Система контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью
INSULATION CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC CIRCUITS WITH BLIND-EARTHED NEUTRAL

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для эксплуатационного пофидерного контроля сопротивления изоляции кабельных линий под рабочим напряжением в трехфазных сетях с глухозаземленной нейтралью. Оно может быть использовано при создании устройств пофидерного (избирательного) контроля и измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока с глухозаземленной нейтралью.
В сетях с глухозаземленной нейтралью при замыканиях на корпус (землю) через некоторое переходное сопротивление автоматическое отключение, основанное на применении максимальной токовой защиты, срабатывать не будет. Данный режим чрезвычайно опасен, так как протекание даже малых токов в доли ампера в локализованных по объему дефектах изоляции приводит к пиролизу изоляции и в конечном итоге к возгоранию.
С увеличением суммарной протяженности кабельной сети системы электроснабжения ухудшаются условия электро- и пожаробезопасности, а также снижается надежность электроснабжения потребителей.
В связи с этим имеется задача повышения точности, оперативности и достоверности контроля сопротивления изоляции сетей переменного тока с глухозаземленной нейтралью.
Известно устройство [RU 2092862, C1, G01R 27/08, 10.10.1997], содержащее трансформатор тока нулевой последовательности, первичные обмотки которого с одной стороны подключены к источнику тока, а с другой - к контролируемой сети, а также прибор для измерения электрической мощности, обмотка напряжения которого подключена к фазе источника тока и в качестве оно содержит милливаттметр, тоновая обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности, и коммутационный аппарат, контакт которого включен параллельно одному из фазных контактов вводного силового коммутационного аппарата контролируемой сети.
Недостатком этого устройства является относительно низкая точность и достоверность контроля.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство контроля сопротивления изоляции и тока утечки в электроустановках [RU 2229764, C1, Н02Н 3/16, 27.05.2004], содержащее генератор сети с измерительной цепью, исполнительным элементом, исполнительным органом, включенным последовательно с нагрузкой, и индикацией нормального и аварийного состояний, причем, измерительная цепь выполнена в виде датчика тока нулевой последовательности, выход которого подключен ко входу первого выпрямителя, положительный выход которого соединен с одним выводом емкостного фильтра в виде конденсатора и управляющим электродом тиристора, отрицательный выход первого выпрямителя - с другим выводом емкостного фильтра, с катодом упомянутого тиристора и отрицательным выходом второго выпрямителя, положительный выход которого подключен к аноду тиристора, вход второго выпрямителя подключен параллельно первому индикатору узла индикации нормального и аварийного состояний, соединенному со вторым индикатором, другой вывод которого подключен к нулевому проводу, параллельно первому индикатору включены два замыкающих контакта первого и второго реле, входящих в исполнительный элемент, обмотка первого реле через диод подключена одним выводом к параллельно включенному конденсатору, другим через первый ограничительный резистор - к одной из фаз сети после контакта магнитного пускателя, включенного последовательно с автоматом, образующих исполнительный орган, к точке соединения анода диода и параллельно соединенных замыкающих контактов первого и второго реле подключена одним выводом кнопка сброса, другой вывод которой подключен к фазе сети между контактами автомата и магнитного пускателя, обмотка второго реле подключена одним выводом к точке соединения замыкающих контактов первого и второго реле и первого и второго индикаторов, другим - к нулевому проводу, между нулевым проводом и упомянутым фазным включены последовательно второй ограничительный резистор и кнопка включения тестового контроля, обмотка магнитного пускателя подключена к линейному напряжению между контактами автомата и пускателя через второй размыкающий контакт второго реле.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку в нем отсутствует возможность контроля изоляции в РЕ-проводнике. Кроме того, наиболее близкое техническое решение обладает относительно низкой оперативностью, поскольку при определении сопротивления изоляции необходимо производить дополнительное подключение в каждую из фаз нагрузочного сопротивления и после этого определять сопротивление изоляции по результатам выполненных измерений искусственно созданной несимметрии в каждой из фаз. Это вызывает снижение точности и достоверности контроля, а также к неоправданному усложнению устройства. Все это приводит к снижению арсенала технических средств, которые могут быть использованы для контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью.
Задачей изобретения является задачу создания современной системы контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью, которая выполнена на современной цифровой элементной базе и обладает простотой, надежностью, достоверностью, оперативностью и точностью контроля.
Требуемый технический результат заключается в повышении надежности, достоверности, оперативности и точности контроля.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в систему, содержащую установленные на каждом ответвлении контролируемой трехфазной сети, соединенным с соответствующим ему потребителем, датчики тока, а также блок индикации нормального и аварийного состояний сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью, определяющего аварийное состояние сопротивления изоляции при его снижении ниже допустимого уровня, согласно изобретению, датчики тока, установленные на каждом ответвлении контролируемой трехфазной сети, состоят из датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на четырехпроводном кабеле, и датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на РЕ-проводнике, причем, каждый из датчиков-преобразователей состоит из экранированного корпуса, в котором установлен модуль преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя и выполнено сквозное отверстие для ответвления контролируемой трехфазной сети датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на четырехпроводном кабеле, охватываемого катушкой Роговского, которая соединена со входом соответствующего модуля преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя, и датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на РЕ-проводнике, охватываемых катушкой Роговского, которая соединена со входом соответствующего ей модуля преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя, при этом, модули преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифровых преобразователей соединены последовательно и подключены к блоку индикации нормального и аварийного состояний сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью, выполненного в виде блока цифровой обработки данных.
Заявленное техническое решение представлено на чертеже:
на фиг. 1 - функциональная схема системы контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью (пример выполнения четырехпроводным кабелем без заземляющего РЕ-проводника);
на фиг. 2 - функциональная схема системы контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью (пример выполнения пятипроводным кабелем с заземляющим РЕ-проводником);
на фиг. 3 - функциональная схема системы контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью (пример выполнения пятипроводным кабелем с заземляющим РЕ-проводником);
на фиг. 4 - фото блока индикации нормального и аварийного состояний, выполненного в виде блока цифровой обработки данных;
на фиг. 5 - конструкция корпуса блока индикации нормального и аварийного состояний, выполненного в виде блока цифровой обработки данных;
на фиг. 6 - конструкция датчика-преобразователя дифференциального тока утечки (6а - с катушкой Роговского, 6б - с увеличенной катушкой Роговского, 6в с катушкой Роговского для РЕ-проводника);
на фиг. 7 - фото датчиков-преобразователей дифференциального тока утечки (представленных на фиг.6).
На чертеже обозначены:
1 - трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью;
2 - датчик-преобразователь дифференциального тока утечки, установленный на четырехпроводном кабеле;
3 - потребители тока;
4 - блок индикации нормального и аварийного состояний, выполненного в виде блока цифровой обработки данных;
5 - рабочее место диспетчера;
6 - датчик-преобразователь дифференциального тока утечки, установленный на РЕ-проводнике.
Работает система контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью следующим образом.
Разработанная система контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью предназначена для мониторинга состояния изоляции в кабельных распределительных сетях с глухозаземленной нейтралью до 1000 В с целью прогнозирования, планирования профилактических мероприятий и ремонтных работ для предотвращения пробоев изоляции и замыканий на землю.
Система контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью содержит установленные на каждом ответвлении контролируемой трехфазной сети 1 датчики тока, установленные на каждом ответвлении контролируемой трехфазной сети, которые состоят из датчика-преобразователя 2 дифференциального тока утечки, установленного на четырехпроводном кабеле, и датчика-преобразователя 6 дифференциального тока утечки, установленного на РЕ-проводнике.
Система контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью содержит также блок 4 индикации нормального и аварийного состояний сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью, выполненный в виде блока цифровой обработки данных, определяющий аварийное состояние сопротивления изоляции при его снижении ниже допустимого уровня.
Кроме того, в системе контроля сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью датчики тока, установленные на каждом ответвлении контролируемой трехфазной сети, состоят из датчика-преобразователя 2 дифференциального тока утечки, установленного на четырехпроводном кабеле, и датчика-преобразователя 6 дифференциального тока утечки, установленного на РЕ-проводнике, причем, каждый из датчиков-преобразователей состоит из экранированного корпуса, в котором установлен модуль преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя и выполнено сквозное отверстие для ответвления контролируемой трехфазной сети датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на четырехпроводном кабеле, охватываемого катушкой Роговского, которая соединена со входом соответствующего модуля преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя, и датчика-преобразователя дифференциального тока утечки, установленного на РЕ-проводнике, охватываемых катушкой Роговского, которая соединена со входом соответствующего ей модуля преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифрового преобразователя, при этом, модули преобразования и передачи сигналов в виде аналого-цифровых преобразователей соединены последовательно и подключены к блоку 4 индикации нормального и аварийного состояний сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземленной нейтралью, выполненного в виде блока цифровой обработки данных.
Блок 4 цифровой обработки данных состоит из корпуса, в котором расположен блок питания с узлами выпрямителей основного и резервного напряжения питания и автоматическим вводом резерва, блок защиты от помех, устройства индикации, микрокомпьютер, блок интерфейсов с разъемами для подключения датчиков-преобразователей и для подключения к компьютеру (ЭВМ) рабочего места 5 оператора. На каждом ответвлении контролируемой сети 1, выполненной пятипроводным кабелем с РЕ-проводником, установлены датчик-преобразователь 2 дифференциального тока утечки, установленный на четырехпроводном кабеле, и датчик-преобразователь 6 дифференциального тока утечки, установленный на заземляющий РЕ-проводник.
В разработанной системе в качестве первичных чувствительных элементов датчиков-преобразователей дифференциального тока утечки применена катушка Роговского. Конструкция катушки Роговского представляет собой токовый трансформатор с воздушным сердечником. Катушка наматывается на воздушный сердечник такого размера, чтобы через его отверстие могла быть пропущена шина с измеряемым током. Чтобы уменьшить паразитные емкости, витки должны быть намотаны с равными расстояниями друг от друга и в одну сторону. Для исключения влияния витка, создаваемого самой катушкой, ее конец возвращают к началу, прокладывая вдоль окружности тороида. В связи с тем, что выходное напряжение обычно мало, как правило, катушку экранируют от электрических помех. Экран при этом не должен образовывать короткозамкнутого витка. Выводы катушки должны быть также экранированы, причем один из выводов должен быть соединен с экраном и заземлен.
Поскольку измеряемые токи очень малы, возникает сложность в их передаче из-за сильного затухания и низкой помехоустойчивости. Для решения этих проблем в непосредственной близости от катушки Роговского (в одном корпусе) установлен аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует полученный аналоговый сигнал в цифровой вид и передает его на блок обработки. Таким образом, измеренный катушкой Роговского ток нулевой последовательности и преобразованный в цифровой вид передается в цифровой обработки данных практически не подвергаясь воздействию помех и не затухая.
В настоящее время изготовлены и прошли государственные испытания опытные образцы системы пофидерного контроля состояния изоляции, датчики-преобразователи которых представлены на фиг. 6 и фиг. 7.
Отличительной особенностью применяемых датчиков-преобразователей тока является малая мощность выходного сигнала по сравнению с трансформаторами тока напряжения, конструкции которых сформировались достаточно давно, поэтому стандартные значения их выходных параметров определялись уровнем развития и состоянием средств автоматики середины XX века. Большая выходная мощность используемых трансформаторов была оправданной, так как от них питались реле автоматики и защиты, средства измерений и регистрации. Современные информационно-измерительные системы (ИИС) имеют на своих входах либо сигнальные процессоры с встроенными аналого-цифровые преобразователи (АЦП), либо отдельные АЦП, которые не требуют таких мощных сигналов для получения приемлемого отношения сигнал/шум, что привело к возникновению и широкому внедрению концепции датчиков тока малой мощности.
Конструктивно блок цифровой обработки данных представляет собой конструкцию, состоящую из следующих основных элементов: узлов защиты от помех;
узлов выпрямителей основного и резервного напряжения питания;
автоматического ввода резерва (АВР);
блока интерфейсов;
устройств индикации результатов измерений.
Разработанная система выполняет следующие функции:
• ранжирование номеров кабельных присоединений в зависимости от значения тока утечки;
• сравнение токов утечки с заданными порогами для генерации предупреждающих сообщений и сигнализации.
• определение номеров кабелей с наихудшей изоляцией;
• создание графика изменения сигналов во времени;
• корректировка значений порогов сигнализации;
• архивирования и визуализации информации;
• проведение сравнительного анализа токов утечки, индивидуальное назначение порогов сигнализации, учет исходных небалансов, возможность оперативной перенастройки;
• новые датчики-преобразователи дифференциального тока обеспечивают высокую чувствительность, а различные варианты конструктивного исполнения - удобный и простой монтаж;
• микрокомпьютер реализует оригинальный алгоритм обработки сигналов от 8, 16, 32 и более датчиков, основанный на учете особенностей конкретной распределительной сети, что обеспечивает высокую достоверность обнаружения развивающихся дефектов изоляции;
• контроль исправности первичных датчиков-преобразователей;
• выполнение необходимой математической обработки значений параметров;
• контроль достоверности параметров и исправности технических средств нижнего уровня в процессе работы системы, ведение протоколов и архивов по ошибкам, отказам и другим отклонениям от нормальных режимов работы, а также статистической информации по работе оборудования;
• формирование и управление базами данных учетных параметров, ведение архивов для решения задач: оперативного контроля состояния изоляции, расчета прогнозных значений сопротивления изоляции, формирование экранных форм отображения отчетных документов за расчетные периоды, накопление статистической информации для анализа и прогноза состояния изоляции, планирования профилактических мероприятий и ремонтов по повышению надежности электроснабжения;
• представление и управление вводом и выводом необходимой учетной информации в виде текста, гистограмм, графиков, таблиц и т.д. на экран монитора;
• формирование печатных документов произвольной формы;
• возможность подключения дополнительных задач и обработки учетной информации.
Типы разработанных заявителем вариантов СКСИ представлены в таблице 1.
Основные технические характеристики изделий приведены в таблице 2.
Сравнительные характеристики СКСИ с другими серийно выпускаемыми изделиями «Астро*ИЗО-470» (ООО «Астро-УЗО»), ISOMETER IRDH575 (Bender Russland) и HIS 500 (Hakel) приведены в таблице 5.
Система СКСИ работает по принципу измерения переменного тока нулевой последовательности, путем преобразования магнитного поля, создаваемого трехфазными токами в контролируемой цепи в аналоговые сигналы, которые преобразуются в цифровые данные. Реализация такой системы позволит преодолеть серьезную проблему - недостаточности существующих технических средств и методов для постоянного контроля за состоянием изоляции.
Система является открытой для пользователя и имеет в своем составе необходимые средства для сопровождения, модернизации и развития. Инструментальное ПО имеет удобный пользовательский интерфейс и обеспечивает генерацию прикладного программного обеспечения и ввода необходимых для этого данных в форме диалога с оператором. Система позволяет обрабатывать данные с использованием стандартных программ.
Использование системы пофидерного контроля состояния изоляции в составе программно-аппаратного комплекса дает возможность непрерывного мониторинга состояния изоляции всех контролируемых присоединений, что необходимо для прогноза возможных коротких замыканий в сети с достаточным для оперативных мероприятий запасом времени.
Результаты проведенных испытаний показали, что датчики-преобразователи обладают существенной чувствительностью по сравнению с применяемыми трансформаторами тока.
Реализация системы пофидерного контроля состояния изоляции позволит решать новые, ранее недоступные задачи:
- наблюдение за динамикой изменения состояния изоляции.
- сократить время нахождения электрических сетей системы электроснабжения в аварийном или предаварийном состоянии.
- исключить аварийное отключение потребителей вследствие замыканий в электрических сетях СЭС вызванных старением электрической изоляции.
- возможность контроля за множеством объектов (участки распределительной сети, ответственные приемники электроэнергии).
- обеспечить оперативность поиска места повреждения в разветвленных электрических сетях СЭС.
Таким образом, в предложенной системе достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении надежности, достоверности, оперативности и точности контроля.