Способ определения начальной стадии пробоя изоляции и контроля его развития действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью
METHOD OF DETERMINING THE INITIAL STAGE OF INSULATION BREAKDOWN AND MONITORING ITS DEVELOPMENT OF AN EXISTING THREE-PHASE ELECTRICAL NETWORK WITH AN ISOLATED NEUTRAL

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения начальной стадии пробоя изоляции на корпус (землю) и контроля его развития в действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью.
Предпосылки к изобретению. В изоляции действующей электрической сети могут зарождаться и развиваться пробои на корпус вследствие образования в ней дефектов. Эти дефекты в начальной стадии их возникновения способствуют образованию неустойчивых пробоев изоляции, сопровождающихся незначительными изменениями параметров изоляции, в том числе в переходных процессах и заканчивающихся в итоге полным и устойчивым ее пробоем на корпус. Указанные пробои изоляции вызывают изменения напряжения на изоляции всех фаз действующей трехфазной сети с изолированной нейтралью. Контроль этих напряжений позволяет судить о состоянии пробоя изоляции.
Известен способ [1] использования рабочего напряжения сети в качестве измерительного для оценивания напряжения фаз относительно земли. Наименьшее значение показывает вольтметр, подключенный к фазе с поврежденной изоляцией. Этот способ модифицирован в метод ассиметра, при котором реле напряжения включается между заземлителем и искусственной нейтралью, сформированной звездой из трех конденсаторов или маломощных резисторов. Реле настраивается на срабатывание при напряжении, равном половине фазного, что соответствует наиболее пожароопасному режиму двухфазного снижения сопротивления изоляции.
Применение способа [1] для определения начальной стадии пробоя изоляции и контроля его развития действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью не обеспечивает непрерывность регистрации текущих параметров изоляции, а также их контроль при незначительных изменениях, в том числе в переходных процессах.
Известен способ двух отсчетов вольтметра Л.П. Подольского [2] применительно к трехфазным сетям. Согласно этому способу измеряют напряжение между одной из фаз сети и землей. Затем между этой фазой и землей включают дополнительное сопротивление известной величины и снова измеряют напряжение между этой же фазой и землей. Затем вместо первого сопротивления подключают другое сопротивление известной величины и вновь измеряют напряжение между той же фазой и землей. Измеренные величины вводятся в формулу по расчету значения эквивалентного сопротивления изоляции сети.
Применение способа [2] для определения начальной стадии пробоя изоляции и контроля его развития действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью не обеспечивает непрерывность контроля параметров изоляции, а также их регистрацию при незначительных изменениях, в том числе в переходных процессах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ [3], в котором для измерения сопротивления изоляции в сетях трехфазного переменного тока с изолированной нейтралью, находящихся под напряжением, используют показания трех вольтметров, подключенных межу фазами и корпусом.
Если сопротивление изоляции сети в пределах допустимой нормы, то каждый из трех вольтметров будет показывать фазное напряжение. Если сопротивление изоляции одной из фаз снизится, то вольтметр, подключенный к этой фазе, покажет меньшую величину напряжения, а остальные вольтметры большую. Если один из вольтметров будет давать незначительное отклонение, а два остальных покажут линейное напряжение, то сопротивление изоляции первой фазы очень низкое или близко к нулю.
Применение способа [3] для определения начальной стадии пробоя изоляции на корпус и контроля его развития действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью ограничено тем, что «чувствительность» данного способа зависит от соотношения внутреннего (входного) сопротивления вольтметров и сопротивления изоляции фаз. Если величина внутреннего сопротивления вольтметров будет соизмерима с нормальной величиной сопротивления изоляции фаз, то из-за эффекта шунтирования вольтметрами сопротивлений изоляции всех фаз их показания будут заметны при снижении сопротивления изоляции фазы до уровня, ниже уровня внутреннего сопротивления вольтметров. Поэтому зарождение пробоя изоляции, сопровождающееся не глубокими, как правило, перемежающимися снижениями ее сопротивления, том числе в переходных процессах и дальнейшее его развитие окажутся не «замеченными» такими вольтметрами. Указанные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение начальной стадии пробоя изоляции и контроль его развития до конечной стадии ее пробоя на корпус (землю) в действующей трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью.
a
b
c
На фиг. 1 показаны схемы замещения изоляции: (а) схема замещения изоляции трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, имеющей обозначения А, В, С - фазы сети с неизменной величиной линейного напряжения; Z - эквивалентная нагрузка сети; z, z, z - эквивалентные сопротивления изоляции фаз относительно корпуса; К - корпус. К линейным напряжениям сети подключена нагрузка, а также эквивалентные сопротивления изоляции фаз относительно корпуса; (б) эквивалентные сопротивления изоляции фаз относительно корпуса, образующие трехфазную схему «звезды».
a
b
c
Подключенные между фазами и корпусом датчики напряжения (дн(а), дн(b), дн(с)), как это показано на фиг. 2(a), выдают сигнал, пропорциональный напряжениям между фазами и корпусом - u, u, u, используемые для построения их векторной диаграммы, приведенной на рисунке 2(б).
a
b
c
1
a1
b1
c1
2
a2
b2
c2
На фиг. 2(б) узловая точка 0 векторов напряжения между фазами и корпусом - u, u, u находится в исходном положении. При зарождении пробоя (пробоев) изоляции узловая точка 0 переместится в одно из новых положений, например, 0 (при этом напряжения на изоляции фаз будут u, u, u) вблизи ее исходного положения при условии, что величина внутреннего сопротивления вольтметров будет заметно больше нормальной величины сопротивления изоляции фаз. В противном случае узловая точка 0 будет «удерживаться» в прежнем положении «звездой» внутренних сопротивлений вольтметров, шунтирующей сопротивления изоляции всех фаз. При глубоком снижении сопротивления изоляции (в рассматриваемом случае фазы А) узловая точка векторов напряжений сместится в крайнее положение (точка 0). При этом напряжение на изоляции фазы А становится близким к нулю (u ≈ 0), а напряжения на фазах В и С - u и u становятся близкими к величине линейного напряжения сети.
В предлагаемом способе схема измерения напряжения на изоляции фаз повышает «чувствительность» контроля состояния пробоя изоляции за счет измерения напряжения между одной из фаз, например, фазой А и корпусом. В этом случае узловая точка 0 векторов напряжения между фазами и корпусом, «подвешенная» к фазе А посредством внутреннего сопротивления датчика напряжения дн(а), оказывается свободно перемещающейся («плавающей») в области, ограниченной треугольником А, В, С линейных напряжений и достаточно «чувствительной» к не глубоким и неустойчивым снижениям сопротивления изоляции фаз.
Способ осуществляют следующим образом
Между одной из фаз сети и корпусом, например, между фазой А и корпусом подключается датчик напряжения дн(а) с высоким внутренним сопротивлением. Также подключается датчик линейного напряжения дн(АС) в рассматриваемом случае между фазами А и С (фигура 3).
На схеме обозначены: АЦП - аналоге - цифровой преобразователь сигнала напряжения между фазой А и корпусом К и сигнала линейного напряжения между фазами А и С; БГА - блок гармонического анализа, предназначенный для выделения напряжений первой гармоники из исходных сигналов напряжений; ЭС - экспертная система, предназначенная для идентификации состояния пробоя изоляции и определения тенденции его развития.
a
AC
Датчики дн(а) и дн(АС) непрерывно регистрируют аналоговые сигналы напряжения между фазой А и корпусом К и линейного напряжения между фазами А и С, поступающие затем в аналоге - цифровой преобразователь АЦП, преобразующий их в цифровые сигналы, поступающие далее в блок гармонического анализа БГА. В этом блоке производится разложение исходных сигналов в гармонический ряд, выделение первых гармоник этих сигналов и их передача в экспертную систему ЭС. Входные (исходные) данные для ЭС представляются в виде мгновенных значений и векторов напряжения первой гармоники между фазой А и корпусом - U и мгновенных значений и векторов напряжения первой гармоники линейного напряжения сети - U с углом между ними ψ. Данные параметры непрерывно регистрируются и отображаются экспертной системой.
Идентификация пробоя изоляции и определение тенденции его развития поясняется векторной диаграммой, приведенной на фиг. 4.
a
AC
a
b
c
AB
BC
Векторы U, U, угол ψ между ними и узловая точка 0 для исходного состояния показаны на диаграмме фигуры 4. Длина вектора U в исходном состоянии зависит от величины внутреннего сопротивления датчика дн(а) и в общем случае может быть меньше длины вектора фазного напряжения сети. Диаграмма графически дополнена векторами исходных фазных напряжений относительно корпуса - U, U и векторами линейных напряжений - U U.
1
a1
b1
c1
a1
1
AC
1
1
1
В начальной стадии пробоя в изоляции фазы снижается ее сопротивление, вызывающее смещение узловой точки векторов напряжений на изоляции в новое положение, например, в положение 0, например, по траектории Тр (напряжения на изоляции фаз - u, u, u). Вектор напряжения U на изоляции фазы А, соответствующий положению точки 0, будет развернут относительно вектора линейного напряжения U на угол ψ. Это состояние изоляции экспертная система оценивает как состояние начальной стадии пробоя по признакам близости расположения узловых точек 0 и 0, неустойчивости пробоя («возвратная» траектория перемещения точки 0) с направлением дальнейшего развития пробоя к фазе В).
При дальнейшем развитии пробоя до состояния полного пробоя изоляции фазы узловая точка векторов напряжения между фазами и корпусом переместится в область близкую к одной из вершин треугольника линейных напряжений А, В, С. Идентификация полных пробоев изоляции фаз экспертной системой будет определяться по следующим признакам.
a
a
a
Если произошел полный пробой изоляции фазы А, то вектор U будет близок к нулевому значению. Если произошел полный пробой изоляции фазы В, то вектор U будет близок к значению линейного напряжения, а угол ψ будет близок к значению 60 градусов. Если произошел полный пробой изоляции фазы С, то вектор U будет близок к значению линейного напряжения, а угол ψ будет близок к значению 0 градусов.
Источники информации
1. Иванов Е.А. Безопасность электроустановок и систем автоматики / Е.А. Иванов [и др.]. - СПб.: Элмор, 2003, с. 99.
2. morez.ru/izmerenie-…
3. referatwork.ru/category/…