також теоретичне обґрунтування цих досліджень.
На сьогодні особливу актуальність набувають вакуумні комутаційні
апарати. У дослідженнях українських та зарубіжних науковців,
30
використовуються експериментальні зразки швидкодіючого керованого
вимикача та швидкодіючого комутуючого пристрою на основі КВР.
Дослідження комутаційних характеристик вченими показують, що при
підключенні реактивного навантаження (конденсаторної батареї та реактора)
підтверджується правильність прийнятих технічних рішень.
При підключенні конденсаторної батареї вимикач забезпечував
необхідну точність включення Δt<0,1 мс відносно нуля напруги.
Після нуля струму зсув фази наступного включення КВР не
перевищував 1 мс. У цьому випадку відносні стрибки струму не
перевищували струму, що встановився в конденсаторі після його
підключення.

1.5. Можливість застосування вакуумних комутаційних апаратів в
якості СОП

Ефективним способом обмеження струмів короткого замикання є
короткочасне шунтування точок КЗ на відгалуженнях фідерів за допомогою
поперечно включених (шунтуючих) комутаційних пристроїв, підключених до
шин підстанцій. В Україні цей метод знаходиться на початковій стадії
розвитку. Вакуумні вимикачі в цих пристроях використовуються як захисні
(дублюючі) елементи [4].
Разом із тим, вакуумні вимикачі напругою 6, 10, 20, 35 кВ, що серійно
виготовляються промисловими підприємствами електротехнічної галузі, за
основними технічними та експлуатаційними характеристиками повністю
конкурентоспроможні з тиристорними СОП.
Переваги вакуумних вимикачів [2]:
• широка номенклатура;
• серійне виробництво;
• знижені розрахункові витрати;
• велика практика експлуатації в електричних мережах.
31
Можливості використання вакуумних вимикачів як комутаційних
апаратів у складі шунтуючих СОП частково можна оцінити на основі аналізу
відповідності їхніх технічних характеристик умовам розв’язуваної задачі.
Відомо, що час увімкнення/вимкнення таких вимикачів з урахуванням
роботи приводів становить десятки мілісекунд, а замикання/розмикання
контактів відбувається за долі мілісекунди. Різниця у часі роботи приводів
вакуумних вимикачів не перевищує двох мілісекунд, що дозволяє обирати та
реалізовувати оптимальні моменти для проведення комутацій.
Вимикаюча здатність за струмом КЗ відповідає струмам КЗ більшості
підстанцій середньої напруги, а їх номінальну напруга в найближчій
перспективі планується підняти до 110 кВ.
Обмеженням є ресурс роботи вимикачів, що використовуються на
потужних підстанціях, де струми КЗ близькі до їхньої вимикаючої здатності.
Проте навіть у цих умовах вимикачі витримують до капітального ремонту
40…50 циклів «вимкнення–увімкнення», що є прийнятним для багатьох
випадків практичного використання у складі шунтуючих СОП.
Слід враховувати, що при організації синхронних циклів «вимкнення–
увімкнення» ресурс вимикачів у складі шунтуючих СОП може
збільшуватися. Щодо лінійних вимикачів, очікується, що їх ресурс зросте за
рахунок значного обмеження вимикаємих струмів КЗ [2].
Вакуум як ізоляційне середовище є майже ідеальним, оскільки
ймовірність іонізації молекул газу шляхом зіткнення з електронами
надзвичайно мала. Проте досвід показує [7], що при достатньо високій
напруженості електричного поля (10–10³ В/см) навіть у технічно
досконалому вакуумі виникає електричний струм, який швидко зростає при
подальшому збільшенні напруженості до пробою.
Вакуумні комутаційні пристрої здатні викликати значні перенапруги
при вимкненні індуктивних навантажень (ненавантажені трансформатори,
електродвигуни в режимі пуску). Через особливі властивості вакууму ці
перенапруги за своїм характером відрізняються від перенапруг, які
32
створюються комутаційними апаратами з іншими дугогасними
середовищами (повітря, елегаз або масло) [6].
При комутації електричної мережі вакуумними вимикачами
спостерігаються такі явища:
• попередні пробої при увімкненні;
• зріз струму при вимкненні;
• повторні запалювання дуги при вимкненні;
• віртуальний зріз струму.
На величину перенапруг та стрибків струму значно впливає
неодночасність спрацювання полюсів апарату.
Зріз струму при вимкненні – це найбільш відоме і поширене явище, що
зустрічається у всіх типах вимикачів. Під зрізом струму розуміють
передчасне переривання змінного струму до його природного проходження
через нульове значення [4, 7].
Механізм розвитку перенапруг через зріз струму полягає у наступному:
під час протікання струму в індуктивному навантаженні накопичується запас
електромагнітної енергії. Розрив контуру, що містить індуктивність, при
значенні струму, що відрізняється від нульового, супроводжується
перетворенням цієї енергії в інші види енергії, зокрема в енергію
електричного поля [7].
У результаті виникає підвищення напруги на стороні навантаження,
характерні зміни якого показані на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Комутаційні перенапруги, викликані зрізом струму: Uср –
перенапруга, викликана зрізом струму; Iср – зріз струму
33
При відключенні змінного струму вакуумними вимикачами, якщо
момент початку розведення контактів збігається з нулем струму, між
контактами виникає дуга. Дуга горить у парах металу контактів.
Концентрація парів металу випадкова і зменшується при наближенні струму
до нульового значення. Незадовго до досягнення нуля струму концентрація
парів стає недостатньою для підтримання горіння дуги, і дуга гасне. Цей
процес в основному залежить від природи контактного матеріалу [24, 25].
Таким чином, зрізи струму у вакуумних вимикачах відбуваються
практично миттєво (10⁻⁷ – 10⁻⁸ с) [24]. Передчасне переривання струму до
нульового значення зумовлене нестійкістю дуги у вакуумі. Це дозволяє
розглядати вакуумний вимикач як модель ідеального ключа, що миттєво
переходить зі стану провідності у непровідний.
Попередні пробої при включенні та повторні запалювання дуги при
відключенні являють собою процеси запалювання електричної дуги між
контактами вимикача, коли прикладена напруга перевищує електричну
міцність міжконтактного проміжку (рисунок 1.5.2) [4].
Систематично можна спостерігати:
• Попередні пробої виникають наприкінці процесу включення.
• Швидкість зближення контактів та величина напруги в момент
зближення впливають на час появи попередніх пробоїв.
• При відключенні повторні запалювання дуги виникають на початку
процесу відключення, якщо час горіння дуги малий, а проміжок між
контактами недостатній для витримки відновлюваної напруги.
У цьому випадку проміжок між контактами не витримує відновлюваної
напруги, і відбувається повторний пробій діелектрика.
При попередньому пробої або повторному запаленні дуги коливальний
розряд зосереджених ємностей викликає ток високої частоти (10⁴ – 10⁵ Гц),
що протікає між контактами вимикача з накладенням на ток промислової
частоти (рисунок 1.5). Ці явища неминучі і характерні для всіх типів
вимикачів.
34
Особливістю вакуумних вимикачів є висока дугогасяча здатність та
можливість відключати високочастотні струми, що мають дуже високу
швидкість переходу через нуль. Через це вакуумні комутаційні апарати
дають більшу кількість запалювань дуги порівняно з іншими типами
вимикачів [4].
Багатократні запалювання дуги залежать від відстані між контактами і
змінюються таким чином:
• при вмиканні амплітуда перенапруг зменшується до моменту
замикання контактів;
• при відключенні амплітуда перенапруг збільшується (ескалація
напруги) до тих пір, поки електрична міцність між контактами
вимикача не буде перевищена [5].
При протіканні струму в індуктивному навантаженні накопичується
електромагнітна енергія, достатня для витримування відновлюваної напруги.

Рисунок 1.5 – Процес запалювання електричної дуги між контактами
вимикача: uВ(t) – відновлювана напруга між контактами; uП(t) –
електрична міцність міжконтактного проміжку; i(t) – високочастотний
струм у електричній дузі
35
Явища багатократного запалювання електричної дуги
супроводжуються перенапругами з крутим зрізом, що становить особливу
небезпеку для виткової ізоляції електрообладнання [4].
Віртуальний зріз струму може виникати в особливих конфігураціях
електричних мереж, характеризованих сильними ємнісно-індуктивними
зв’язками між фазами. Суть явища така: при відключенні мережі повторні
запалювання дуги у першому плюсовому вакуумному вимикачі викликають
значні коливання високочастотного струму не лише у даній фазі, а і у
сусідніх, через які в цей момент може протікати струм значної величини.
Якщо індуктивний високочастотний струм у сусідній фазі досягне
амплітуди того ж порядку, що й струм промислової частоти, виникає нуль
струму («штучний» але реальний). У цей момент вимикач може відключити
струм до його проходження через природний нуль. У таких випадках
значення струму обриву досягає десятків або навіть сотень ампер, а пов’язані
з ним перенапруги мають дуже високу кратність [4, 5].
Оптимальним рішенням для зниження перенапруг є зсув моменту
відключення одного з полюсів вимикача так, щоб у період можливих
багатократних повторних запалювань дуги дві інші фази залишалися
увімкненими і, відповідно, не чутливими до наведеної перешкоди.
Неодночасне спрацьовування полюсів апарату під час комутації
викликає короткочасний неповнофазний режим, під час якого можуть
виникати перенапруги високої кратності. Зі збільшенням неодночасності
замикання контактів величина перенапруг зростає [7].
Навпаки, комутація кожної окремої фази вимикача у заздалегідь
визначений момент часу дозволяє значно зменшити кратність перенапруг та
амплітуду стрибків струму [4, 7, 24].

36
1.6. Керування комутацією як спосіб обмеження параметрів
перехідних процесів в електричних мережах

Комутація ланцюгів із реактивним навантаженням у певні моменти
часу іноді призводить до значних перенапруг або стрибків струму. Перехідні
процеси спричиняють великі електричні та механічні навантаження на
електрообладнання і можуть викликати поступове або миттєве пошкодження
апаратів та їх ізоляції [7, 12].
Амплітудні значення перенапруг і стрибків струму перехідних процесів
залежать від моменту на синусоїді струму або напруги, у який відбувається
розмикання або замикання контактів вакуумних вимикачів. Рано чи пізно
комутація може відбутися у найгіршій для цього точці кривої [7].
Навіть у вимикачах із дуже низькою ймовірністю повторних пробоїв,
при частій комутації великих ємнісних навантажень або фільтрів
придушення гармонік можуть виникати випадкові повторні пробої.
Керована (синхронна) комутація – це комутація електромережі у
заздалегідь визначений момент часу, що враховує стан мережі та дозволяє
здійснити замикання або розмикання контактів заданої фази струму/напруги
в найбільш сприятливих умовах для електрообладнання.
Застосування керованої комутації дозволяє запобігти появі
небезпечних перенапруг і стрибків струму, тим самим збільшуючи
комутаційний ресурс обладнання.
Успішним рішенням проблеми виникнення небезпечних перенапруг і
стрибків струму є застосування вакуумного вимикача з керованою
комутацією.
У нормальних режимах кероване включення вакуумного вимикача на
реактивне навантаження дозволяє суттєво зменшити стрибки струму, а
кероване відключення знижує ймовірність повторних пробоїв і, як наслідок,
виникнення перенапруг. Наприклад, оптимальний момент для включення
конденсаторної батареї – коли напруга на розриві вимикача проходить через
37
нуль [7, 12]. Чим далі момент включення від проходження напруги через
нуль, тим більші стрибки струму.
Застосування керованої комутації ефективне як для включення
конденсаторних батарей, так і для відключення шунтуючих реакторів,
трансформаторів та ненавантажених ліній. У свою чергу, кероване
відключення струмів короткого замикання дозволяє мінімізувати час горіння
дуги.
Час, за який контакти розходяться на відстань, достатню для успішного
гасіння дуги, визначає мінімальний час горіння дуги, за умови, що момент
розходження контактів збігається з моментом проходження кривої струму
через нуль.
Таким чином, кероване відключення струмів КЗ є засобом, що сприяє
зменшенню негативного впливу факторів комутації, таких як ерозія контактів
вакуумного комутаційного апарата, і, як наслідок, підвищенню
комутаційного ресурсу вимикача.
Слід відзначити, що для вакуумного вимикача застосування керованої
комутації може також підвищити його відключаючу здатність.
Керована комутація у нормальному режимі роботи, при оперуванні
номінальними струмами, дозволяє покращити характеристики вимикача,
зокрема сприяє збільшенню його комутаційного ресурсу та кількості
включень/відключень. Таке покращення особливо актуальне при частих
комутаціях.
Крім того, керована комутація у нормальному режимі сприяє
запобіганню віртуальних зрізів струму та іншим небажаним явищам.
Використання цього способу дозволяє зменшити комутаційні перенапруги та
дає можливість збільшити номінальну напругу вимикача.
До керованих комутаційних апаратів висуваються дуже жорсткі вимоги
щодо стабільності часу включення та відключення: можливий розкид часу не
більше ±1–2 мс.
38
На сьогодні керована комутація застосовується переважно у мережах
високої напруги на елегазових вимикачах. Розробка електромеханічних
вимикачів із зіапазоном часу включення не більше ±1 мс та підвищеною
електричною міцністю стикається з істотними труднощами. Слід також
враховувати, що закономірності пробою міжконтактного зазору
характеризуються великими статистичними різницями діапазонів.
Суттєво зменшити діапазон часу включення відносно заданої фази
напруги можна за допомогою гібридних пристроїв для керованої комутації,
які містять потужні діоди та механічні комутаційні апарати [5]. У таких
пристроях операції включення та відключення здійснюються в діодному
блоці при зміні полярності напруги. Механічні елементи забезпечують
тривале пропускання струму після включення пристрою без значних
енергетичних втрат та забезпечують необхідну електричну міцність після
відключення.
Область застосування таких пристроїв поки що обмежена комутацією
конденсаторних батарей, оптимальний момент включення яких (нульове
падіння напруги на комутаторі) автоматично реалізується при правильному
виборі схеми.
Найбільш перспективним способом керованої комутації, який повною
мірою задовольняє вищевказаним вимогам, є використання нових типів
вакуумних комутаційних пристроїв – керованих лише вакуумних
розрядників (КВР). Їх поєднання з вакуумними вимикачами дозволяє
здійснювати швидке включення комутуючого пристрою в заданій фазі
напруги живлячої мережі з похибкою менше ±0,1 мс та подальшим
замиканням контактів вимикача [5].
Новий тип швидкодіючого керованого вакуумного вимикача (КВВ)
містить у кожному полюсі паралельно з’єднані вакуумні дугогасні камери
(ВДК) та швидкодіючий комутуючий пристрій на основі КВР з блоком
запуску.
39
Порівняно з відомими схемами комутаторів на основі тиристорних
вентилів, запропонована схема відзначається:
• більш простою конструкцією;
• високим рівнем витримуваних напруг;
• високою комутуючою здатністю по струму;
• значною стійкістю до аварійних перевантажень;
• надійністю та відносно низькою вартістю.
У порівнянні з вимикачами з керованою пофазною комутацією,
запропонована схема забезпечить вищу точність та стабільність включення у
заданій фазі мережі. Крім того, на відміну від гібридного комутатора, вона
може використовуватися в мережах вищого класу напруги до 110 кВ та має
широкі функціональні можливості, зокрема для підключення реакторів та
трансформаторів.

1.7. Висновки до розділу 1.

У першому розділі виконано детальний аналіз природи, причин
виникнення та способів обмеження параметрів комутаційних перехідних
процесів в електричних мережах.
1. Встановлено, що перехідні процеси виникають під час зміни режимів
роботи електричних систем і супроводжуються різкими змінами струмів та
напруг, що може призводити до перенапруг, надструмів і пошкодження
електрообладнання.
2. Проаналізовано режими роботи електричних мереж за нормальних і
аварійних умов. Показано, що при нормальних режимах комутації (вмикання
трансформаторів, конденсаторів, реакторів) можливе виникнення перенапруг
і струмових стрибків, тоді як при аварійних – короткі замикання призводять
до значних динамічних, теплових і електромагнітних впливів, які потребують
застосування спеціальних заходів обмеження.
40
3. Визначено основні напрями підвищення стійкості електричних
мереж шляхом обмеження струмів короткого замикання: секціонування шин,
використання реакторів і трансформаторів зі спеціальними обмотками,
попередньо ввімкнених резисторів, а також сучасних тиристорних
струмообмежуючих пристроїв (СОП). Застосування таких засобів дозволяє
знизити рівень струмів КЗ, підвищити комутаційну здатність вимикачів і
надійність електропостачання споживачів.
Особливу увагу приділено вакуумним комутаційним апаратам, які
характеризуються високою швидкодією, надійністю та можливістю
використання у складі шунтуючих СОП. Виявлено, що вони здатні
ефективно обмежувати струми КЗ, хоча їх застосування пов’язане з
проблемами виникнення комутаційних перенапруг, зрізів струму та
повторних запалювань дуги.
Перспективним напрямом удосконалення є керована (синхронна)
комутація, що забезпечує мінімізацію перенапруг і стрибків струму завдяки
вибору оптимального моменту замикання чи розмикання контактів. Зокрема,
застосування вакуумних вимикачів із керованою комутацією або гібридних
комутаційних пристроїв дозволяє істотно підвищити комутаційний ресурс,
надійність і точність роботи апаратів.
Таким чином, найефективнішим засобом обмеження параметрів
комутаційних перехідних процесів є поєднання вакуумних комутаційних
апаратів із системами керованої комутації та струмообмежуючими
пристроями (СОП), що забезпечить комплексне підвищення
електромагнітної стійкості, надійності та довговічності електричних мереж
середнього класу напруги.

41
РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА КОМП’ЮТЕРНОЇ МОДЕЛІ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ
ФУНКЦІОНУВАННЯ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ ВАКУУМНИХ
СТРУМООБМЕЖУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ
ШУНТУЮЧОГО ТИПУ
Для комп’ютерного дослідження використання в електричних мережах
вакуумних струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу
було обрано програмний комплекс MATLAB/Simulink. Назва програми є
скороченням від англійського «Matrix Laboratory» («Матрична лабораторія»),
у вітчизняній науково-технічній літературі зазвичай вживається як «Матлаб».
MATLAB – це інтерактивне середовище та високорівнева мова
програмування, призначена для виконання числових розрахунків, аналізу
даних, візуалізації результатів та розробки алгоритмів і моделей. MATLAB
дозволяє здійснювати обробку експериментальних даних, створювати
прикладні програми, а також реалізовувати моделі складних технічних
систем.
Цей програмний пакет використовується більш ніж мільйоном
науковців та інженерів у всьому світі, він сумісний із більшістю сучасних
операційних систем, зокрема Linux, macOS та Solaris.
MATLAB є базовим елементом усього сімейства продуктів компанії
MathWorks та виступає основним інструментом для розв’язання широкого
спектра прикладних і наукових задач у таких галузях, як:
• моделювання об’єктів і розробка систем керування;
• проєктування комунікаційних систем;
• обробка сигналів та зображень;
• вимірювання сигналів і тестування;
• фінансове моделювання;
• обчислювальна біологія тощо.
MATLAB широко застосовується в таких напрямах:
42
• обробка сигналів і систем зв’язку;
• аналіз та обробка зображень;
• моделювання динамічних об’єктів і синтез систем керування;
• автоматизація процесів тестування та вимірювань;
• фінансовий інжиніринг і прогнозування;
• проєктування комунікаційних та інформаційних систем;
• обчислювальна біологія та інші галузі.
Програма Simulink є розширенням програмного комплексу MATLAB.
Під час моделювання з використанням Simulink реалізується принцип
візуального програмування, відповідно до якого користувач створює модель
пристрою або системи безпосередньо на екрані, використовуючи бібліотеку
стандартних блоків, і виконує подальші розрахунки.
На відміну від класичних методів моделювання, при роботі в Simulink
користувачу не потрібно глибоко володіти мовами програмування або
чисельними методами математики. Для ефективного використання достатньо
мати базові навички роботи з комп’ютером та володіти знаннями у
відповідній предметній галузі, в якій проводиться моделювання.

2.1. Побудова комп’ютерної моделі електричної мережі для
проведення досліджень

Для дослідження процесів обмеження струмів короткого замикання
(КЗ) в електричній мережі в програмному середовищі MATLAB/Simulink
було розроблено модель фрагмента електричної мережі для комп’ютерного
моделювання обмеження струму при короткому замиканні (рис. 2.1) на
основі спрощеної схеми підстанції 110/10 кВ (рис. 2.2) [23].
Модель призначена для аналізу перехідних процесів при різних
варіантах схемних рішень, а також для оцінки впливу встановлення
струмообмежувальних пристроїв (СОП) шунтуючого типу на величину
струмів КЗ та характер їх розподілу по вітках мережі [2, 6, 10].
43

Рис. 2.1. Комп’ ютерна модель фрагмента електричної мережі для дослідження обмеження струму при
короткому замиканні
44

Рис. 2.2. Схема фрагмента електричної мережі для дослідження
перехідних процесів: G – еквівалентний генератор енергосистеми; T –
силовий трансформатор 110/10 кВ; QF1 – лінійний вимикач за
трансформатором; QF2 – лінійний вимикач відхідного фідера; SQF –
шунтуючий вимикач; K1 – коротке замикання на початку кабельної лінії; K2
– коротке замикання в кінці кабельної лінії

У форматі MATLAB/Simulink елементи електричної мережі,
зображеної на рис. 2.2, представлені наступним чином [23].
Трифазне джерело напруги (Three Phase Source) – еквівалентний
генератор G змодельовано у вигляді блока Three Phase Source — трифазного
джерела напруги, за допомогою якого формується трифазна система напруг.
Блок Three Phase Source зображено на рис. 2.3, а вікно задання параметрів
цього блока – на рис. 2.4. У даній схемі цей блок виконує роль
енергосистеми.

Рис. 2.3. Зовнішній вигляд блока Three Phase Source [23]
45

Рис. 2.4. Вікно задавання параметрів блока Three Phase Source

Параметри блока:
• Configuration – вибір способу з’єднання фаз джерела. Значення
обирається зі списку:
o Y – зірка,
o Yn – зірка з нульовим проводом,
o Yg – зірка із заземленою нейтраллю.
Оскільки ми моделюємо джерело напругою 110 кВ, необхідно вибрати
спосіб заземлення нейтралі, що застосовується в мережах високої напруги –
Yg (зірка із заземленою нейтраллю).
− Phase-to-phase voltage (Vrms) – у цьому полі задається діюче значення
лінійної напруги. У даній моделі приймається 110 кВ.
46
− Phase angle of phase A (degree) – необхідно задати початкову фазу
напруги у фазі A, одиниці вимірювання – градуси.
− Frequency (Hz) – частота, одиниці вимірювання – герци (Гц). Задається
промислова частота для мереж України – 50 Гц.
− Specify impedance using short-circuit level – вікно для задання власного
повного опору джерела за параметрами короткого замикання. У даній
моделі не використовується.
− Source resistance (Ohms) – власний опір джерела, одиниці вимірювання
– Ом (Ω). У моделі приймається рівним нулю.
− Source inductance (H) – власна індуктивність джерела, одиниці
вимірювання – генрі (Гн). У моделі приймається 1,8 Гн.
− Base voltage (Vrms ph-ph) – діюче значення лінійної базової напруги. Це
величина напруги, при якій визначається потужність короткого
замикання. Для даної моделі не задається.
У моделі енергосистеми блок Three-Phase Transformer (Two Windings)
(рис. 2.5) використовується для представлення силового трансформатора (Т)
напругою 110/10 кВ [23]. Даний блок дозволяє моделювати передачу
електричної енергії між двома рівнями напруги з урахуванням втрат і
параметрів обмоток.
Основні параметри блока задаються у вікні його налаштувань (рис. 2.5):
• Configuration – тип з’єднання обмоток трансформатора. Може бути:
o Y/Y – зірка / зірка,
o Y/Δ – зірка / трикутник,
o Δ/Y – трикутник / зірка,
o Δ/Δ – трикутник / трикутник.
У даній моделі використовується схема Y/Δ, характерна для
понижувальних трансформаторів 110/10 кВ.
• Nominal power (VA) – номінальна потужність трансформатора, одиниці
вимірювання – вольт-ампери (ВА). Для моделі приймається,
наприклад, 25 МВА.
47
• Frequency (Hz) – частота мережі, 50 Гц.
• Winding 1 voltage (Vrms ph-ph) – діюче значення лінійної напруги
первинної обмотки (високовольтна сторона). У нашому випадку 110
кВ.
• Winding 2 voltage (Vrms ph-ph) – діюче значення лінійної напруги
вторинної обмотки (низьковольтна сторона). У нашому випадку 10 кВ.
• Winding 1 resistance and leakage inductance – активний опір і
індуктивність розсіювання первинної обмотки.
• Winding 2 resistance and leakage inductance – активний опір і
індуктивність розсіювання вторинної обмотки.
• Magnetizing resistance and inductance – параметри магнітного кола
трансформатора, що визначають втрати на намагнічування та струм
холостого ходу.

Рис. 2.5. Зовнішній вигляд блока Three-Phase Transformer [23]

Рис. 2.6. Вікно задавання параметрів блока Three-Phase Transformer
48
Оскільки за високу напругу прийнято 110 кВ, то для первинних
обмоток трансформатора обирається спосіб з’єднання Yg – зірка із
заземленою нейтраллю, а для вторинних обмоток напругою 10 кВ, згідно з
вимогами ПУЕ, застосовується з’єднання обмоток за схемою трикутник –
Delta (D1).
Nominal power and frequency [Pn(VA) fn(Hz)] – номінальна потужність
(ВА) і частота (Гц) трансформатора.
Winding 1/2 parameters [V1 Ph-Ph(V), R1(pu), L1(pu)] – параметри
первинної/вторинної обмотки: лінійна напруга (В), активний опір обмотки
(в.о.), індуктивність обмотки (в.о.).
Saturable core – насичуване магнітне осердя. При встановленому
прапорці використовується нелінійна модель трансформатора.
Magnetization resistance Rm(pu)/inductance Lm(pu) – активний опір /
індуктивність кола намагнічування (в.о.).
Saturation characteristic (pu) [i1, phi1; i2, phi2] – характеристика
насичення осердя. У даній моделі параметр не використовується.
Параметри кола намагнічування, як і опори та індуктивності обмоток,
задаються в відносних одиницях аналогічно моделі лінійного
трансформатора.
Характеристика намагнічування задається аналогічно моделі
нелінійного трансформатора.
Блок трифазне послідовне RLC-коло (Three-Phase Series RLC Branch)
використовується для моделювання послідовного з’єднання активного (R),
індуктивного (L) та ємнісного (C) елементів у трифазному колі. Залежно від
заданих параметрів, елементи можуть відображати лінії передачі,
навантаження або реактори [23].
Блок Three-Phase Series RLC Branch дає змогу змоделювати трифазне
коло, що складається з трьох RLC-гілок. Зовнішній вигляд блока
представлено на рисунку 2.7, а вікна задавання параметрів блока для ЛЕП
110 кВ, ЛЕП 10 кВ і шунта на секції шин на рисунках 2.8-2.10 відповідно.
49

Рис. 2.7. Зовнішній вигляд блока Three-Phase Series RLC Branch [23]

Рис. 2.8. Вікно задання параметрів Three-Phase Series RLC Branch для
ЛЕП 110 кВ

Рис. 2.9. Вікно задання параметрів Three-Phase Series RLC Branch для
ЛЕП 10 кВ

50

Рис. 2.10. Вікно задання параметрів Three-Phase Series RLC Branch для
шунта на секції шин

Параметри блока:
Branch Type – тип навантаження кола. Тип вітки вибирається зі списку:
• R – активне навантаження;
• L – індуктивне навантаження;
• C – ємнісне навантаження;
• RL – активно-індуктивне навантаження;
• RC – активно-ємнісне навантаження;
• LC – ємнісно-індуктивне навантаження;
• RLC – навантаження, що містить активну, індуктивну та ємнісну
складові.
Resistance R (Ohms) – активний опір в одній фазі (Ом).
Inductance L (H) – індуктивність в одній фазі (Гн).
Capacitance C (F) – ємність в одній фазі (Ф).
Щоб виключити з кола активний опір або індуктивність, необхідно
задати для них значення, які дорівнюють нулю. У цьому випадку на
піктограмі блока активний опір або індуктивність не відображатимуться.
Щоб виключити з кола конденсатор, потрібно задати значення ємності, яке
51
дорівнює нескінченності (inf). У цьому випадку на піктограмі блока
конденсатор не буде показано.
Для вимірювання параметрів мережі використовуються блоки Three-
Phase V-I Measurement – трифазний вимірювач. За допомогою цього блока
здійснюється вимірювання напруг і струмів у трифазних колах.
Налаштування для всіх блоків трифазного вимірювача прийняті однаковими.
Зовнішній вигляд блока представлено на рис. 2.11, вікно задання
параметрів блока – на рисунку 2.12.

Рис. 2.11. Зовнішній вигляд блока Three-Phase V-I Measurement [23]

Рис. 2.12. Вікно задання параметрів блоку Three-Phase V-I Measurement

Блок Three-Phase V–I Measurement використовується для вимірювання
фазних або лінійних напруг та струмів у трифазних колах. За допомогою
52
цього елемента можна контролювати електричні параметри мережі під час
моделювання перехідних процесів. Усі блоки вимірювання у моделі мають
однакові налаштування.
1. Voltage measurement (Вимірювання напруги). Параметр визначає тип
напруги, що вимірюється. Доступні режими:
- no – напруга не вимірюється;
- phase-to-ground – вимірюється фазна напруга (від фази до землі);
- phase-to-phase – вимірюється лінійна напруга (між фазами).
У даній моделі обрано варіант phase-to-ground, тобто вимірювання
фазних напруг.
2. Use a label (Використання мітки). У разі встановлення прапорця
сигнал напруги або струму отримує мітку (label), що дозволяє передавати
його до інших частин моделі за допомогою блоку From. Параметр Goto tag у
блоці From має відповідати імені мітки, вказаній у полі Signal label. У даній
схемі ця функція не використовується.
3. Voltages in p.u. (Вимірювання напруг у відносних одиницях)
При активуванні цього параметра всі виміряні значення напруг автоматично
переводяться у відносні одиниці (per unit, p.u.) відповідно до виразу:

U(p.u.) = U(meas) / U(base),

де U(p.u.) – напруга у відносних одиницях;
U(meas) – виміряне значення напруги;
U(base) – базисна напруга, задана у полі Base voltage (Vrms phase-phase).
4. Base voltage (Vrms phase-phase) – Базисна напруга. Задає діюче
значення лінійної напруги, яке використовується для нормалізації результатів
вимірювання. Базисну напругу приймають рівною номінальній напрузі
ділянки мережі, де встановлено вимірювальний блок:
– для високовольтної сторони – 110 кВ;
– для низьковольтної сторони – 10 кВ.
53
5. Current measurement (Вимірювання струмів). Параметр визначає, чи
здійснюється вимірювання струмів у трифазному колі:
- no – струми не вимірюються;
- yes – вимірюються струми у кожній фазі.
У даній моделі обрано варіант yes для реєстрації фазних струмів.
6. Currents in p.u. (Вимірювання струмів у відносних одиницях). При
встановленні прапорця результати вимірювання струмів відображаються у
відносних одиницях за формулою:

I(p.u.) = I(meas) / I(base),

де I(base) = Sb / (√3 * Ub),
Sb – базисна потужність;
Ub – базисна лінійна напруга.
Використання відносних одиниць дає змогу зручно порівнювати
результати вимірювань на різних рівнях напруги.
7. Base power (VA 3-phase) – базисна потужність. Параметр задає
базисну трифазну потужність у вольт-амперах (ВА), яка використовується
при перерахунку струмів у відносні одиниці. У більшості випадків базисна
потужність дорівнює номінальній потужності трансформатора або
генератора, що розглядається у моделі. Для досліджуваного фрагмента
електричної мережі приймається 10 МВА.
Короткі замикання моделюються за допомогою блоку 3-Phase Fault.
Блок імітує трифазний прилад, який замикає фази між собою, а також на
землю. Зовнішній вигляд блоку наведено на рисунку 2.13, а схема пристрою
– на рисунку 2.14. Величина опору заземлення Rg встановлюється рівною 106
Ом, якщо замикання на землю не задано у вікні параметрів блоку.

54

Рис. 2.13. Зовнішній вигляд блоку 3-Phase Fault [23]

Рис. 2.14. Схема пристрою блоку 3-Phase Fault

Рис. 2.15. Вікно задання параметрів блоку Three-Phase Fault

55
Параметри блоку Three-Phase Fault
1. Initial status – стан ключів на початку моделювання.
o 0 – ключ розімкнутий, фази не з’єднані;
o 1 – ключ замкнутий, фази або фаза з землею з’єднані.
Використовується для визначення початкового стану системи
при моделюванні короткого замикання. Доступно при управлінні
блоком від вбудованого таймера.
2. Switching times (s) – моменти часу, коли ключі змінюють свій стан
(замикання або розмикання).
o Параметр задається вектором значень часу (в секундах), що
визначає часові точки спрацьовування ключів.
o Дозволяє моделювати часові характеристики короткого
замикання та відновлення нормальної роботи мережі.
3. Fault between – визначає тип короткого замикання:
o Phase A / Phase B / Phase C – міжфазне замикання.
o Ground – замикання на землю.
Якщо прапорець не встановлено, управління ключем не
здійснюється. Це дозволяє моделювати різні типи коротких
замикань у системі.
4. Fault system resistance Ron (Ω) – внутрішній опір замкненого ключа.
Враховується для точнішого моделювання струму короткого замикання
та його впливу на мережу.
5. Ground resistance Rg (Ω) – опір заземлення.
o Встановлюється для моделювання замикань на землю.
o Якщо параметр не заданий, використовується значення 106 Ω, що
відповідає практично “відсутньому” з’єднанню з землею.
6. External control of switching times – зовнішнє управління
замиканням/розмиканням.
o Дозволяє підключати зовнішні сигнали керування (логічні рівні)
для ініціації короткого замикання.
56
o Логіка: рівень 1 – замикання, рівень 0 – розмикання.
o Використовується для синхронізації коротких замикань із
іншими подіями в моделі.
7. Sample time of the internal timer Ts (s) – крок дискретизації вбудованого
таймера. Визначає точність часу спрацьовування ключів у симуляції.
8. Snubbers resistance Rs (Ω) – опір дугогасного елемента.
Використовується для гасіння перенапруг та обмеження струмів при
розмиканні ключів.
9. Snubbers capacitance Cs (F) – ємність дугогасного елемента. Додатково
згладжує імпульси напруги при розмиканні, запобігаючи виникненню
високовольтних стрибків.
10. Measurements – вибір змінних для моніторингу під час моделювання:
o None – відображення не виконується.
o Fault voltages – напруги на входах короткозамикача.
o Fault currents – струми короткозамикача.
o Fault voltages and currents – напруги та струми одночасно. Це
дозволяє аналізувати динаміку процесів короткого замикання та
перевіряти роботу системи захисту.
Phase Breaker – трифазний вимикач для елементів змінного струму.
Використовується для включення або відключення всіх трьох фаз одночасно,
що дозволяє моделювати аварійні відключення, технічне обслуговування або
нормальні операційні режими електричних мереж [23].
• Призначення: забезпечує контроль над трьома фазами одночасно,
запобігаючи асиметричним станам у мережі.
• Застосування: у схемах управління, захисту та моделювання коротких
замикань у системах змінного струму.

57

Рис. 2.16. Зовнішній вигляд блоку Phase Breaker [23]

Рис. 2.17. Вікно задання параметрів блоку Phase Breaker

Параметри блоку Phase Breaker
1. Initial status of breakers – початковий стан ключів.
Визначає стан всіх фаз на момент початку моделювання:
o open – всі ключі розімкнені;
o closed – всі ключі замкнені.
2. Switching of phase A/B/C – управління окремими фазами.
o Дозволяє окремо замикати або розмикати фазу A, B чи C.
58
o Якщо прапорець не встановлено, управління зовнішнім ключем
не проводиться.
o Стан ключа при цьому визначається параметром Initial status of
breakers.
3. Transition times (s) – час спрацьовування ключів.
o Задається у вигляді вектора, що визначає моменти часу
замикання або розмикання ключів.
o Використовується для моделювання динаміки
включення/відключення фаз.
4. Sample time of the internal timer Ts (s) – крок дискретизації вбудованого
таймера. Визначає точність часу спрацьовування ключів у
моделюванні.
5. External control of switching times – зовнішнє управління часом
замикання/розмикання.
o При встановленні прапорця з’являється вхідний порт для
зовнішнього сигналу.
o Логіка управління:
 рівень 1 – замикання ключів;
 рівень 0 – розмикання ключів.
o Розрив кола в кожній фазі відбувається при досягненні нульового
рівня сигналу.
6. Breaker resistance Ron (Ω) – опір ключа у замкненому стані.
Враховується для точного моделювання струму через замкнуту фазу.
7. Initial state (0 – open, 1 – closed) – початковий стан ключа для
моделювання.
8. Snubber resistance Rs (Ω) – опір дугогасного елемента.
Використовується для гасіння перенапруг при розмиканні ключів.
9. Snubber capacitance Cs (F) – ємність дугогасного елемента. Додатково
згладжує імпульси напруги при розмиканні, запобігаючи виникненню
стрибків напруги.
59
10. Measurements – вимірювані змінні:
o None – вимірювання не проводяться;
o Branch voltage – напруга на затискачах фазного елемента;
o Branch current – струм через фазний елемент;
o Branch voltage and current – напруга та струм одночасно.
Осциллограф (Scope) – блок для вимірювання та візуалізації
електричних сигналів у системах змінного та постійного струму [23].
• Призначення: дозволяє спостерігати часові залежності напруг і струмів
у мережі, відстежувати динаміку процесів короткого замикання,
перемикання ключів та інших подій.
• Основні функції:
o відображення сигналів у режимі реального часу;
o можливість вибору кількох каналів для одночасного контролю
різних змінних;
o регулювання шкали часу та амплітуди сигналу;
o збереження та аналіз даних сигналів після моделювання.
• Застосування: широко використовується у моделях електричних мереж
для контролю роботи блоків Three-Phase Fault, Phase Breaker та інших
елементів системи.
На рис. 2.18 представлено загальний вигляд блоку Scope та вікно для
перегляду графіків сигналів.

Рис. 2.18. Загальний вигляд блоку Scope та вікно для перегляду графіків
сигналів [23]
60
Вкладка General (рис. 2.19) – загальні параметри.
− Number of input ports (Кількість вхідних каналів). Визначає, скільки
сигналів одночасно можна підключити до осцилографа. Може бути
від 1 до кількох каналів залежно від конфігурації блоку.
− Time range / Time span (Часовий масштаб)
o Задає горизонтальну шкалу часу для відображення сигналу.
o Може бути автоматичний режим або фіксоване значення.
− Y-axis range (Амплітудний масштаб)
o Визначає вертикальну шкалу сигналу.
o Може встановлюватися автоматично або вручну для кожного каналу.
− Display style (Стиль відображення)
o Лінія, маркери, крива тощо.
o Дозволяє відрізняти сигнали на одному екрані.
− Grid / Axes (Сітка та осі). Включення/вимкнення сітки, налаштування
шкали осей, підписи.
− Legend / Labels (Підписи та легенда). Відображення імен каналів,
одиниць виміру та пояснень для графіків.
− Trigger settings (Налаштування тригера)
o Визначає умови запуску відображення сигналу: за рівнем, фронтом
сигналу або зовнішнім тригером.
o Забезпечує стабільне відображення повторюваних сигналів.

Рис. 2.19. Вкладка загальних параметрів General блоку Scope

61
− Number of axes – кількість входів (координатних систем) осцилографа.
o Визначає, скільки сигналів можна підключити одночасно.
o При зміні цього параметра на зображенні блоку автоматично
з’являються додаткові вхідні порти для нових каналів.
− Time range – часовий інтервал відображення графіків.
o Встановлює тривалість часового вікна, у якому відображаються
графіки.
o Якщо час моделювання перевищує заданий Time range, графік
відображається порційно.
o Кожна порція графіка відображається у межах заданого Time
range.
− Tick / system labels – відображення або приховування осей та міток.
o Можливі значення:
 all – підписи для всіх осей
 none – відсутність підписів та міток
 bottom axis only – підписи тільки для горизонтальної осі
нижньої частини графіка
− Sampling – налаштування режиму виводу розрахункових точок на
екран.
o Визначає, як часто точки сигналу будуть відображатися на
осцилографі.
− Floating Scope – режим «вільного» осцилографа.
o При встановленому прапорці осцилограф може переміщуватися
незалежно на екрані.
Вкладка Data History – параметри збереження сигналів
1. Limit data points to last – максимальна кількість відображуваних точок
сигналу.
o Якщо кількість точок перевищує цей ліміт, початкова частина
графіка обрізається.
62
o Якщо прапорець не встановлено, Simulink автоматично збільшує
значення цього параметра для відображення всіх розрахункових
точок.
2. Save data to workspace – збереження значень сигналів у робочу область
MATLAB.
o Дозволяє проводити подальший аналіз та обробку даних.
3. Variable name – ім’я змінної для збереження сигналів у робочій області
MATLAB.
4. Format – формат даних при збереженні:
o Array – масив значень
o Structure – структура з полями сигналів
o Structure with time – структура з додатковим полем часу

2.3. Програма досліджень обмеження струмів короткого замикання
та апробація моделі

У цьому підрозділі описується методика проведення досліджень щодо
обмеження струмів короткого замикання в електричних мережах, а також
процес перевірки працездатності розробленої моделі. Мета розділу –
визначити ефективність заходів обмеження струмів, оцінити динаміку
короткозамкнених процесів і підтвердити коректність моделювання за
допомогою інструментів Simulink, таких як блоки Three-Phase Fault, Phase
Breaker та Scope.
Програма досліджень обмеження струмів короткого замикання та
апробація моделі.
Підготовчий етап
1. Визначення електричної мережі для моделювання (тип мережі,
номінальні напруги, потужності джерел).
2. Підготовка елементів моделі у Simulink [10]:
o Блок Three-Phase Fault – для моделювання коротких замикань.
63
o Блок Phase Breaker – для управління підключенням фаз.
o Блок Scope – для спостереження та запису струмів і напруг.
3. Задання початкових параметрів елементів: опори ліній, опір
заземлення, початковий стан ключів, часові інтервали спрацьовування.
Моделювання коротких замикань
1. Вибір типу короткого замикання:
o Трифазне.
o Міжфазне.
o Фаза-на-землю.
2. Встановлення параметрів блоків для кожного типу короткого
замикання:
o Опір замикання Ron.
o Опір заземлення Rg.
o Час спрацьовування ключів Switching times.
Імітація короткого замикання у заданий момент часу.
Вимірювання та реєстрація сигналів
1. Підключення Scope до ключових точок мережі для вимірювання:
o Напруг на фазах
o Струмів через лінії та елементи
2. Встановлення часових та амплітудних масштабів для графіків (Time
range, Y-axis range)
3. Збереження сигналів у робочу область MATLAB для подальшого
аналізу (Data History).
Аналіз результатів
1. Візуальний аналіз графіків струмів і напруг під час короткого
замикання.
2. Визначення максимальних струмів короткого замикання та порівняння
їх із допустимими значеннями.
3. Оцінка ефективності заходів обмеження струму (наприклад, у разі
використання обмежувачів струму чи фазних вимикачів).
64
Апробація моделі
1. Перевірка коректності моделі шляхом порівняння отриманих
результатів з теоретичними розрахунками або нормативними
значеннями.
2. Корекція параметрів моделі у разі виявлення розбіжностей.
3. Формування висновків щодо працездатності моделі та можливості її
використання для подальших досліджень.
Моделювання необхідно виконувати за таким алгоритмом: у певний
момент часу відбувається коротке замикання, далі вмикається шунтуючий
вимикач, після чого відбувається відключення лінійного вимикача відхідного
приєднання, потім розмикається шунтуючий вимикач. Здійснюється
контроль параметрів мережі на відхідному пошкодженому приєднанні, на
шунтуючому СОП, а також на шинах підстанції. Отримані осцилограми
струмів і напруг необхідно проаналізувати та зробити висновок щодо
застосовності вакуумних СОП шунтуючого типу.
Виконаємо апробацію моделі на прикладі трифазного КЗ на початку
кабельної лінії. Спочатку проведемо випробування без шунтування (рис. 2.2),
потім – із шунтуванням (рис. 2.21). У цьому досліді блок трифазного
короткозамикача (3-Phase Fault) розташований на початку лінії і
налаштований на замикання всіх трьох фаз. Шунтування за допомогою
вимикача також виконується по трьох фазах.
Алгоритм моделювання.
− t = 0 – ініціюється трифазне коротке замикання на початку кабельної
лінії (блок 3-Phase Fault замикає всі три фази на землю або між собою
— залежно від налаштувань).
− t = t_closure_shunt – замикається шунтувальний вимикач (ТОУ, шунт)
по трьох фазах – створюється паралельний шлях, який обмежує
напругу та струм у пошкодженій гілці.
− t = t_open_linebreaker – відключається лінійний вимикач відхідного
приєднання.
65
− t = t_open_shunt – розмикається шунтувальний вимикач (після
відключення лінії він повертає схему до нормального стану).
− Контроль параметрів виконується у трьох точках:
• на відхідному пошкодженому приєднанні (на стороні лінії або
вимикача),
• на шунтувальному СОП (до і після шунта),
• на шинах підстанції (ПС).

Рис. 2.20. Трифазне коротке замикання на початку короткого ланцюга
без шунтування

Аналізуючи отримані осцилограми без шунтування (рис. 2.20) можна
дійти висновку.
Напруга до моменту короткого замикання має трифазну симетричну
система та синусоїдальну форму. У момент КЗ (близько 0,02 с) напруга різко
66
падає практично до нуля у всіх фазах. Після відключення лінії (близько
0.065–0.07 с) напруга на фазах відновлюється до номінальних значень.
У момент КЗ струми різко зростають, досягаючи приблизно 2500–3000
А у фазах. Присутня асиметрія та перехідна складова (DC-компонента), що
сповільнює згасання. Після відключення вимикача струми обриваються,
залишкові коливання зникають.
Таким чином, у випадку без шунтування система працює штатно, але
струм короткого замикання має значну амплітуду, що створює підвищене
електродинамічне та термічне навантаження на обладнання. При відключенні
фіксуються високі комутаційні напруги (TRV), що може бути критичним для
вакуумних вимикачів без додаткових засобів обмеження.

Рис. 2.21. Трифазне коротке замикання на початку короткого ланцюга зі
шунтуванням
67
Аналізуючи отримані осцилограми зі шунтуванням (рис. 2.21) можна
зробити висновок.
Аналогічно, у момент КЗ (близько 0,02 с) відбувається спад напруги.
Після вмикання шунтуючого вимикача (близько 0,045 с) відбувається
перерозподіл потенціалів: спостерігається певне відновлення напруги на
шинах підстанції, що свідчить про зниження впливу КЗ на напругу живлення.
Після відключення лінії і розмикання шунта (приблизно 0,08–0,085 с)
напруга стабілізується.
При виникненні КЗ струми аналогічно різко зростають, але після
вмикання шунта відбувається їхній перерозподіл між лінією та шунтом.
З’являються додаткові складові (штрихові лінії на графіку), які показують
струми через шунт – вони беруть на себе частину КЗ струму. Загальний пік
струму на відхідному приєднанні зменшується порівняно з режимом без
шунта. Після відключення лінії струми плавно спадають до нуля, без різких
перенапруг.

Таблиця 2.1
Порівняльний аналіз
Параметр Без шунтування Із шунтуванням
Максимальний струм
КЗ ≈ 2800–3000 А ≈ 1800–2000 А
Напруга на шинах ПС Значний спад до ~0 Менший провал, часткове
під час КЗ збереження напруги
Перехідний процес Різкий, високі Плавніший, комутаційні
після відключення перенапруги (TRV) перенапруги знижені
Тривалість перехідного
процесу Довша Коротша
Вплив на ПС Сильне зниження Зменшений вплив на
напруги напругу ПС

Таким чином, результати моделювання вказують на доцільність
застосування вакуумних СОП шунтуючого типу для обмеження струмів
короткого замикання та покращення умов комутації при відключенні
пошкоджених приєднань. Отримані результати підтверджують ефективність
68
такого технічного рішення для підвищення надійності та стійкості роботи
електричної мережі.
Тому, побудована комп’ютерна модель електричної мережі в
програмному середовищі MATLAB/Simulink є адекватною та відповідає
реальному об’єкту дослідження, а отримані результати моделювання можуть
бути використані для подальшого аналізу режимів роботи мережі та оцінки
ефективності застосування вакуумних СОП шунтуючого типу.

2.4. Висновки до розділу 2

1. Побудована комп’ютерна модель електричної мережі в програмному
середовищі MATLAB/Simulink з урахуванням короткого замикання,
шунтуючого вимикача та елементів підстанції, що підтверджує її
адекватність та відповідність реальному об’єкту дослідження. У моделі
враховано активні та реактивні опори лінії, параметри джерела живлення,
часові характеристики комутаційних апаратів, а також послідовність дії
пристроїв у перехідному процесі.
Форми отриманих осцилограм напруг і струмів відповідають фізичній
суті електромагнітних процесів у системі під час виникнення та ліквідації
короткого замикання. Амплітуди струмів, провали напруги та динаміка
відновлення узгоджуються з теоретичними очікуваннями й типовими
експериментальними даними, що підтверджує коректність побудованої
математичної моделі.
Таким чином, розроблена комп’ютерна модель є адекватною та
достовірною, а результати моделювання можуть бути використані для
подальшого аналізу режимів роботи мережі та оцінки ефективності
застосування вакуумних СОП шунтуючого типу.
2. У процесі моделювання було розглянуто два режими роботи
системи:
− без використання шунтуючого вимикача;
69
− із застосуванням шунтуючого вимикача (вакуумного СОП шунтуючого
типу).
На осцилограмах без шунтування спостерігається різке зростання
струмів короткого замикання до значень близько 2800–3000 А, що
супроводжується значним провалом напруги на шинах підстанції. Після
відключення лінійного вимикача напруга відновлюється, однак фіксуються
високі комутаційні перенапруги (TRV) та затяжний перехідний процес.
Такий режим створює підвищене електродинамічне та термічне
навантаження на вимикачі та інші елементи мережі.
При моделюванні з використанням шунтуючого вимикача зафіксовано
суттєве покращення характеристик перехідного процесу. Після вмикання
шунта струм КЗ розподіляється між шунтом і лінією, що зменшує струми у
головному лінійному вимикачі до рівня 1800–2000 А. Напруга на шинах
підстанції при цьому знижується менш значно, а процеси відновлення після
відключення відбуваються швидше та з меншими коливаннями. Комутаційні
перенапруги знижуються, що забезпечує стабільне гасіння дуги у вакуумних
контактах.
Порівняння двох режимів показує, що застосування шунтуючого
вимикача дозволяє:
• зменшити амплітуду струмів короткого замикання у головному
вимикачі;
• обмежити рівень комутаційних перенапруг;
• скоротити тривалість перехідного процесу;
• знизити вплив короткого замикання на напругу шин підстанції.

70
РОЗДІЛ 3
КОМП’ЮТЕРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИКОРИСТАННЯ ВАКУУМНИХ
СТРУМООБМЕЖУЮЧИХ КОМУТАЦІЙНИХ АПАРАТІВ
ШУНТУЮЧОГО ТИПУ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ

3.1. Процеси аварійного відключення елементів електричної
мережі

У цьому підрозділі представлені результати комп’ютерного
моделювання та розглянуті такі аварійні режими [17]:
• трифазне КЗ на початку ЛЕП;
• трифазне КЗ на кінці ЛЕП;
• двофазне КЗ на початку ЛЕП;
• двофазне КЗ на кінці ЛЕП.
Для наочності порівняльного аналізу було проведено моделювання
відключення струму КЗ без шунтуючого вимикача та з шунтуванням.

3.1.1. Трифазне КЗ на початку ЛЕП

У цьому досліді блок трифазного короткозамикача (3-Phase Fault) (рис.
2.1) розташовується на початку лінії та налаштований на замикання всіх
трьох фаз. Шунтування за допомогою вимикача також здійснюється по трьох
фазах. На рисунку 3.1 представлено осцилограму струмів, отриману під час
моделювання трифазного короткого замикання на початку кабельної лінії.
На рис. 3.1:
t₁ – момент короткого замикання на початку кабельної лінії;
t₂ – момент увімкнення шунтувального вимикача;
t₃ – момент подання команди на вимкнення лінійного вимикача;
71
t₄ – момент вимкнення фази B лінійного вимикача;
t₅ – момент вимкнення фаз A і C лінійного вимикача;
t₆ – момент подання команди на вимкнення шунтувального вимикача;
t₇ – момент вимкнення фази B шунтувального вимикача;
t₈ – момент вимкнення фаз A і C шунтувального вимикача.

Рис. 3.1. Осцилограма струмів трифазного КЗ на початку кабельної лінії

Аналізуючи осцилограму можна спостерігати, що при виникненні
трифазного короткого замикання спостерігається значне збільшення струмів
у всіх трьох фазах та поява аперіодичної складової. Робота шунтуючого
вимикача забезпечує обмеження струму та перерозподіл енергії між колами.
Захисна автоматика спрацьовує коректно: після певного часу струми
зменшуються до нуля, що підтверджує ефективність дії захисту й нормальне
відключення пошкодженої ділянки.
На рис. 3.2 подано осцилограми струмів трифазного короткого
замикання (КЗ), яке виникає на початку кабельної лінії. Осцилограми
зображено окремо для кожної фази: зверху – фаза А, посередині – фаза B,
знизу – фаза C.
До моменту t₁ усі фази перебувають у нормальному режимі роботи,
струми мають синусоїдальний характер і не перевищують номінальних
значень. У момент t₁ відбувається поява короткого замикання, що призводить
72
до різкого збільшення амплітуди струмів у всіх трьох фазах. Найбільше
відхилення спостерігається у фазі, де виникло пошкодження – для прикладу,
фази А.

Рис. 3.2. Осцилограма струмів трифазного короткого замикання на
початку кабельної лінії, зверху вниз послідовно: фаза А / фаза B / фаза C
73
На часовому проміжку t₁–t₂ формується аперіодична складова струму,
характерна для перехідного процесу при КЗ. Це видно за зміщенням
середньої лінії сигналу відносно нуля та нерівномірністю амплітуд півхвиль.
Після моменту t₂ відбувається спрацьовування шунтуючого вимикача,
через який частина струму КЗ відводиться, що спричиняє зменшення
амплітуди осциляцій. На інтервалі t₂–t₃ спостерігається перерозподіл струмів
між лінійними та шунтуючим вимикачами.
У моменти t₄ і t₅ відображено роботу захисних пристроїв, які
забезпечують відключення пошкодженої ділянки мережі. Після t₅ струми у
всіх фазах зменшуються до нульового значення, що свідчить про завершення
аварійного процесу та відновлення нормального режиму роботи мережі.

3.1.2. Трифазне коротке замикання в кінці ЛЕП

У цьому досліді блок трифазного короткозамикача (3-Phase Fault)
розташований у кінці лінії та налаштований на замикання всіх трьох фаз.
Шунтування за допомогою вимикача також здійснюється по трьох фазах. На
рис. 3.3 представлено осцилограму струмів, отриману під час моделювання
трифазного короткого замикання в кінці кабельної лінії.

Рис. 3.3. Осцилограма струмів трифазного КЗ в кінці кабельної лінії
74

Аналіз рис. 3.3.:
1. Характер коливань: До моменту t₁ система працює в усталеному
режимі – струми та напруги мають синусоїдальний вигляд із незначними
коливаннями.
2. Момент t₁ – виникнення КЗ: У цей момент спостерігається різке
зростання амплітуди струмів у всіх трьох фазах. Зокрема, струм у фазі, де
виникло КЗ (ймовірно, фаза А), досягає найбільшого значення. Це типова
реакція системи на коротке замикання.
3. Перехідний процес: У проміжку між t₁ та t₂ видно аперіодичну
складову – струм має асиметричну форму, що свідчить про наявність
постійної складової у струмі КЗ. З часом ця складова затухає.
4. Розходження між випадками із шунтуючим та без шунтуючого
вимикача: Після моменту t₃ видно, що струми у фідері із шунтуючим
вимикачем спадають швидше, а форма сигналу стає більш симетричною. Це
означає, що шунтуючий вимикач ефективно обмежує тривалість і амплітуду
струму КЗ. Без шунтуючого вимикача струми довше залишаються високими,
що підвищує теплове навантаження на кабель і комутаційне обладнання.
5. Після моменту t₅: Струми поступово повертаються до нуля, що
відповідає відключенню пошкодженої ділянки. Система переходить у
післяаварійний режим.
Таким чином, отримана осцилограма підтверджує, що при виникненні
трифазного короткого замикання в кінці кабельної лінії спостерігається
значне збільшення струмів у всіх фазах та поява аперіодичної складової.
Застосування шунтуючого вимикача суттєво зменшує амплітуду та
тривалість струму КЗ, покращуючи селективність і швидкість відключення
пошкодження. Це підвищує надійність роботи кабельної лінії та зменшує
термічне навантаження на обладнання.

75

Рис. 3.4. Осцилограма струмів трифазного короткого замикання в кінці
кабельної лінії, зверху вниз послідовно: фаза А / фаза B / фаза C

76
Аналіз рис. 3.4.:
1. Період t₀–t₁ (нормальний режим). До моменту t₁ усі три фази
мають синусоїдальні струми з невеликою амплітудою – система працює в
нормальному режимі без пошкоджень.
2. Момент t₁ (виникнення короткого замикання). У всіх трьох фазах
відбувається різке збільшення струмів. Амплітуда струму у фазі, де виникло
КЗ, досягає найбільших значень (до 1800–2000 А). Це типовий процес при
симетричному трифазному замиканні.
3. Проміжок t₁–t₃ (перехідний процес). Спостерігається асиметрія
кривих – струм має аперіодичну складову (зміщення нуля кривої). Вона
поступово затухає внаслідок дії активних опорів у колі.
4. Проміжок t₃–t₄ (спрацьовування вимикачів). Після t₃ струми
починають зменшуватись. На графіку видно різницю між струмами через
вимикач із шунтуючим пристроєм (суцільна лінія) та без нього (штрихова):
o шунтуючий вимикач забезпечує швидше спадання струму,
o без нього струм зберігає більшу амплітуду довше.
5. Після t₄ (припинення КЗ). Струми поступово спадають до нуля,
що означає відключення аварійної ділянки.
Після моменту виникнення КЗ спостерігається значне збільшення
амплітуди струмів у всіх фазах та наявність аперіодичної складової.
Використання шунтуючого вимикача дозволяє зменшити амплітуду й
тривалість струму КЗ, що сприяє швидшому відновленню симетрії струмів і
зменшенню термічного впливу на кабель.

3.1.3. Двофазне коротке замикання на початку кабельної лінії

У цьому досліді блок трифазного короткозамикача (3-Phase Fault)
розташований на початку лінії та налаштований на замикання фаз A і C.
Шунтування за допомогою вимикача здійснюється лише по пошкоджених
фазах. На рисунку 3.5 представлено осцилограму струмів, отриману під час
77
моделювання двофазного короткого замикання A–C на початку кабельної
лінії.

Рис. 3.5. Осцилограма струмів двофазного КЗ на початку кабельної лінії

Аналіз рис. 3.5.:
1. До моменту t₁ система перебуває в усталеному режимі – струми у
фазах мають майже синусоїдальний характер із рівними амплітудами.
2. У момент t₁ відбувається коротке замикання: амплітуди струмів
різко зростають, особливо у фазі, де виникло КЗ.
3. У проміжку t₁–t₃ видно перехідний процес із наявністю
аперіодичної (постійної) складової, яка поступово затухає.
4. Після t₃ струми у фідері зі шунтуючим вимикачем (штрих-
пунктирні лінії) швидше спадають, що свідчить про ефективніше гасіння КЗ.
5. До моменту t₇ система переходить у післяаварійний режим:
струми практично зникають, коло розімкнено.
Таким чином, результати моделювання вказують, що використання
шунтуючого вимикача прискорює зниження амплітуд струмів і скорочує час
відновлення симетрії, що зменшує термічне навантаження на кабель і
підвищує ефективність захисту.

78

Рис. 3.6. Осцилограма струмів двофазного короткого замикання на
початку кабельної лінії, зверху вниз послідовно: фаза А / фаза B / фаза C

Аналіз рис. 3.6.
1. Початковий усталений режим (до моменту t1). Струми у всіх
трьох фазах (A, B, C) мають майже синусоїдальний характер з однаковими
79
амплітудами, що свідчить про усталений робочий режим системи до
виникнення аварії.
2. Виникнення КЗ (момент t1). У момент часу t1 (приблизно 0,02 с)
відбувається двофазне коротке замикання. На графіках (рис. 3.6) це
проявляється як різке зростання амплітуд струмів, особливо у двох фазах, де
виникло КЗ (наприклад, фаза A та фаза B на першому та другому графіках).
Це зростання супроводжується перехідним процесом з наявністю
аперіодичної (постійної) складової, що характерно для комутацій у RL-
ланцюгах (якою моделюється лінія)2.
3. Перехідний процес КЗ та пмикання пунта (проміжок t1 – t2). У
проміжку між t1 та t2 (час виникнення КЗ та час спрацювання керуючого
пристрою) струми КЗ досягають своєї максимальної аперіодичної та
періодичної амплітуди. Момент t2 позначає вмикання шунтуючого вимикача
SQF через резистор 0,01 Ом. Вмикання шунта призводить до перерозподілу
струмів КЗ та зменшення струму в основному фідері, оскільки частина
струму перенаправляється в шунтуючу гілку.
4. Ефект Шунта та Відключення КЗ (Проміжок t2 – t3). Струм «з
шунтом» (червона/пунктирна лінія): Після t2 амплітуда цього струму швидко
спадає або значно менша порівняно зі струмом «без шунта». Це свідчить про
те, що шунтуюча гілка ефективно відводить та обмежує струм у головній
лінії. Момент t3 позначає відключення КЗ лінійним вимикачем QF2.
5. Післяаварійний Режим (Після t3). Після моменту t3 усі струми
різко спадають майже до нуля, що свідчить про успішне відключення
пошкодженої ділянки та перехід системи у післяаварійний, або нормальний
робочий режим (якщо вимикач QF1 залишається замкненим).

3.1.4. Двофазне коротке замикання в кінці кабельної лінії

У цьому досліді блок трифазного короткозамикача (3-Phase Fault)
розташований у кінці лінії та налаштований на замикання фаз A і C.
80
Шунтування за допомогою вимикача здійснюється лише по пошкоджених
фазах. На рисунку 3.7 представлено осцилограму струмів, отриману під час
моделювання двофазного короткого замикання A–C у кінці кабельної лінії.

Рис. 3.7. Осцилограма струмів двофазного КЗ в кінці кабельної лінії

До моменту t1 система перебуває в усталеному режимі — струми у
фазах мають синусоїдальний характер із рівними амплітудами. У момент t1
відбувається двофазне КЗ у кінці кабельної лінії, що спричиняє різкий
стрибок струмів та перехідний процес. У проміжку t1– t3 видно перехідний
процес із наявністю аперіодичної складової, яка поступово затухає.
Вмикання шунтуючого вимикача SQF через резистор 0,01 Ом у момент t2 є
високоефективним: струми у фідері зі шунтуючим вимикачем (пунктирні
лінії) значно швидше і сильніше спадають, демонструючи успішне
обмеження струму КЗ. До моменту t3 відбувається відключення вимикачем
QF2, і струми КЗ повністю зникають, завершуючи післяаварійний режим.
На рисунку 3.8 для більшої наочності наведено осцилограми струмів,
отримані під час моделювання двофазного короткого замикання в кінці
кабельної лінії, окремо для кожної фази.

81

Рис. 3.8. Осцилограма струмів двофазного короткого замикання в кінці
кабельної лінії, зверху вниз послідовно: фаза А / фаза B / фаза C

Аналіз рис. 3.8.
1. Початковий усталений режим (до моменту t1). До моменту часу t1
(приблизно 0,02) струми у всіх фазах мають синусоїдальний характер з
невеликими амплітудами, що відповідає нормальному робочому режиму
системи.
82
2. Виникнення КЗ та перехідний процес (момент t1 – t2). У момент
часу t1 (приблизно 0,02 с) відбувається двофазне коротке замикання в кінці
кабельної лінії (К2). Струми в аварійних фазах (ймовірно, фаза A та фаза B
на верхньому та середньому графіках) різко зростають, досягаючи амплітуд
понад 1500 А. Спостерігається перехідний процес з наявністю аперіодичної
(постійної) складової, яка зміщує синусоїду відносно нуля.
3. Вмикання шунта та обмеження струму (момент t2 – t3). Момент t2
(приблизно 0,05 с) позначає вмикання шунтуючого вимикача (SQF) через
резистор 0,01 Ом. Струм «з шунтом» (штрих-пунктирна лінія): Після t2
амплітуда цього струму значно спадає і має меншу амплітуду порівняно зі
струмом «без шунта» (суцільна лінія). Це підтверджує, що шунтуюча гілка
обмежує та перерозподіляє струм КЗ.
4. Відключення КЗ та затухання (момент t3 – t4). Момент t3
(приблизно 0,075 с) позначає відключення КЗ лінійним вимикачем (QF2).
Після t3 струми різко спадають майже до нуля, що свідчить про успішне
відключення пошкодженої ділянки.
Таким чином, до моменту t1 система перебуває в усталеному режимі –
струми у фазах мають синусоїдальний характер. У момент t1 виникає
двофазне КЗ у кінці кабельної лінії (К2), викликаючи різкий перехідний
процес. Вмикання шунтуючого вимикача (SQF) через резистор 0,01 Ом у
момент t2 є ефективним заходом: струми у фідері зі шунтуючим вимикачем
(штрих-пунктирні лінії) суттєво зменшуються та швидше затухають
порівняно зі струмами «без шунта». Це свідчить про успішне обмеження
струму КЗ. У момент t3 КЗ відключається вимикачем (QF2), і струми
зникають.

83
3.2. Перспективи використання в електричних мережах вакуумних
струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу

На шинах підстанції струм КЗ знижується практично до нуля у випадку
використання вакуумних струмообмежуючих комутаційних апаратів
шунтуючого, про що свідчать результати моделювання проведені у п. 3.1.
Таким чином, падіння напруги між точкою природного КЗ і точкою штучно
створеного КЗ дорівнює нулю або прагне до нього, і тому струм, що протікає
через лінійний вимикач пошкодженого приєднання, дуже малий за
амплітудою. Як видно з наведених у п. 3.1 осцилограм в результаті
проведених модельних експериментів, струм КЗ, що протікає через лінійний
вимикач відвідного приєднання, у момент увімкнення шунтуючого
вакуумного СОП практично повністю переходить на шунтуючий вимикач,
суттєво знижуючи струм, що протікає через лінійний вимикач відвідного
фідера. Варто зазначити, що це спостереження справедливе для всіх
можливих коротких замикань у мережі 10 кВ [18].
Струм, що протікає через лінійний вимикач пошкодженого
приєднання, порівнянний за величиною з номінальним, що дозволяє
відключати пошкоджену лінію з меншими збуреннями. Це зменшує знос
обладнання та підвищує комутаційний ресурс вимикача. Оскільки при
наявності вакуумного СОП шунтуючого типу лінійними вимикачами рідше
відбувається відключення аварійних струмів, відповідно, рідше потрібне їх
обслуговування, що призводить до зменшення часу простою обладнання та
недовідпуску енергії споживачу.
Водночас слід звернути увагу, що вакуумні СОП шунтуючого типу
мають низку переваг над існуючими способами обмеження струму короткого
замикання. Так, наприклад, застосування попередньо включених резисторів,
струмообмежуючих реакторів та трансформаторів із розщепленими
обмотками знижує надійність електропостачання споживачів, збільшує
втрати в системі та знижує якість напруги на шинах споживачів, оскільки
84
обмеження струмів КЗ досягається за рахунок збільшення сумарного
реактивного опору мережі, чого не спостерігається при шунтуванні.
Тиристорні струмообмежуючі пристрої мають високу вартість та потребують
підвищеної кваліфікації персоналу через обмежену практику експлуатації.
Перевагами вакуумних вимикачів є: широка номенклатура виробів, серійне
виробництво, знижені розрахункові витрати та більша практика експлуатації
[4].
Деяким обмеженням використання вакуумних СОП шунтуючого типу є
ресурс роботи вимикачів, що застосовуються на підстанціях, де струми КЗ
близькі до їх відключаючої здатності. Проте навіть у цих умовах вимикачі
витримують до капітального ремонту 40–50 циклів «відключення–
увімкнення», що є прийнятним для багатьох випадків практичного
застосування цих вимикачів у складі СОП шунтуючого типу. При цьому слід
враховувати, що при організації синхронних циклів «відключення–
увімкнення» ресурс вимикачів у складі СОП шунтуючого типу може бути
кратно збільшений. Щодо лінійних вимикачів очікується, що їх ресурс зросте
завдяки суттєвому обмеженню відключаючих струмів КЗ, що дозволяє
продовжити термін служби наявних лінійних вимикачів [5].
Зазвичай на підстанціях з РП 10 кВ досить багато відвідних приєднань.
Водночас, оскільки зменшується струм, що протікає через лінійний вимикач
пошкодженого фідера, знижуються вимоги до відключаючої здатності
лінійних вимикачів. Таким чином, можливий принципово новий підхід до
будівництва нових підстанцій. Тому, при використанні вакуумних
струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого на фідерах можна
застосовувати вимикачі з меншою відключаючою здатністю, що, відповідно,
забезпечує значну економічну вигоду за рахунок зниження загальної вартості
лінійних вимикачів на фідерах трансформаторної підстанції.

85
3.3. Висновки до розділу 3

У третьому розділі проведено комп’ютерне дослідження аварійних
режимів роботи електричної мережі 10 кВ із використанням вакуумних
струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу. Метою
дослідження було оцінити ефективність таких апаратів у процесах
обмеження струмів короткого замикання та визначити перспективи їх
застосування в електричних мережах.
У результаті виконаного моделювання отримано такі результати:
1. При виникненні коротких замикань (трифазних і двофазних) у
всіх досліджених випадках спостерігається різке зростання струмів у
пошкоджених фазах і поява аперіодичної складової, що є типовим проявом
перехідного процесу в мережі змінного струму.
2. Використання вакуумного шунтуючого вимикача забезпечує
ефективне обмеження струму короткого замикання. Після його увімкнення
амплітуда струмів істотно зменшується, а перехідний процес протікає
швидше, що підтверджується результатами комп’ютерного моделювання.
3. Енергія короткого замикання перерозподіляється між основним
та шунтуючим колами, унаслідок чого знижується електродинамічне й
теплове навантаження на лінійний вимикач та елементи мережі.
4. Захисна автоматика спрацьовує коректно: після спрацювання
вимикачів струми зменшуються до нуля, що свідчить про повне відключення
пошкодженої ділянки та відновлення нормального режиму роботи системи.
5. Ефективність використання шунтуючого комутаційного апарата
підтверджено для всіх варіантів аварійних режимів – як при коротких
замиканнях на початку, так і в кінці кабельної лінії. Це вказує на
універсальність і надійність даного рішення.
6. Вакуумні СОП шунтуючого типу дозволяють практично
повністю зняти струм короткого замикання з лінійного вимикача, що істотно
86
зменшує його електричне навантаження, підвищує ресурс контактної
системи та продовжує термін експлуатації обладнання.
7. Зниження вимог до відключаючої здатності лінійних вимикачів
створює можливість застосування менш потужних і, відповідно, дешевших
апаратів на фідерах підстанцій, що забезпечує помітний економічний ефект
під час будівництва та експлуатації систем електропостачання.
8. Порівняно з іншими способами обмеження струмів короткого
замикання (реактори, резистори, трансформатори з розщепленими
обмотками, тиристорні пристрої), вакуумні СОП шунтуючого типу мають
низку переваг:
− високу надійність і простоту конструкції;
− невисоку вартість і серійне виробництво;
− відсутність негативного впливу на якість електроенергії;
− зменшені експлуатаційні витрати;
− підвищений комутаційний ресурс.
Таким чином, використання вакуумних СОП шунтуючого типу в
системах електропостачання дозволяє значно підвищити рівень
електробезпеки, скоротити тривалість аварійних процесів і знизити
навантаження на комутаційне обладнання. Це робить їх застосування
доцільним у сучасних розподільчих мережах 6…10 кВ як ефективний засіб
обмеження струмів короткого замикання.

87
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У кваліфікаційній роботі магістра проведено комплексний аналіз та
дослідження процесів обмеження струмів короткого замикання в
електричних мережах середнього класу напруги з використанням вакуумних
струмообмежуючих комутаційних апаратів шунтуючого типу. На основі
теоретичних, аналітичних та комп’ютерних досліджень отримано такі
основні результати та висновки:
1. Виконано теоретичний аналіз природи та причин виникнення
комутаційних перехідних процесів в електричних мережах. Встановлено, що
основними факторами, які визначають рівень струмів короткого замикання є
параметри елементів мережі, характер комутаційних операцій і режими
роботи обладнання.
2. Проаналізовано режими роботи електричних систем за
нормальних і аварійних умов. Показано, що навіть у нормальних режимах
комутація може супроводжуватися перенапругами, а при аварійних —
короткі замикання створюють значні термічні й динамічні навантаження, що
потребують ефективних заходів обмеження струму.
3. Визначено напрями підвищення стійкості електричних мереж,
серед яких найбільш перспективними є використання вакуумних
комутаційних апаратів у складі шунтуючих струмообмежуючих пристроїв
(СОП) та впровадження систем керованої (синхронної) комутації.
4. Розроблено достовірну комп’ютерну модель електричної мережі
10 кВ у середовищі MATLAB/Simulink, яка адекватно відтворює процеси
виникнення та ліквідації коротких замикань. Отримані осцилограми напруг і
струмів узгоджуються з фізичною суттю процесів та теоретичними
очікуваннями, що підтверджує коректність моделі.
5. Встановлено, що вакуумний СОП шунтуючого типу ефективно
обмежує струм короткого замикання як при трифазних, так і при двофазних
пошкодженнях незалежно від місця їх виникнення. Вмикання шунта
88
спричиняє швидке спадання амплітуди струмів, перерозподіл енергії між
колами та зменшення термічного навантаження на вимикачі.
6. Захисна автоматика системи працює стабільно та коректно:
відключення пошкоджених ділянок відбувається у визначені часові
інтервали, а післяаварійний режим характеризується повним згасанням
струмів у всіх фазах.
7. Застосування вакуумних шунтуючих вимикачів дозволяє знизити
вимоги до відключаючої здатності лінійних вимикачів, що відкриває
можливість використання менш потужних та дешевших апаратів,
підвищуючи економічну ефективність системи електропостачання.
8. Порівняльний аналіз показав переваги вакуумних СОП
шунтуючого типу над іншими засобами обмеження струмів КЗ (реактори,
резистори, трансформатори з розщепленими обмотками, тиристорні
пристрої). Основні переваги:
− висока швидкодія та надійність;
− простота конструкції й серійне виробництво;
− відсутність негативного впливу на якість електроенергії;
− зменшені експлуатаційні витрати;
− підвищений комутаційний ресурс.
9. Результати досліджень підтверджують доцільність застосування
вакуумних СОП шунтуючого типу у сучасних розподільчих мережах 6–10
кВ. Їх використання забезпечує підвищення рівня електробезпеки, зниження
теплового та електродинамічного навантаження на обладнання, скорочення
часу ліквідації аварій та збільшення ресурсу комутаційних апаратів.

89
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Бойко В.С. Релейний захист і автоматика енергосистем. – К.:
НУЕЕ, 2021. – 312 с.
2. Гончаренко П.В., Протасов С.Ю. Обмеження струмів короткого
замикання вакуумними пристроями шунтуючого типу // Збірник тез
доповідей студентської науково-практичної конференції ЧДТУ (22–24 квітня
2025 р.) [Електронний ресурс] / упоряд.: Єгорова О. В., Захарова О. В.,
Тичков В. В. та ін.; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т.
Черкаси: ЧДТУ, 2025. С. 125.
3. Гончарук В.М. Електричні апарати і пристрої: підручник. – Львів:
Львівська політехніка, 2018. – 452 с.
4. Драч О.Г. Вакуумні вимикачі та їх застосування в
енергосистемах. – К.: Техніка, 2019. – 288 с.
5. ДСТУ EN 62271-100:2018. Високовольтні комутаційні апарати.
Вимикачі змінного струму. – К.: ДП «УкрНДНЦ», 2018. – 156 с.
6. Іщенко Ю.О. Математичне моделювання комутаційних процесів
у вакуумних вимикачах. – К.: НТУУ «КПІ», 2021. – 204 с.
7. Кисельов Д. І. Вакуумна комутація та перенапруги в системах 6–
35 кВ. – Харків: УкрНТЕІ, 2019. – 221 с.
8. Клюєв, В.І. Перехідні процеси в електричних колах та системах. –
К.: Либідь, 2016. – 340 с.
9. Коваль Р.В. Перспективні методи комутації в мережах середньої
напруги. – Одеса: ОНАХТ, 2020. – 166 с.
10. Ковальчук С.М. Аналіз режимів електричних мереж із
використанням MATLAB. – К.: НУЕЕ, 2018. – 198 с.
11. Костенко М.П. Теорія електричних кіл. – К.: Вища школа, 2015. –
408 с.
12. Лазарєв О.С. Перехідні процеси в системах електропостачання
промислових підприємств. – К.: Енергія, 2020. – 268 с.
90
13. Литвиненко І.О. Методи обмеження струмів короткого замикання
в мережах середньої напруги. – Харків: ХНУРЕ, 2020. – 178 с.
14. Пархоменко І.А. Підвищення надійності електричних мереж 6–10
кВ шляхом використання струмообмежуючих пристроїв. – К.: ІЕЕ НАН
України, 2022. – 195 с.
15. Правила улаштування електроустановок (ПУЕ). – К.:
Міністерство енергетики України, 2017. – 452 с.
16. Сидоренко А.П. Енергетичні системи України: проблеми
надійності та перспективи розвитку. – К.: УкрДЕІ, 2023. – 180 с.
17. Таран С.В. Математичне моделювання аварійних режимів
електричних мереж. – К.: КПІ ім. І. Сікорського, 2022. – 192 с.
18. Шевченко О.І. Системи обмеження струмів короткого замикання:
огляд сучасних технологій. // Електротехніка і Електромеханіка. – 2021. – №
5. – С. 18–24.
19. Hizanidis, K.A., et al. Modeling and Simulation of Fault Currents in
Medium Voltage Networks with Fault Current Limiters. // Electric Power Systems
Research. – 2021. – Vol. 193. – p. 107004.
20. IEC 62271-100:2017. High-voltage switchgear and controlgear – Part
100: Alternating-current circuit-breakers. – Geneva: IEC, 2017.
21. IEEE Std C37.09-2018. IEEE Standard Test Procedure for AC High-
Voltage Circuit Breakers. – New York: IEEE, 2018.
22. IEEE Українська секція. Матеріали конференції «Сучасні
проблеми енергетики». – Київ, 2024. – 330 с.
23. MathWorks Inc. Simulink User’s Guide. – Natick, MA: MathWorks,
2022.
24. Mazzetti, C., and Veca, G. Switching Phenomena in High Voltage
Vacuum Circuit Breakers. – Springer, 2018. – 412 p.
25. Slade, P. G. The Vacuum Interrupter: Theory, Design, and
Application. – CRC Press, 2020. – 568 p.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets