Автоматизированная система контроля состояния изоляции силовых кабельных линий и режима неустойчивых замыканий на землю
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF STATE OF POWER CABLE LINES INSULATION AND MODE OF UNSTABLE EARTH FAULTS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в электроустановках, на электрических станциях и подстанциях, электрических сетях и сетях связи для определения состояния изоляции и прогнозирования ресурса изоляции.
Известна автоматизированная система диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий (Патент РФ № 112525. Автоматизированная система диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий / Полуянович Н.К., Стульнева А.В., Дубяго М.Н. Опубл. 10.01.2012 Бюл. №1), содержащая по числу присоединений трансформаторы тока нулевой последовательности, датчики тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, датчик напряжения нулевой последовательности, микроконтроллер, персональный компьютер, отличающаяся тем, что в нее введен преобразователь интерфейсов, блок питания микроконтроллера, выходы трансформаторов тока нулевой последовательности соединены с входами соответствующих датчиков тока нулевой последовательности, соответствующие выходы датчиков тока нулевой последовательности соединены с первыми входами микроконтроллера, выход трансформатора напряжения нулевой последовательности соединен со входом датчика напряжения нулевой последовательности, выход датчика напряжения нулевой последовательности соединен со вторыми входами микроконтроллера, преобразователь интерфейсов соединен с первым выходом микроконтроллера, второй выход микроконтроллера соединен с блоком питания, вход персонального компьютера соединен с выходом преобразователя интерфейсов.
Работа устройства основана на измерении уровня тока нулевой последовательности (ТНП) в контролируемом присоединении и напряжения  нулевой последовательности в кабельной линии. При ослаблении фазной изоляции  увеличивается ток нулевой последовательности (амплитуда и фаза тока нулевой последовательности). Данные о состоянии кабельной линии обрабатываются микроконтроллером, в нем же полученные данные сравниваются с допустимой амплитудой вектора ТНП и, если имеет место превышение ее значения, определяется угол между вектором ТНП и вектором межфазного напряжения, в результате чего определяется, соответствует ли возникший ток дефекту изоляции и, если не соответствует, то произошло замыкание на землю.
По значению этого угла с заданными диапазонами определяется, в какой из фаз произошел дефект. Полученные данные проходят обработку в математической модели, и система определяет расстояние до дефекта и сопротивление дефекта или, если дефект только намечается, система прогнозирует время, через которое случится пробой.
Данная система обеспечивает отыскание повреждений, оценка состояния силовых кабельных линиях, благодаря определению сопротивления дефекта и расстояния до дефекта, прогнозирование намечающегося повреждения кабельной линии.
Недостаток данной системы состоит в том, что она контролирует только фазную изоляцию, что позволяет обнаруживать появление и следить за развитием процессов возникновения замыканий фазы на землю. Но в электрических сетях нередко возникают процессы снижения электрической прочности межфазной изоляции, что приводит в итоге к возникновению коротких замыканий между фазами и нарушению электроснабжения. Замыкания между фазами (двухфазные и трехфазные) не сопровождаются появлением токов нулевой последовательности, поэтому данное устройство не обеспечивает заблаговременного выявления таких повреждений и прогнозирования ресурса междуфазной изоляции.
Также данная система не позволяет определить с достаточной точностью место возникновения повреждения, так как снижение электрической прочности изоляции может возникнуть вне линии на небольшом расстоянии от ее конца и в этом случае сложно определить истинное место возникновения повреждения.
Наиболее близким к изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является автоматизированная система диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий (Патент РФ № 2657290. Автоматизированная система диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий / Бирюлин В.И., Куделина Д.В. Опубл. 13.06.2018).
Эта система содержит трансформаторы тока нулевой последовательности; датчики тока нулевой последовательности; трансформатор напряжения нулевой последовательности; датчик напряжения нулевой последовательности; микроконтроллер; блок питания; преобразователь интерфейсов; персональный компьютер; трансформаторы тока; фильтр токов обратной последовательности.
Устройство позволяет определять расстояние до места локального дефекта изоляции и сопротивление этого дефекта без отключения оборудования по изменению параметров рабочего режима электрооборудования, а также прогнозировать появление дефектов в силовых кабельных линиях.
Недостаток данной системы состоит в том, что она контролирует только устойчивые повреждения фазной и междуфазной изоляции кабельных линий. Но известно, что в сети могут появляться неустойчивые повреждения фазной изоляции. Эти повреждения сопровождаются кратковременным снижением уровня сопротивления изоляции с последующим его восстановлением. В ходе первоначального развития такого процесса амплитуда токов таких повреждений может быть сравнительно небольшой, что не обеспечит срабатывания системы и отключения защищаемой линии, но такой режим опасен для изоляции электрической сети из-за возникновения перенапряжений.
Техническая задача предполагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей автоматизированной системы диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий – осуществлении контроля режима неустойчивых замыканий на землю.
Задача достигается тем, что в автоматизированную систему диагностики и контроля состояния изоляции силовых кабельных линий вводятся блоки контроля неустойчивых замыканий на землю, реагирующие на появление в сети регулярных кратковременных замыканий, пусть даже и меньшей амплитуды, чем допустимое для токов нулевой последовательности. Применение данных блоков позволяет сформировать сигнал о возникновении такого режима с последующей подачей его на вход микроконтроллера.
На фигуре 1 приведена схема автоматизированной системы контроля состояния изоляции силовых кабельных линий и режима неустойчивых замыканий на землю, на которой  обозначены: 1, 3, 5 – трансформаторы тока нулевой последовательности по числу присоединений; 2, 4, 6 – датчики тока нулевой последовательности; 7 – трансформатор напряжения нулевой последовательности; 8 – датчик напряжения нулевой последовательности; 9 – микроконтроллер; 10 – блок питания; 11 – преобразователь интерфейсов; 12 – персональный компьютер; 13 – трансформаторы тока; 14 – фильтр токов обратной последовательности; 15 – блоки контроля неустойчивых замыканий на землю (БКНЗЗ). Выходы трансформаторов тока нулевой последовательности 1, 3, 5 соединены с входами соответствующих датчиков тока нулевой последовательности 2, 4, 6, соответствующие выходы датчиков тока нулевой последовательности 2, 4, 6 соединены с входами БКНЗЗ 15, выход трансформатора напряжения нулевой последовательности 7 соединен со входом датчика напряжения нулевой последовательности 8, выход датчика напряжения нулевой последовательности 8 соединен с входами БКНЗЗ 15, преобразователь интерфейсов 11 соединен с первым выходом микроконтроллера 9, второй выход микроконтроллера 9 соединен с блоком питания 10, вход персонального компьютера 12 соединен с выходом преобразователя интерфейсов 11, выходы трансформаторов тока нулевой последовательности 1, 3, 5 и трансформатора напряжения нулевой последовательности 7 соединены с входами фильтра токов обратной последовательности 14, выходы фильтра токов обратной последовательности 14 соединены с входами БКНЗЗ 15, выходы БКНЗЗ 15 соединены со входами микроконтроллера 9.
Работает устройство следующим образом. Трансформаторы тока нулевой последовательности 1, 2, 3 измеряют уровень тока нулевой последовательности (ТНП) в контролируемой линии, датчики тока нулевой последовательности 2, 4, 6 считывают информацию о состоянии изоляции силовой кабельной линии (ток и фаза тока нулевой последовательности), трансформатор напряжения нулевой последовательности 7 передает информацию датчику напряжения нулевой последовательности 8 о напряжении в кабельной линии, трансформаторы тока 13 измеряют токи фаз защищаемой линии, на выходе фильтра тока обратной последовательности 14 образуется сигнал тока обратной последовательности.
БКНЗЗ 15, подключенные к выходам датчиков тока нулевой последовательности 2, 4, 6, срабатывают при появлении в ТНП соответствующей фазы кратковременных бросков этого тока, появляющихся при неустойчивых замыканиях на землю.
Данные о состоянии кабельной линии предаются в микроконтроллер 9, который запитывается от блока питания 10, в микроконтроллере полученные данные по ТНП сравниваются с допустимой амплитудой вектора ТНП (для контроля фазной изоляции) и если имеет место превышение ее значения, определяется угол между вектором ТНП и вектором межфазного напряжения, в результате чего определяется, соответствует ли возникший ток дефекту изоляции, и если соответствует, то произошло замыкание на землю. По значению этого угла с заданными диапазонами определяется, в какой из фаз возник дефект. Аналогичным образом контролируется уровень тока обратной последовательности. Если он больше допустимого значения, то определяется, соответствует ли возникший ток дефекту изоляции, и если соответствует, то произошло замыкание между фазами линии.
Появление режима неустойчивых замыканий на землю определяется БКНЗЗ 15, сигналы с выхода которых подаются на входы микроконтроллера 9. Микроконтроллер передает информацию о возникновении этого режима на персональный компьютер 12.
Полученные данные проходят обработку в математической модели, и система определяет расстояние до дефекта и сопротивление дефекта, или, если дефект только намечается, система прогнозирует время, через которое возникнет пробой либо фазной, либо межфазной изоляции. Данные через преобразователь интерфейсов 11 передаются на персональный компьютер 12, на котором они отображаются в виде зависимости амплитуды векторов токов нулевой и обратной последовательности от времени с окном прогнозирования дефекта, а также в виде таблицы данных (расстояние до дефекта, сопротивление дефекта, амплитуды векторов токов нулевой и обратной последовательности, тип дефекта, фаза дефекта).
Автоматизированная система контроля состояния изоляции силовых кабельных линий и режима неустойчивых замыканий на землю позволяет определять расстояние до места локального дефекта изоляции и сопротивление этого дефекта без отключения оборудования по изменению параметров рабочего режима электрооборудования, прогнозировать появление дефектов в силовых кабельных линиях, выявлять возникновение неустойчивых замыканий на землю.