Устройство для регистрации несимметрии фазных напряжений в сетях с изолированной нейтралью

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для обнаружения фазы, замкнувшейся на землю, в электрических сетях с изолированной нейтралью 6…35 кВ на воздушных линиях электропередачи.
Известна воздушная линия электропередачи с антенным датчиком напряжения нулевой последовательности [1], содержащая три антенных преобразователя, расположенных в вершинах правильного треугольника, центр тяжести которого совпадает с центром тяжести треугольника, образованного проводами линии, а объединенный конец трех антенных преобразователей напряжения подключен к одному выводу исполнительного органа, другой вывод которого соединен с заземлителем.
Недостатком этого устройства является возможность применения его только при расположении антенных преобразователей и проводов линии электропередачи по вершинам правильного треугольника между фазами линии.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и результату является устройство [2], в котором антенные датчики наведенного напряжения в виде стержней, расположенных параллельно проводам воздушной линии электропередачи, соединены последовательно в цепочку, один конец которой связан с заземлителем через исполнительный орган, содержащий резисторы и световой индикатор, а стержни вблизи опоры закреплены на фазных проводах посредством изоляторов.
Недостатком этого устройства является невозможность определить, какой из фазных проводов замкнулся на землю.
Цель предлагаемой полезной модели заключается в том, чтобы уменьшить количество стержней, закрепленных под проводами линии электропередачи, и определять фазный провод, замкнувшийся на землю, что ускоряет отыскание места повреждения.
Для этого в устройстве, содержащем антенные датчики наведенного напряжения в виде стержней, закрепленных посредством изоляторов вблизи опоры на фазных проводах воздушной линии электропередачи, резисторы, световой индикатор, стержни установлены только под двумя крайними фазными проводами и один конец первого стержня соединен с заземлителем через первый делитель напряжения из первых последовательно соединенных резисторов, параллельно одному из которых подключен первый двухполупериодный выпрямительный мост, связанный с первым пороговым органом, выход которого соединен с входом первого усилителя, выходом подключенного к первому входу второго элемента И и к первому входу первого элемента И, выходом соединенного с первым световым индикатором, а конец второго стержня соединен также с заземлителем через второй делитель напряжения из вторых последовательно соединенных резисторов, параллельно одному из которых подключен второй двухполупериодный выпрямительный мост, связанный со вторым пороговым органом, выход которого соединен с входом второго усилителя, выходом подключенного ко второму входу второго элемента И и к первому входу третьего элемента И, выходом соединенного с третьим световым индикатором, причем выход второго элемента И связан со вторым световым индикатором, через первый элемент НЕ со вторым входом первого элемента И и через второй элемент НЕ со вторым входом третьего элемента И.
На фиг. 1 показан участок линии электропередачи с одной опорой 1, на которой на изоляторах 2 закреплены три фазных токоведущих высоковольтных провода 3, 4, 5. Под фазными проводами вблизи опоры 1 посредством изоляторов 7 закреплены: первый антенный датчик наведенного напряжения в виде стержня 6 под первым крайним проводом 3 и второй антенный датчик наведенного напряжения в виде стержня 8 под вторым крайним проводом 5. Одними концами стрежни 6 и 8 соединены со схемой в регистраторе 9. К регистратору подведен заземляющий спуск 10, связанный с заземлителем 11 в подземной части 12 опоры линии электропередачи.
На фиг. 2 показана принципиальная схема регистратора.
В схему введены делители напряжения, выпрямительные мосты, пороговые органы, усилители, три элемента И; первый 19 (И1). второй 21(И2) и третий 30 (И3), два инвертора - элемента НЕ: первый 28 (НЕ1), второй-32 (НЕ2).
Между стержнем 6 и заземлителем 11 включен первый делитель напряжения из сопротивлений 13, 14, 15. Параллельно сопротивлению 15 подключен первый выпрямительный мост 16, соединенный выходом с первым пороговым органом 17, выход которого соединен с входом первого усилителя 18, а выход усилителя 18 соединен с первым входом второго элемента И-21(И2) и с первым входом первого элемента И-19 (И1), к выходу которого подключен первый световой индикатор 20 (С1).
Между стержнем 8 и заземлителем 11 включен второй делитель напряжения из сопротивлений 22, 23, 24. Параллельно сопротивлению 24 подключен второй выпрямительный мост 25, соединенный выходом со вторым пороговым органом 26, выход которого соединен с входом второго усилителя 27, а выход второго усилителя 27 соединен со вторым входом второго элемента И-21(И2) и с первым входом третьего элемента И-30 (И3), к выходу которого подключен третий световой индикатор 31(С3).
Выход второго элемента И-21(И2) соединен: со вторым световым индикатором 29(С2); через первый элемент НЕ-28(НЕ1) со вторым входом первого элемента И-19(И1); через второй элемент НЕ-32(НЕ2) со вторым входом третьего элемента И-30(И3).
На фиг. 3 представлено изменение фазных напряжений в сетях с изолированной нейтралью в режимах замыкания каждой из трехфаз на землю.
1. В нормальном режиме фазные напряжения проводов трехфазной линии электропередачи образуют относительно земли симметричную звезду, а междуфазные (линейные) напряжения - равносторонний треугольник (фиг. 3.1).
2. При замыкании на землю провода фазы 3 (фиг. 3.2) напряжение этого провода относительно земли равно нулю, точка 3'. Концы векторов напряжений проводов 4 и 5 занимают положение 4' и 5'. Из диаграммы видно, что фазные напряжения проводов 4 и 5 относительно земли увеличились в  раз и равны по величине линейным напряжениям. Линейные напряжения 3'-4'; 4'-5'; 5'-3' не изменились по величине, только заняли другое положение в пространстве.
3. При замыкании на землю провода фазы 4 (фиг. 3.3) напряжение этого провода относительно земли равно нулю, точка 4'. Концы векторов напряжений проводов 3 и 5 занимают положение 3' и 5'. Из диаграммы видно, что фазные напряжения проводов 3 и 5 относительно земли увеличились в  раз и равны по величине линейным напряжениям. Линейные напряжения 3'-4'; 4'-5'; 5'-3' не изменились по величине, только заняли другое положение в пространстве.
4. При замыкании на землю провода фазы 5 (фиг. 3.4) напряжение этого провода относительно земли равно нулю, точка 5'. Концы векторов напряжений проводов 3 и 4 занимают положение 3' и 4'. Из диаграммы видно, что фазные напряжения проводов 3 и 4 относительно земли увеличились в  раз и равны по величине линейным напряжениям. Линейные напряжения 3'-4'; 4'-5'; 5'-3' не изменились по величине, только заняли другое положение в пространстве.
Линейные напряжения в сети 10 кВ при замыкании на землю одного фазного провода не изменяются, поэтому напряжения у потребителей за трансформаторами 10/0,4 кВ не изменяются и остаются такими же, как в нормальном режиме, но такой режим опасен для продолжительной работы сетей 10 кВ.
Рассмотрим работу устройства в четырех режимах:
1. в нормальном рабочем режиме;
2. в режиме замыкания провода 3 на землю;
3. в режиме замыкания провода 4 на землю:
4. в режиме замыкания провода 5 на землю.
1. В нормальном рабочем режиме линии электропередачи 10 кВ напряжение на каждом из проводов 3, 4, 5 относительно земли составляет  (см. фиг. 3.1). Расстояния от проводов 3 и 5 до стержней 6 и 8 одинаковые, и наведенные напряжения определяются длиной изоляторов 7. Напряжения на стержнях равны между собой по величине и сдвинуты во времени друг относительно друга на 120 градусов. Под действием напряжения, наведенного на стержне 6, протекает ток между ним и заземлением 11 через первый делитель напряжения из сопротивлений 13, 14 и 15. Падение напряжения на сопротивлении 15 выпрямляется диодным мостом 16 и подается на вход первого порогового органа 17. Пороговый орган 17 отстраивается от этого входного напряжения, поэтому на его выходе напряжение отсутствует.
Под действием напряжения, наведенного на стержне 8, протекает ток между ним и заземлением 11 через второй делитель напряжения из сопротивлений 22, 23 и 24. Падение напряжения на сопротивлении 24 выпрямляется диодным мостом 25 и подается на вход второго порогового органа 26. Пороговый орган 26 отстраивается от этого входного напряжения, поэтому на его выходе напряжение отсутствует.
При отсутствии сигналов на выходах пороговых элементов 17 и 26, на выходах усилителей 18 и 27 сигналы также отсутствуют, и на выходах трех элементов И сигналы отсутствуют, поэтому три световых индикатора обесточены.
2. При повреждении изоляции фазного провода 3 напряжение этого провода относительно земли становится близким к нулю, так как провод 3 соединяется с землей 11 и его конец вектора занимает положение 3', тогда и на стержне 6 под этим проводом наведенное напряжение низкое. Напряжение других фазных проводов 4 и 5 относительно земли увеличивается почти до 10 кВ (см. фиг. 3.2). Концы векторов напряжений проводов 4 и 5 займут положение 4' и 5'. При этом напряжения на стержне 8, подвешенным под проводом 5, также увеличивается. Увеличится ток через делитель 22, 23, 24, увеличится падение напряжения на сопротивлении 24, на выходе диодного моста 25 напряжение увеличивается, пороговый орган 26 срабатывает, и напряжение с его выхода через усилитель 27 подается на второй вход второго элемента И-21 (И2) и на первый вход третьего элемента И-30 (И3). На выходе второго элемента И-21 (И2) сигнал отсутствует, поэтому на выходе элемента НЕ-32 (НЕ2) появляется сигнал и подается на второй вход третьего элемента И-30 (И3), что приводит к появлению сигнала на выходе третьего элемента И-30 (И3), и световой индикатор 31 (С3) загорается, высвечивая надпись «Земля на фазе A».
3. При повреждении изоляции провода 4 напряжение этого провода относительно земли становится близким к нулю. Напряжение других фазных проводов 3 и 5 относительно земли увеличивается почти до 10 кВ (см. фиг. 3.3). Концы векторов напряжений проводов 4 и 5 займут положение 3' и 5'. При этом напряжение на стержне 6, подвешенным под проводом 3, увеличивается, также увеличивается напряжение на стержне 8, подвешенном под проводом 5. Увеличивается ток через сопротивления первого делителя напряжения 13, 14, 15, увеличивается падение напряжения на сопротивлении 15, на выходе диодного моста 16 напряжение увеличивается, пороговый орган 17 срабатывает, и напряжение с его выхода через усилитель 18 подается на первый вход второго элемента И-21(И2) и на первый вход первого элемента И - 19(И1). Также увеличивается ток через делитель 22, 23, 24, увеличивается падение напряжения на сопротивлении 24, на выходе диодного моста 25 напряжение увеличивается, и пороговый орган 26 срабатывает, и напряжение с его выхода через усилитель 27 подается на второй вход второго элемента И-21(И2) и на первый вход третьего элемента И-30(И3), при этом на двух входах второго элемента И-21(И2) появляются сигналы. Тогда на выходе второго элемента И-21(И2) появляется сигнал, который подается на световой индикатор 29(С2), высвечивая надпись «Земля на фазе B». На выходе элементов НЕ-28(НЕ1) и 32(НЕ2) сигналы отсутствует, поэтому на выходе элементов 19(И1) и 30(И3) сигналы отсутствуют, и световые индикаторы 20(С1) и 31(С3) не загораются.
4. При повреждении изоляции фазного провода 5 напряжение этого провода относительно земли становится близким к нулю, так как провод 5 соединяется с землей 11 и его конец вектора напряжения занимает положение 5' (см. фиг. 3.4)., тогда и на стержне 8 под этим проводом наведенное напряжение низкое. Напряжение других фазных проводов 4 и 3 относительно земли увеличивается почти до 10 кВ. Концы векторов напряжений проводов 4 и 3 займут положение 4' и 3'. При этом напряжения на стержне 6, подвешенном под проводом 3, также увеличивается. Увеличится ток через делитель напряжения 13, 14, 15, увеличится падение напряжения на сопротивлении 15, на выходе диодного моста напряжение увеличивается, и пороговый орган 17 срабатывает, напряжение с его выхода через усилитель 18 подается на первый вход второго элемента И-21(И2) и на первый вход первого элемента И-19(И1). На выходе второго элемента И-21(И1) сигнал отсутствует, поэтому на выходе элемента НЕ-28(НЕ1) появляется сигнал, что приводит к появлению сигнала на выходе элемента И-19(И1), и световой индикатор 20(С1) загорается, высвечивая надпись «Земля на фазе C».
Наличие или отсутствие сигналов на выходах элементов схемы можно проследить по таблице 1. Обозначим отсутствие напряжения логическим нулем (0), а наличие напряжения - логической единицей (1)
Проверку работоспособности предлагаемой полезной модели выполним расчетом по методу фазных координат [3]. Для этого используем математическую модель трехфазной линии электропередачи с линейным напряжением 10 кВ с расположением проводов 3, 4, 5 по треугольнику. Исходные данные для расчета: расстоянием между фазами -1 м; длина каждого из стержней 6 и 8 составляет 5 м. Расстояние от стержней 6 и 8 до соответствующих силовых фазных проводов 3 и 5 составляет 0,2 м (длина подвесного изолятора).
Были рассчитаны нормальный режим работы линии электропередачи и режимы с нарушением изоляции фазных проводов 3, 4, 5 относительно земли. Сопротивления каждого из делителей напряжения 13, 14, 15 и 22, 23, 24 составляет 1,1 МОм, при таком сопротивлении напряжение на -входах реагирующих органов 17 и 27 в любых режимах не превышает 100 В.
РАБ
СР
1) В нормальном режиме, при повышенном напряжении, когда напряжение каждой фазы относительно земли составляет , к каждому из реагирующих органов 17 и 26 подводится напряжение 44 В. От этого напряжения U отстраивается напряжение срабатывания U реагирующих органов 17 и 26
В рабочем режиме реагирующие органы 17 и 26 не срабатывают.
2) При замыкании на землю фазного провода 3, напряжение на проводах 4 и 5 относительно земли составит 10500 В. На стержне 6 наводится незначительное напряжение от магнитных полей проводов 4 и 5, и к реагирующему органу 17 подводится напряжение 25 В, от которого этот орган не срабатывает. На стержне 8 наводится повышенное напряжение и к реагирующему органу 26 подводится напряжение 95 В. От этого напряжения реагирующий орган 26 срабатывает (95 В>66 В), и в соответствии с прохождением сигналов по логической схеме (фиг. 2) загорается световой индикатор 31(С3), высвечивая надпись «Земля на фазе A»
3) При замыкании на землю фазного провода 4, под которым отсутствует стержень, напряжение на проводах 3 и 5 относительно земли составит 10500 В. На стержнях 6 и 8 наводится повышенное напряжение, к реагирующим органам 17 и 26 подводится напряжение 100 В, от которого эти органы срабатывают (100 В>66 В)„ и в соответствии с прохождением сигналов по логической схеме (фиг. 2) загорается световой индикатор 29(С2), высвечивая надпись «Земля на фазе B»
4) При замыкании на землю фазного провода 5 напряжение на проводах 4 и 3 относительно земли составит 10500 В. На стержне 8 наводится незначительное напряжение от магнитных полей проводов 4 и 3, и к реагирующему органу 26 подводится напряжение 25 В, от которого этот орган не срабатывает. На стержне 6 наводится повышенное напряжение, и к реагирующему органу 17 подводится напряжение 95 В. От этого напряжения реагирующий орган 17 срабатывает (95 В>66 В), и в соответствии с прохождением сигналов по логической схеме (фиг. 2) загорается световой индикатор 20(С1), высвечивая надпись «Земля на фазе C».
Таким образом устройство по предлагаемой полезной модели снижает количество стержней под проводами до двух и позволяет определить замкнувшуюся на землю фазу, что облегчает отыскание повреждения.
Источники информации:
1. Воздушная линия электропередачи с антенным датчиком напряжения нулевой последовательности. Патент SU 855 849, H02H 3/16, / Р.Ш. Сагутдинов, В.Я. Жарков - заявка №2 856 696/24-07 //Бюл. №30 от 15.08.81
2. Патент на полезную модель №156 984 «Устройство для регистрации несимметрии фазных напряжений в сетях с изолированной нейтралью» Заявка №2014116178/07 МПК H02H 3/16./Н.М. Попов, С.В. Солдатов// Бюл. №32 от 21.11.2015.
3. Мельников Н.А. Матричный метод анализа электрических цепей.- М.: Энергия, 1972.- 231 с.