УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроизмерительной техники (электроэнергетике) и может быть использовано для определения состояния элементов сложного контура заземляющего устройства электроустановки.
Заземление является неотъемлемой частью электрических установок. От исправности состояния заземляющего устройства зависит нормальная работа электроустановки и условия электробезопасности обслуживающего персонала на ее территории. Исправный контур заземляющего устройства обеспечивает равномерное распределение потенциала на поверхности земли над заземляющим устройством. При повреждении горизонтальных элементов контура (полос или заземляющих спусков) картина равномерности распределения потенциала по территории электроустановки нарушается. Разность потенциалов между точкой обрыва и точками заземления оборудования или другими точками на поверхности земли над заземляющим устройством может достигнуть значений, опасных не только для изоляции оборудования электроустановки, но и для жизни людей.
Известны технические устройства, позволяющие определять местонахождение неповрежденных элементов контура заземления, однако проблема определения точного места повреждения горизонтальных элементов контура остается актуальной.
Известно устройство для диагностики целостности элементов контура заземления, основанное на измерении величины напряженности магнитного поля над горизонтальным элементом контура заземляющего устройства и фиксации разности величины магнитного поля над поврежденным элементом [1].
Устройство содержит генератор сигнала, две ортогональные системы индукционных катушек, два идентичных блока вычисления модуля напряжения и дифференциальный усилитель.
Каждый из блоков вычисления модуля напряжения содержит первый, второй и третий измерительные каналы, сумматор и блок вычисления квадратного корня.
При этом каждый из измерительных каналов выполнен из последовательно соединенных полосового фильтра, избирательного усилителя и элемента возведения в квадрат. Входом каждого измерительного канала является вход соответствующего полосового фильтра. Выходом каждого измерительного канала является выход соответствующего элемента возведения в квадрат.
Каждый измерительный канал своим выходом подключен к соответствующему входу сумматора соответствующего блока вычисления модуля напряжения. Сумматор своим выходом подключен к входу блока вычисления квадратного корня соответствующего блока вычисления модуля напряжения.
Входами каждого блока вычисления модуля напряжения являются входы измерительных каналов. Выходом каждого блока вычисления модуля напряжения является выход соответствующего блока вычисления квадратного корня. Каждый из блоков вычисления модуля напряжения своим выходом подключен с соответствующим входом дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель своим выходом соединен с выходной клеммой устройства. Генератор сигнала подключен к контуру заземления. Ортогональные системы индукционных катушек разнесены по оси элемента контура заземления. Каждая из трех индукционных катушек соответствующей ортогональной системы подключена своими выходами к соответствующему входу блока вычисления модуля напряжения.
Во время измерения ток от генератора сигнала протекает по всем параллельно соединенным между собой горизонтальным и вертикальным элементам сетки контура заземления. Часть тока равномерно стекает с каждого элемента сетки контура в окружающий заземлитель грунт. Вокруг элементов контура образуется магнитное поле, созданное протекающим по элементам током. За счет индукционной связи катушек с контуром заземления в трехмерном пространстве это поле наводит в каждой из трех индукционных катушек соответствующую составляющую переменной эдс. Полученные сигналы от каждой из двух ортогональных систем индукционных катушек в виде напряжения от каждой из составляющих величины напряженности магнитного поля поступают на вход соответствующего измерительного канала каждого блока вычисления модуля напряжения. В каждом из трех измерительных каналах поступающий сигнал фильтруется, усиливается и его полученное значение возводится в квадрат. Далее преобразованный сигнал всех трех составляющих одной ортогональной системы индукционных катушек суммируется и из полученного значения извлекается квадратный корень. Полученные значения вычисленного таким образом сигнала от каждой из двух ортогональных систем индукционных катушек при их перемещении вдоль полосы сравниваются в дифференциальном блоке.
В случае целостности горизонтального элемента контура заземления ток вдоль него протекает без значительного изменения своей величины. Небольшие изменения определяются лишь отеканием части тока в землю. Поэтому величина магнитного поля вдоль целого проводника будет иметь равномерный характер. Фиксируемая разность показаний величины напряженности магнитного поля двух систем индукционных катушек в дифференциальном
блоке будет оставаться практически неизменной (не более 10% при длине горизонтального элемента 6 м).
В случае повреждения горизонтального элемента, протекающий по нему ток, а, следовательно, и величина окружающего его магнитного поля, имеет максимальные значения в начале и конце элемента, а к месту повреждения значительно уменьшается ввиду резкого увеличения переходного сопротивления в месте повреждения. Измеренная разность показаний величины напряженности магнитного поля будет значительно больше. Поэтому и фиксируемая разность показаний величины напряженности магнитного поля двух систем индукционных катушек в дифференциальном блоке будет изменяться: увеличиваться при приближении индукционных катушек к месту повреждения горизонтального элемента и уменьшаться по мере удаления от места повреждения к началу или концу элемента. По появлению значительной разности показаний величины напряженности магнитного поля двух систем индукционных катушек до и после места обрыва делают вывод о наличии повреждения горизонтального элемента.
Устройство позволяет определить местоположение горизонтального элемента, а также производить измерения без вывода электроустановки из работы.
Однако, недостатком данного устройства является низкая достоверность обнаружения места повреждения горизонтального элемента контура заземления, приводящая к ложной работе устройства, благодаря практически неизменной фиксируемой разностью показаний величины напряженности магнитного поля двух систем индукционных катушек в дифференциальном блоке над местом повреждения. Это обусловлено наличием других параллельных горизонтальных элементов контура заземления. Со стороны этих элементов к месту после точки повреждения горизонтального элемента подтекает дополнительная часть тока, накладывается на основной ток элемента и увеличивает суммарную величину тока в месте после точки повреждения. Поэтому величина напряженности магнитного поля вокруг горизонтального элемента после точки его повреждения возрастает и приближается к величине напряженности магнитного поля до точки повреждения горизонтального элемента. Увеличение напряженности магнитного поля после точки повреждения горизонтального элемента приводит к тому, что фиксируемая в дифференциальном блоке разность показаний величины напряженности магнитного поля двух систем индукционных катушек над местом повреждения уменьшается, а фиксируемая разность показаний величины напряженности магнитного поля вдоль всего проводника остается постоянной, т.е. характер изменения магнитного поля вдоль поврежденного проводника искажается.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля качества контура заземления (устройство для диагностики состояния
контура заземления), устраняющее недостатки аналога и основанное на измерении напряженности магнитного поля над горизонтальным элементом контура заземляющего устройства и фиксации смены направления магнитного поля над поврежденным элементом [2].
Устройство содержит генератор переменного сигнала, выносной токовый электрод, два датчика напряженности магнитного поля, два измерительных канала, блок сравнения фаз и сигнальный элемент.
Каждый из измерительных каналов выполнен из последовательно соединенных усилителя входного электрического сигнала и фильтра сигнала. Входом каждого измерительного канала является вход соответствующего усилителя входного электрического сигнала. Выходом каждого измерительного канала является выход соответствующего фильтра сигнала.
Каждый измерительный канал своим выходом подключен к соответствующему входу блока сравнения фаз. Блок сравнения фаз своим выходом подключен к входу сигнального элемента. Генератор переменного сигнала одним концом соединен с контуром заземления, а вторым - с выносным токовым электродом. Два датчика напряженности магнитного поля расположены на поверхности земли над контуром заземления и разнесены по оси элемента контура заземления. Датчики связаны с контуром заземления индукционно. Каждый из двух датчиков напряженности магнитного поля подключен своими выходами к входу соответствующего измерительного канала.
Во время измерения ток от генератора переменного тока протекает по всем параллельно соединенным между собой горизонтальным и вертикальным элементам сетки контура заземления по цепи, образованной контуром заземления и выносным токовым электродом. Часть тока равномерно стекает с каждого элемента сетки контура в окружающий заземлитель грунт. Вокруг элементов контура заземляющего устройства создается переменное магнитного поле. За счет индукционной связи контура заземления и датчиков магнитного поля в последних наводится переменная эдс. Наводимые в датчиках напряженности магнитного поля сигналы в виде напряжения подаются на вход соответствующего измерительного канала. В каждом из двух измерительных каналах поступающие сигналы усиливаются и фильтруются. Далее преобразованные таким образом сигналы от каждого из двух датчиков магнитного поля при их перемещении вдоль полосы сравниваются в блоке сравнения фаз.
В случае целостности горизонтального элемента сетки заземляющего устройства ток по нему протекает в одном направлении. Направление вектора напряженности магнитного поля вокруг проводника остается неизменным. Поэтому воспринимаемые индукционными датчиками магнитного поля сигналы при перемещении их вдоль полосы будут иметь одну
и ту же фазу. После сравнения усиленных и отфильтрованных сигналов от каждого из двух индукционных датчиков в блоке сравнения фаз разность фаз двух сигналов будет равной нулю.
В случае повреждения горизонтального элемента сетки заземляющего устройства ток в нем до места повреждения имеет одно направление протекания, а после места повреждения направление протекания тока в элементе меняется на противоположное. Вектор напряженности магнитного поля вокруг поврежденного проводника также имеет одно направление до места повреждения и противоположное направление после места повреждения. Поэтому воспринимаемые индукционными датчиками магнитного поля сигналы при их перемещении вдоль полосы будут иметь разные фазы. После сравнения усиленных и отфильтрованных сигналов от каждого из двух индукционных датчиков в блоке сравнения фаз разность фаз двух сигналов будет отличной от нуля. По изменению направления магнитного поля вдоль поврежденного элемента и появлению разности фаз в блоке сравнения фаз и делается вывод об обнаружении места повреждения горизонтального элемента контура заземления.
К достоинству данного устройства относится исключение появления ложных срабатываний за счет устранения влияния измеренного значения напряженности магнитного поля после точки повреждения на общее значение разности величины напряженности вблизи точки повреждения горизонтального элемента контура заземления, а также возможность проведения измерений без вывода электроустановки из работы.
Однако, недостатком данного устройства является отсутствие возможности определения точки повреждения горизонтального элемента контура заземления. Это обусловлено тем, что место повреждения горизонтального элемента выявляется с точностью, зависящей от расстояния между двумя датчиками магнитного поля, расположенными вдоль полосы. Невозможность сближения датчиков до расстояния между ними достаточного для фиксации точки повреждения элемента обусловлена взаимным влиянием друг на друга магнитных полей до и после места повреждения элемента. Взаимное влияние магнитных полей отсутствует при расположении датчиков напряженности магнитного поля на расстоянии не менее 30-40 см, а измерение напряженностей удаленных друг от друга точек определяет участок горизонтального элемента, в пределах которого произошло повреждение, но не саму точку повреждения на этом участке.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке устройства, обладающего высокой точностью определения точки повреждения горизонтального элемента контура заземления без ложных срабатываний устройства за счет исключения взаимного
влияния магнитных полей вблизи точки повреждения горизонтального элемента контура заземления без вывода электроустановки из работы.
Для решения поставленной задачи в известное устройство для диагностики состояния контура заземления, содержащее генератор переменного сигнала, выносной токовый электрод, два датчика напряженности магнитного поля, расположенных в направлении измерения горизонтальной составляющей магнитного поля элемента, два измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных усилителя входного сигнала и фильтра сигнала, блок сравнения фаз и сигнальный элемент, при этом первый вывод генератора подсоединен к контуру заземления, второй вывод - к выносному токовому электроду, каждый из датчиков напряженности магнитного поля своими выходами подключен к входу соответствующего усилителя входного сигнала, выход каждого из фильтров сигнала соединен с соответствующим входом блока сравнения фаз, в него дополнительно введены аналогичный третий датчик напряженности магнитного поля, расположенный в направлении измерения вертикальной составляющей магнитного поля элемента и последовательно соединенный с ним аналогичный третий измерительный канал, пороговый элемент и логический элемент «И», причем выход третьего измерительного канала соединен с входом порогового элемента, выход которого соединен с первым входом логического элемента «И», выход которого соединен с входом сигнального элемента, а блок сравнения фаз своим выходом соединен со вторым входом логического элемента «И».
Введение дополнительного третьего датчика напряженности магнитного поля, третьего измерительного канала, порогового элемента, логического элемента «И» и подключение блока сравнения фаз своим выходом к соответствующему входу логического элемента «И» позволяет с высокой точностью определить точку фактического повреждения горизонтального элемента контура заземления, благодаря одновременной фиксации горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности магнитного поля вдоль горизонтального элемента.
Фиксация изменения направления горизонтальной и минимального значения вертикальной составляющих напряженности магнитного поля осуществляется на участке поврежденного горизонтального элемента. Это обусловлено наличием на участке повреждения элемента зоны с большим переходным сопротивлением, которое приводит к изменению направления тока, фиксируемому по изменению направления горизонтальной составляющей магнитного поля вблизи участка повреждения этого элемента, а также к значительному уменьшению величины тока в точке повреждения, фиксируемому по уменьшению величины вертикальной составляющей напряженности магнитного поля в этой точке.
На фигуре представлена схема устройства для диагностики контура заземления.
Устройство для диагностики состояния контура заземления содержит генератор переменного сигнала 1, выносной токовый электрод 2, три датчика напряженности магнитного поля 3, 4, 5 три измерительных канала 6, 7, 8 блок сравнения фаз 9, логический элемент «И» 10, пороговый 11 и сигнальный 12 элементы.
Каждый из измерительных каналов 6 (7, 8) выполнен из последовательно соединенных усилителя входного электрического сигнала 13 (14, 15)и фильтра сигнала 16 (17, 18). Входом каждого измерительного канала 6 (7, 8) является вход соответствующего усилителя входного электрического сигнала 13 (14, 15). Выходом каждого измерительного канала 6 (7, 8) является выход соответствующего фильтра сигнала 16 (17, 18).
Каждый из двух измерительных каналов 7 (8) предназначен для обработки сигналов горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля. Третий измерительный канал 6 предназначен для обработки сигнала вертикальной составляющей напряженности магнитного поля.
Два датчика напряженности магнитного поля 4, 5 предназначены для измерения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля, расположены на поверхности земли над контуром заземления 19 и разнесены по оси элемента контура заземления 19. Датчик напряженности магнитного поля 3 предназначен для измерения вертикальной составляющей напряженности магнитного поля и расположен вертикально на поверхности земли над контуром заземления 19 между датчиками 4, 5. Датчики 3, 4, 5 связаны с контуром заземления 19 индукционно.
Генератор переменного сигнала 1 одним своим выводом соединен с контуром заземления 19, а вторым - с выносным токовым электродом 2.
Каждый из трех датчиков напряженности магнитного поля 3, 4, 5 подключен своими выходами к входу соответствующего измерительного канала 6, 7, 8.
Выход каждого из измерительных каналов 7 (8) подключен к соответствующему входу блока сравнения фаз 9. Выход третьего измерительного канала 6 соединен с входом порогового элемента 11, выход которого соединен с первым входом логического элемента «И» 10. Блок сравнения фаз 9 своим выходом соединен со вторым входом логического элемента «И» 10. Логический элемент «И» 10 своим выходом соединен с входом сигнального элемента 12.
В качестве датчиков напряженности магнитного поля использованы катушки индуктивности, выполненные из провода ПЭВ-2-0,4. Усилители и фильтры входного сигнала в каждом из измерительных каналов изготовлены на основе микросхемы К 544 УД1А, в качестве порогового элемента использована микросхема К 521 СА301А
Устройство работает следующим образом.
Во время измерения ток от генератора 1 протекает по всем параллельно соединенным между собой горизонтальным и вертикальным элементам сетки контура заземления 19 по цепи, образованной контуром заземления 19 и выносным токовым электродом 2. Часть тока равномерно стекает с каждого элемента сетки контура 19 в окружающий заземлитель грунт. Вокруг элементов контура заземления 19 создается переменное магнитного поле. За счет индукционной связи контура заземления 19 и датчиков магнитного поля 3, 4, 5 в последних наводится переменная эдс соответствующей составляющей напряженности магнитного поля. Датчики магнитного поля 4, 5 фиксируют направление горизонтальной составляющей магнитного поля вдоль горизонтального элемента контура заземления 19, а датчик 3 фиксирует значение вертикальной составляющей магнитного поля вдоль горизонтального элемента. Фиксируемые датчиками 3, 4, 5 сигналы в виде напряжения подаются на вход соответствующих измерительных каналов 6, 7, 8 где усиливаются и фильтруются.
Преобразованный сигнал вертикальной составляющей магнитного поля после измерительного канала 6 подается на вход порогового элемента 11. Пороговый элемент 11 переключается в активное состояние при значении входного сигнала ниже фиксируемой величины порогового (опорного) напряжения и остается в неактивном состоянии при превышении значения входного сигнала над величиной порогового (опорного) напряжения. Переключение порогового элемента 11 сигнализируется появлением на его выходе импульса напряжения прямоугольной формы. Неактивное состояние порогового элемента 11 сигнализируется отсутствием на его выходе импульса напряжения прямоугольной формы. Результат работы порогового элемента 11 в виде наличия или отсутствия импульса поступает на первый вход логического элемента «И» 10.
Преобразованные сигналы горизонтальной составляющей магнитного поля после измерительных каналов 7,8 подаются в блок сравнение фаз 9, где определяется направление горизонтальной составляющей магнитного поля в горизонтальном элементе контура заземления 19 и соответственно направление протекания тока в этом элементе. Переключение блока сравнения фаз 9 в активное состояние сигнализируется появлением на его выходе импульса напряжения прямоугольной формы. Неактивное состояние блока сравнения фаз 9 сигнализируется отсутствием импульса напряжения прямоугольной формы. Результат работы блока сравнения фаз 9 в виде наличия или отсутствия импульса поступает на второй вход логического элемента «И» 10. Логический элемент «И» при этом разрешает или запрещает работу сигнального элемента 12.
При отсутствии повреждения горизонтального элемента контура заземления 19, протекающие по нему токи имеют одинаковые направления протекания, т.е. неизменное направление имеет и горизонтальная составляющая магнитного поля вдоль всего элемента.
Фазы преобразованных сигналов после измерительных каналов 7,8 имеют одно и то же значение, поэтому блок сравнения фаз 9 после их сравнения остается в неактивном состоянии. Характер изменения значения вертикальной составляющей напряженности магнитного поля вдоль полосы равномерный, поэтому значение преобразованного сигнала после измерительного канала 6 не снижается до значения порогового (опорного) напряжения и пороговый элемент 11 остается в неактивном состоянии. Логический элемент «И» 10 при отсутствии импульсов напряжения прямоугольной формы на его первом и втором входах также остается в неактивном состоянии и выдает запрет на работу сигнального элемента 12.
При наличии повреждения в горизонтальном элементе контура заземления 19, протекающие по нему токи имеют противоположные направления вблизи точки его повреждения, т.е. противоположное направление имеют и горизонтальные составляющие магнитных полей вблизи точки повреждения элемента. При расположении датчиков напряженности магнитного поля 4,5 над местом повреждения горизонтального элемента фазы преобразованных сигналов после измерительных каналов 7,8 имеют разные значения, поэтому блок сравнения фаз 9 после их сравнения переключается в активное состояние. Характер изменения значения вертикальной составляющей напряженности магнитного поля вдоль полосы неравномерный, поэтому значение преобразованного сигнала после измерительного канала 6 снижается до значения порогового (опорного) напряжения над точкой повреждения и пороговый элемент 11 переключается в активное состояние. Логический элемент «И» 10 при наличии импульсов напряжения прямоугольной формы на его первом и втором входах переключается в активное состояние и выдает разрешение на работу сигнального элемента 12.
В точке повреждения горизонтального элемента контура заземления 19 наблюдается изменение направления горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля, фиксируемой датчиками 4, 5 и минимальное значение величины вертикальной составляющей напряженности магнитного поля, фиксируемой датчиком 3.
Определение над контуром заземления 19 места, в котором наблюдается изменение направления горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля и минимальное значение величины вертикальной составляющей напряженности магнитного поля означает место повреждения в данной точке горизонтального элемента контура заземления 19.
Использование заявленного устройства для диагностики состояния контура заземления позволяет при наличии повреждения горизонтального элемента выявлять не только участок, но и точку фактического повреждения элемента.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Свид. №21667 РФ, МПК 7 G 01 R 27/20;
2. Свид. №25604 РФ, МПК 7 G 01 R 31/00;
3. Правила устройства электроустановок / Мин-во топлива и энергетики РФ - 6-е изд., с изм. и доп. - М.: Главгосэнергонадзор, 1999. - 608 с.;