Способ и устройство контроля изоляции системы электроснабжения с изолированной нейтралью
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF ISOLATION OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM WITH ISOLATED NEUTRAL

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля сопротивления изоляции многофазных разветвленных сетей переменного тока с изолированной нейтралью, находящихся под напряжением. Предлагаемое устройство может быть использовано там, где есть изолированные от земли силовые сети переменного тока, например на нефтепромыслах, на судах, в шахтах, метрополитене.
При эксплуатации разветвленной системы электроснабжения с изолированной нейтралью частым является нарушение изоляции, вызванное различными факторами, такими как трещины в опорных, проходных и штыревых изоляторах, неправильная работа ограничителей напряжения, разрядников. Определить такие нарушения сложно, т.к. происходит неполный пробой изоляции поврежденного элемента и по истечении небольшого промежутка времени изоляционные свойства могут восстановиться. Этот процесс может возникать с различной периодичностью, поэтому поиск подобного повреждения путем обхода линий электропередачи затруднен. При возникновении повреждений изоляции на двух фазах в различных точках системы электроснабжения образуется двойное замыкание на землю, которое создает опасность поражения электрическим током находящегося в этой зоне обслуживающего персонала, особенно вблизи заземленных объектов. Этот режим может быть длительным из-за нечувствительности к нему межфазной токовой защиты. Как правило, при таком нарушении ток идет по наиболее проводящей среде, например, в условиях месторождения нефти он будет протекать по нефтепроводу. Для своевременного выявления этих нарушений в системе электроснабжения необходимо проводить мониторинг состояния изоляции.
Известно устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки (патент РФ №2157039, МПК Н02Н 3/16, G01R 27/18, 11.11.1999), содержащее измерительную цепь, состоящую из выпрямителя на диодах, последовательно соединенных светоизлучателя оптопары, регулировочного и ограничительного резисторов, источника постоянного напряжения, выполненного на параметрическом стабилизаторе напряжения, и исполнительного элемента в виде электромагнитного реле напряжения, включенного через выходной элемент оптопары. Недостатком известного устройства является низкое входное сопротивление измерительных цепей, постоянно подключенных к контролируемой сети, кроме того, работа этого устройства недостаточно надежна, поскольку зависит от колебаний напряжения в контролируемой сети.
Известен способ контроля сопротивления изоляции разветвленных сетей постоянного и переменного тока (патент РФ № 2028638, МПК G01R 31/02, G01R 27/18, дата публикации 09.02.1995, выбран в качестве прототипа способа), основанный на наложении переменного напряжения с периодически изменяющейся частотой на контролируемую сеть, измерении величины тока, обратно пропорциональной величине сопротивления изоляции. В устройстве, реализующем данный способ, датчики тока снабжены дополнительной обмоткой, в цепи замыкания на землю которой установлены компенсирующие индуктивности, источник контрольного напряжения выполнен в виде генератора качающейся частоты. Измерение токов утечки производят в точках нижних экстремумов величины тока по частотной координате. Недостатком способа является низкая точность измерения, обусловленная трудностью выбора такого частотного диапазона генератора и величин индуктивностей, которые соответствовали бы наблюдающемуся на практике большому разбросу распределенных емкостей различных присоединений одной электрической сети.
Известно устройство для поиска поврежденного участка в сетях постоянного и переменного тока (патент РФ № 2052826, МПК G01R 27/18, G01R 31/28, дата публикации 20.01.1996), содержащее вспомогательный источник контрольного переменного напряжения, разделительный конденсатор, сумматор, компенсирующий конденсатор и ключ. В датчиках тока отходящих участков сети введена компенсирующая обмотка, включенная встречно основной, регулируемое сопротивление подключено параллельно компенсирующему конденсатору. Недостатком данного устройства является необходимость предварительной (перед включением его в работу) настройки регулируемых элементов в цепях дополнительных обмоток на нулевую величину выходного сигнала датчика, при подключении к сети эквивалентного контролируемому присоединению элемента, но с заведомо нормальным сопротивлением изоляции. Такие действия весьма трудно реализовать на практике, что снижает точность результатов.
Известно устройство контроля замыкания фазы на корпус в трехфазных сетях с изолированной нейтралью (патент РФ №2370782, МПК G01R 31/02, 30.05.2008), выбранное в качестве прототипа, содержащее три выпрямительных диода, аноды которых через резисторы подключены к контролируемой сети, а катоды объединены в узел и соединены с анодом динистора, катод которого связан с одним выводом катушки электромагнитного реле, второй вывод которого подключен к корпусу. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает избирательности в определении фазы, замкнувшейся на корпус (частично или полностью).
Технической задачей изобретения является осуществление избирательного контроля утечки или замыкания фазы на землю в разветвленной системе электроснабжения с изолированной нейтралью, выявление элемента с поврежденной изоляцией до появления аварийного режима.
Технический результат достигается в устройстве контроля изоляции сети электроснабжения с изолированной нейтралью (далее – устройство контроля), содержащем высоковольтные провода подключения,  контактор измерительной цепи, контактор заземления параллельно контактам,  которого подключен диодный мост с модулятором тока, выполненное с возможностью подключения фазы сети электроснабжения через коммутационный переключатель, токоограничивающий конденсатор, контакт контактора измерительной цепи и контакт контактора заземления к контуру заземления. Устройство контроля содержит блоки сравнения напряжений, подключенные к фазам. Устройство контроля может быть выполнено мобильным, в цельном защищенном корпусе, позволяющем перевозить его до места производства работ на автомобиле. В отличие от известных систем устройство контроля не использует генератор для формирования дополнительного тока, а модулирует сам поисковый ток, протекающий к месту повреждения, что обеспечивает надежность его поиска, позволяет выявить элемент с поврежденной изоляцией до появления аварийного режима и позволяет устранить нарушение изоляции в плановый срок.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - устройство контроля изоляции сети электроснабжения с изолированной нейтралью;
Фиг. 2 – схема управления.
Устройство контроля изоляции сети электроснабжения с изолированной нейтралью содержит: высоковольтные провода подключения 1 и 2, выключатель 3, схему 4 управления (фиг. 2), коммутационный переключатель 5,  токоограничивающие конденсаторы 12, 13, 18, блоки  сравнения напряжений 10 и 11, подключенные к фазам «А», «С», контакты 15 контактора 16  измерительной цепи, тумблер 23 включения контактора 16, тумблер 24 включения контактора 25 заземления с контактами 26,  сигнальные лампы 6, 7, 8, 9, 17, 22, 29, выносную кнопку 14 включения контактора 16 измерительной цепи, амперметр 19, трансформатор тока 20, токовое реле 21,  модулятор 28, защитные резисторы 30 и 32, ограничитель напряжения 31.
Параллельно контактам 26 контактора 25 заземления подключен диодный мост 27  с модулятором 28 тока. Устройство контроля выполнено с возможностью подключения фазы сети электроснабжения через коммутационный переключатель 5, токоограничивающий конденсатор 18, контакт 15 контактора 16 измерительной цепи и контакт 26 контактора 25 заземления к контуру заземления.
Мониторинг состояния изоляции и выявления ее скрытых дефектов в распределительной сети 6(10) кВ выполняется поочередно на первой и второй секции шин (СШ1, СШ2) подстанции. Рассмотрим на примере распределительной сети 6 кВ. Выбирается высоковольтная линия электропередачи с коммутационным аппаратом, который можно без потери электроснабжения отключить от сети (вывести в ремонт). Отключение от сети необходимо для безопасного подключения устройства контроля к системе электроснабжения  в случае, если нет свободного коммутационного аппарата на секции подстанции. Возможно, и без коммутационного аппарата подключить устройство контроля, так как у него есть свой коммутационный аппарат.
К фазам «А» и «С» отключенной линии устройство контроля  подключается высоковольтными проводами 1 и 2. Кроме того, устройство контроля подключается к контуру заземления. Кабель питания схемы  управления 4 присоединяется к сети переменного тока 220 В. Затем включается коммутационный аппарат высоковольтной линии и на устройство контроля подается напряжение 6 кВ.
Первоначально переключатель 5 находится в среднем положении (положение «0»). В этом положении по уровню свечения сигнальных ламп 6-9 можно провести предварительную оценку состояния изоляции. Эта функция обеспечивается блоками 10, 11 сравнения напряжений, подключенными к проверяемым фазам через конденсаторы 12 и 13, которые выполняют роль делителей напряжения (напряжение на фазах «А» и «С» 6(10) кВ, в то время как схема измерения блоков 10 и 11 работает при низких напряжениях порядка 30-50 В).
Поскольку блоки 10, 11 сравнения напряжения подключены к контуру заземления подстанции,  то в случае, если на какой-либо фазе произойдет пробой изоляции на землю, к блоку противоположной фазы будет приложено линейное напряжение, в результате чего этот блок включит аварийную сигнальную лампу:
–    пробой на фазе «А» – блок 11 включит лампу 7 («ЛКС»);
–    пробой на фазе «С» – блок 10 включит лампу 6 («ЛКА»);
–    пробой на фазе «В» – блоки 10 и 11 включат лампы 6 и 7.
Если фазное напряжение обеих фаз «А» и «С» находится в нормальных пределах (3-4 кВ), блоки 10 и 11 сравнения напряжения включают сигнальные лампы 8 («ЛЗА») и 9 («ЛЗС»), что свидетельствует об отсутствии дефектов на линии.
Если в положении «0» нарушений не зафиксировано, устройство переводится в режим поиска скрытых дефектов изоляции, например пробоя и выгорания изоляции разрядника, кабельной муфты и т.п. В сети электроснабжения создают контролируемое нарушение изоляции, как описано ниже. Переключатель 5 переводится в положение «А». При помощи выносной кнопки 14 включается контактор 16 измерительной цепи, который замыкает нормально открытый контакт 15, при этом загорается сигнальная лампа 17 («ЛЗ»), что сигнализирует о включенном контакторе 16 измерительной цепи. Через конденсатор 18 и нормально замкнутые контакты 26 контактора 25 заземления в сети создается контролируемое искусственное нарушение изоляции с ограничением поискового тока в диапазоне 0,5-2 А.
При этом прямого замыкания на землю не происходит – ток ограничен конденсатором 18. Тем самым создается перенапряжение фаз «С» и «В» относительно фазы «А», подключенной к земле через конденсатор 18. Путем размыкания и повторного замыкания контактов 15 контактора 16 измерительной цепи (3-4 раза) при помощи кнопки 14 имитируется процесс, когда в сети появляются коммутационные перенапряжения (выключение/включение трансформаторов, кратковременный пробой фазной изоляции и др.).
В случае наличия повреждений изоляции на фазах «В» или «С» в системе возникает межфазный линейный ток промышленной частоты 50 Гц, отличный от емкостного. В случае пробоя на землю ток вырастет с емкостного значения 0,1-0,2 А до 0,5-2 А – величина поискового тока зависит от емкости системы электроснабжения. Величина поискового тока задается конденсатором 18 и выбирается исходя из следующего соображения: с одной стороны, этот ток при пробое твердой изоляции необходим для визуально подтверждения места дефекта, чтобы увидеть горение дуги; с другой стороны, необходимо ограничить объем разрушения оборудования в месте дефекта.
Наличие поискового тока можно наблюдать на амперметре 19, подключенном к контуру заземления через трансформатор тока 20. В случае появления в схеме аварийного тока срабатывает токовое реле 21 и загорается аварийная сигнальная лампа 22 («ЛК»). В случае пробоя на фазе «С» также загорается аварийная сигнальная лампа 6. В случае пробоя на фазе «В» загораются аварийные лампы 6 и 7.
При появлении аварийного тока выносная кнопка 14 отжимается и путем замыкания тумблера 23 «Контактор» включается контактор 16 измерительной цепи, замыкает контакты 15 на постоянной основе, загорается сигнальная лампа 17. Тумблером «Модулятор» 24 включается контактор 25 заземления,  размыкает нормально замкнутый контакт 26 и через диодный мост 27 питание подается на модулятор 28, при этом загорается сигнальная лампа 29.
Модулятор 28 начинает формировать (модулировать) ток с частотой из диапазона 500-1500 Гц. Выбор частоты определяется отсутствием гармоник на этой частоте в электрической сети 50 Гц, например значение частоты может быть установлено 1024 Гц. Таким образом, формируют модулированный ток с ограничением его величины до места повреждения изоляции.
Поисковый ток протекает к месту нарушения изоляции и может быть обнаружен поисковыми приборами (приборы, применяемые для поиска трасс кабельных линий, повреждений на них с использованием поисковых генераторов.  От генератора на жилы кабеля подаются  сигналы с помощью поискового прибора отслеживается его трасса, например: Волна; Зонд; Сталкер 75-12; SEBA и т.д.). С помощью переносного прибора для поиска и локализации мест повреждений в системе электроснабжения определяется место повреждения изоляции на фазе «С» или «В».
Если в положении «А» нарушений не зафиксировано, переключатель 5 переводится в положение «С» и производятся действия, аналогичные поиску скрытых дефектов в положении «А».
Если аварийные лампы загорелись в положении переключателя «0», проводятся действия, описанные ниже.
Загорелась лампа 6 – имеется пробой на фазе «С» – переключатель 5 переводится в положение «А», выполняются действия по поиску скрытых дефектов в положении «А».
Загорелась лампа 7 – имеется пробой на фазе «А» – переключатель 5 переводится в положение «С», производятся действия, аналогичные поиску скрытых дефектов в положении А.
Загорелись лампы 6 и 7 – имеется пробой на фазе «В» – переключатель 5 переводится в положение «А» или «С», производятся действия, аналогичные поиску скрытых дефектов в положении «А».
В случае неполного нарушения изоляции (фазное напряжение около 4 кВ, пробоя на землю нет) в подключенной сети загораются следующие сигнальные лампы:
–    нарушение на фазе «А» – загорается лампа 7, лампа 9 начинает часто мигать, лампа 8 – реже, лампа 6 не светится;
–    нарушение на фазе «С» – загорается лампа 6, лампа 8 мигает чаще, лампа 9 – реже, лампа 7 не светится;
–    нарушение на фазе «В» – загораются лампы 6 и 7, лампы 8 и 9 мигают чаще.
В случае неполного нарушения изоляции проводятся действия по поиску места повреждения, аналогичные пробою на землю.
Резистор 30 включен в схему в целях обеспечения безопасности и защищает модулятор от перенапряжения. Ту же функцию выполняет ограничитель напряжения 31, который срабатывает при превышении уровня по напряжению 800 В. Резистор 32 разряжает конденсатор 18 при отключении установки.
После завершения работы на 1СШ, аналогично производится мониторинг на СШ2.
Внедрение описанной методики с применением разработанного устройства позволит эффективно эксплуатировать распределительные сети, повысить надежность электроснабжения, выявлять скрытые нарушения изоляции в распределительных сетях 6(10) кВ без вывода электрооборудования в ремонт и предотвращать их развитие до момента возникновения аварийных ситуаций.