УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ СНИЖЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 0,4 кВ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
DEVICE OF SELECTIVE SIGNALING OF INSULATION RESISTANCE REDUCTION IN CABLE NETWORK WITH INSULATED NEUTRAL OF 0,4 kV FOR ESSENTIAL SERVICES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для сигнализации о ненормальных режимах работы в системах электроснабжения с изолированной нейтралью (системы IT), питающих потребители, не допускающие перерыва питания.
В системах IT условия электробезопасности обеспечиваются высоким сопротивлением изоляции относительно земли, но требуемый уровень сопротивления изоляции в электрической сети необходимо непрерывно и автоматически контролировать.
Известен принцип построения устройства контроля сопротивления изоляции с использованием оперативного постоянного тока [1], принцип действия которого заключается в том, что искусственная нулевая точка по схеме «звезда» образуется с помощью дросселя-индикатора, последовательно с общей точкой которого включены дроссель, токовое реле и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу («земле»). При этом ток, протекающий по указанной выше цепи, является оперативным контролирующим током, величина которого зависит от сопротивления изоляции.
Недостатками такого устройства являются значительная масса и габариты из-за наличия дросселя-трансформатора, невозможность построения селективной защиты отдельных присоединений, а также пониженная чувствительность: при определенных соотношениях параметров устройства из-за отсутствия регулировок система защиты и контроля может оказаться неработоспособной.
Известен также способ контроля проводимости изоляции относительно земли участка сети с изолированной нейтралью [2], включающий одновременное измерение тока и напряжения каждой фазы в начале и конце контролируемого участка сети, а также измерение линейных напряжений, углов сдвига фаз между векторами тока каждой фазы и векторами напряжения каждой фазы относительно земли, с последующим расчетом проводимости изоляции.
Недостатком устройства, построенного с использованием рассматриваемого способа, является то, что, с одной стороны, оно достаточно сложное (имеет большое количество каналов измерения, требует выполнения математических операций), с другой стороны, в соответствии с требованиями [3], особенно к ответственным потребителям (операционным медицинских учреждений, предприятиям горной промышленности и т.д.), требуется учитывать новые параметры к устройствам защиты как объекта, так и человека от поражения электрическим током.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью [4], содержащее генератор сети, включенный на шины распределительного устройства 0,4 кВ, от которых отходит группа параллельных кабельных линий. К трем фазам образованной кабельной сети между генератором, шинами и исполнительными устройствами подключен контрольный орган состояния изоляции, выполненный на основе фильтра напряжения нулевой последовательности, состоящего из трансформатора напряжения со схемой соединения «звезда-разомкнутый треугольник». Первичная обмотка последнего включена в контролируемую сеть, а вторичная обмотка подключена к катушке реле напряжения, причем исполнительные устройства включены входом к шинам, а выходом - к нагрузке, которая представляется комплексным сопротивлением. Контакты реле напряжения образуют единую последовательную цепь:
конденсатор, «земля» и нейтральная точка генератора сети.
Недостатком этого устройства, является то, что, с одной стороны, оно является достаточно сложным (имеет трансформатор напряжения, реле напряжения, коммутационные аппараты), а с другой стороны, не обладает требуемой чувствительностью - не реагирует на ухудшение сопротивления изоляции, а также не обеспечивает требование [3] к электроустановкам с системой IT о недопустимости перерыва питания при первом замыкании на землю или на открытые проводящие части.
Целью изобретения является упрощение, повышение чувствительности и селективности устройства, а также повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей, не допускающих перерывов питания.
Указанная цель достигается тем, что устройство включает блок контроля сопротивления изоляции сети и блоки контроля токов утечки отдельных участков кабельной сети. Первый, обладая высокой чувствительностью за счет использования источника постоянного тока, включенного между нейтральной точкой источника и землей, позволяет определить снижение сопротивления изоляции всей сети, не выделяя при этом поврежденный участок. Блоки контроля токов утечки обеспечивают селективность определения участка сети со сниженным сопротивлением изоляции за счет протекания нормируемого тока утечки, создаваемого включаемым по сигналу блока контроля сопротивления изоляции сети конденсатором между нулевой точкой источника и землей. Выделение поврежденного участка осуществляется за счет сбора и обработки информации, поступающей по линии связи с блоков контроля токов утечки. Точное определение участка со сниженным сопротивлением изоляции позволяет исключить отключения участков сети для поиска неисправности, тем самым не допускает перерывов питания ответственных потребителей.
На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.
из
Оно содержит генератор сети 1 (вторичную обмотку силового трансформатора), включенный на шины 2 распределительного устройства 0,4 кВ, от которых отходит группа параллельных кабельных линий, имеющих сопротивление изоляции Z относительно земли отдельных участков 4(8). К трем фазам сети, между генератором сети 1, шинами 2 и нагрузками потребителей 9, подключены блоки контроля токов утечки 4(7). Последние устанавливаются в начале участков кабельной сети 5(8) и выполняются на основе трансформаторов тока нулевой последовательности 11, первичная обмотка которых включена в контролируемую сеть, а вторичная обмотка подключена к блоку измерения и выдачи кодированной информации 12. Блоки контроля токов утечки 4(7) включены входом к шинам 2, выходом - к нагрузке 9, которая представляется комплексным сопротивлением, имеющим как активную, так и реактивную составляющие. Контакты 15 образуют единую последовательную цепь: «земля» 10, конденсатор 16 и нейтральная точка генератора сети 1.
Устройство работает следующим образом.
В нормальном режиме работы коммутационные аппараты 3 и 6 включены. Нагрузки 9 питаются от генератора сети 1. По сопротивлениям схемы замещения кабельных линий 5 и 8 протекают токи утечки, величина которых относительно невелика (при линейном напряжении 0,4 кВ и нормируемом сопротивлении изоляции 0,5 МОм ток утечки не превышает 0,44 мА). Контроль сопротивления изоляции осуществляется блоком 19 путем наложения напряжения постоянного тока 13 на контролируемую сеть и измерения тока утечки по постоянному току между сетью и землей контрольным органом 14. При нормируемом сопротивлении изоляции контрольный орган 14 выдает сигнал о норме в блок сравнения и индикации 18. Контакты 15 разомкнуты, конденсатор 16 отключен от нейтральной точки генератора сети 1. По кабельным линиям 5(8) протекают рабочие токи потребителей 9. По цепи блоков контроля токов утечки 4(7) текут токи, суммарное значение которых, в соответствии с первым законом Кирхгофа, равно сумме токов утечки по сопротивлениям изоляции. Блоки контроля токов утечки 4(7) настраиваются таким образом, чтобы при протекании через них нормируемых токов утечки они не срабатывали и выдавали сигнал норма в блок сравнения и индикации 18.
При снижении уровня изоляции проводников кабеля по отношению к «земле» ниже установленного нормами предела по любым причинам, включая однофазное замыкание на землю любой фазы в какой-либо точке сети, происходит протекание незначительного по амплитуде постоянного тока по контуру: источник постоянного напряжения 13, контрольный орган 14, генератор сети 1, поврежденная кабельная линия 5(8), вследствие чего происходит срабатывание контрольного органа сопротивления 14. Контакты 15 упомянутого органа 14 включают конденсатор 16 между «землей» и нейтральной точкой генератора сети 1. При этом образуется цепь протекания нормированного переменного тока утечки по контуру, включающему поврежденную кабельную линию, блок контроля токов утечки 4(7) соответствующей линии, генератор сети 1 и конденсатор 16. Величина тока утечки, протекающего по такому контуру, ограничивается сопротивлением конденсатора 16 и должна быть достаточной для срабатывания блоков контроля токов утечки 4(7). Сработавший блок контроля тока утечки передает кодированный сигнал по линии передачи данных 17 в орган сравнения и индикации 18 блока контроля сопротивления изоляции 19. Блок сравнения определяет участок со сниженным сопротивлением по правилу, представленному в виде таблицы кодов донесений блоков контроля токов утечки.
Таблица
Номер состояния
Состояние блоков контроля токов утечки
Определение состояние
Блок 4
Блок 7
Блок 4'
Блок 7'
1
0
0
0
0
Изоляции сети в норме
2
1
0
0
0
Не норма изоляции участка 5
3
1
1
0
0
Не норма изоляции участка 8
4
0
0
1
0
Не норма изоляции участка 5'
5
0
0
1
1
Не норма изоляции участка 8'
При определении величины емкости конденсатора 16 исходят из следующих условий:
ток утечки, связанный с включением конденсатора между нулевой точкой и землей, при снижении сопротивления изоляции сети не должен превосходить 1/3 тока дифференциального автоматического выключателя [3], при этом значение дифференциального тока при применении в групповых сетях не должно превышать 30 мА;
чувствительности существующих устройств контроля тока нулевой последовательности, которая лежит в диапазоне 5-20 мА.
Количественное значение емкости конденсатора определяют по выражению
где
y
T
I  - требуемый ток утечки, А;
U - фазное напряжение генератора сети, В;
f
- частота сети, Гц.
Отличительной особенностью такого устройства является определение участка кабельной сети со сниженным сопротивлением. После отключения поврежденного участка устройством 3 или 6 происходит восстановление требуемого значения сопротивления изоляции сети с изолированной нейтралью, элемент 14 дает команду на отключение конденсатора 16 из цепи, соединяющей нейтральную точку генератора сети с «землей», после чего восстанавливается исходное состояние сети.
Авторами испытано устройство с генератором 230/400 В, 50 Гц, мощностью 5 кВт с изолированной нейтралью, где в качестве элемента 16 использован конденсатор емкостью 0,1 мкФ, в качестве элементов 13 и 14 - устройство автоматического контроля изоляции на постоянном оперативном токе АСТРО-ИЗО (производитель «АСТРО-УЗО»), элементов 4 и 7 - устройства измерения дифференциального тока АСТРО-Дельта (производитель «АСТРО-УЗО»), доработанные узлом передачи кодированной информации, сопротивление изоляции участков исправного кабеля 1 МОм. Дифференциальный ток при выявлении поврежденного участка с сопротивлением изоляции - 0,1 Ом составил 7 мА, а с сопротивлением 20 кОм - 5,9 мА, что обеспечило надежную работу устройства измерения дифференциального тока АСТРО-Дельта, передающего информацию о поврежденном участке на блок определения 18.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает селективную сигнализацию снижения сопротивления изоляции в сетях с изолированной нейтралью ответственных потребителей, а также отвечает современным требованиям по электробезопасности.
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, с.274.
2. Патент РФ №2242015 С1, кл. G01R 27/18, G01R 31/02, опубл. 2004.12.10.
3. Правила устройства электроустановок. Изд. 7-е, 2002, пп.1.7.151, 1.7.159, табл.1.7.10.
4. Патент РФ №2317623 С1, кл. Н02Н 3/16, опубл. 2008.02.20.