СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
SINGLE-PHASE GROUND SHORT CIRCUIT DETECTION METHOD

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике в электроэнергетике и может быть использовано для поиска участка силовой распределительной сети, на котором произошло однофазное замыкание на землю.
Известны серийно выпускаемые устройства обнаружения однофазного замыкания на землю (описаны в книге Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс». // Приложение к журналу «Энергетик», выпуск 11(35) 2001, 102 с.), с помощью которых для выявления аномальных режимов контролируют ток и напряжение нулевой последовательности и угол сдвига фаз между ними.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом, обнаружение однофазного замыкания на землю.
Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, является низкая надежность функционирования этих устройств.
Известен способ обнаружения однофазного замыкания на землю (Езерский В.Г. Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Пути повышения надежности, экономичности и безопасности энергетического производства». Дивноморское, июнь, 2005 г.), в соответствии с которым вручную, поочередно определяют действующее значение суммы высших гармоник тока нулевой последовательности в каждом фидере, отходящем от сборных шин распределительного устройства.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются определение действующих значений или амплитуд высокочастотных составляющих тока в каждом из фидеров.
Причинами, препятствующими получению требуемого технического решения, являются следующие недостатки: действие только при устойчивом однофазном замыкании на землю и значительные затраты времени на определение поврежденного фидера оператором.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ (патент РФ №2221333, МКИ H04B 3/54, ОБ №1, 2004), в соответствии с которым возбуждение высокочастотного сигнала в силовом кабеле осуществляется через проводник заземления его токопроводящей оболочки. Применение этого способа возбуждения сигнала позволяет реализовать высокочастотную связь с использованием отрезка силового кабеля в качестве среды распространения сигнала.
Признаком, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является: сигнал в силовом кабеле возбуждается через проводник заземления его токопроводящей оболочки.
Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является невозможность обнаружения однофазного замыкания на землю.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, разработка способа обнаружения однофазного замыкания на землю основанного на возбуждении высокочастотного сигнала в силовом кабеле через проводник заземления его токопроводящей оболочки.
Технический результат предложенного способа заключается в том, что обеспечивается возможность автоматизированного поиска поврежденного участка силовой распределительной сети без участия оператора, за счет чего значительно сокращаются затраты времени на определение поврежденного участка силовой сети. Кроме того, становится возможным обнаружить однофазное замыкание на землю как при устойчивом замыкании, так и при кратковременном пробое, и при дуговых прерывистых замыканиях.
Технический результат достигается тем, что в силовом кабеле через проводник заземления его токопроводящей оболочки возбуждается импульсный высокочастотный сигнал. С помощью измерительного высокочастотного трансформатора измеряют амплитуду или действующее значение высокочастотной составляющей тока, протекающего по проводнику заземления токопроводящей оболочки силового кабеля. При возникновении однофазного замыкания на землю амплитуда высокочастотного сигнала в проводнике заземления значительно возрастает по сравнению с ситуацией, когда однофазного замыкания не имеет места (различие в амплитудах существенно превышает погрешность измерения). На основе сравнения результатов измерений принимают решение о наличии однофазного замыкания на землю и о месте повреждения силового кабеля.
Анализ заявляемого способа и сравнение его с прототипом позволяет выявить следующие новые признаки: измеряют амплитуды или действующие значения высокочастотных составляющих токов, протекающих по проводнику заземления токопроводящей оболочки силового кабеля при его исправном и неисправном состояниях; сравнивают результаты измерений; решение о наличии однофазного замыкания на землю принимают в том случае, если разность между результатами измерений существенно превышает погрешность измерений.
Наличие новых признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям «новизна», «изобретательский уровень» и промышленная применимость.
Возможность достижения технического результата обусловлена следующими теоретическими положениями: в заявляемом изобретении, как и в прототипе, отрезок силового кабеля является средой распространения высокочастотного сигнала. Наличие однофазного замыкания на землю приводит к тому, что амплитуда или действующее значение тока существенно отличается от значения тока, имеющего место при исправном состоянии кабеля. Обусловлено это тем, что к токам, протекающим через сопротивления нагрузки, подключенным к концам отрезка силового кабеля и через распределенные взаимные сопротивления между токоведущими проводниками и оболочкой кабеля, добавляется и ток короткого замыкания. Анализ степени различия токов и позволяет судить о наличии однофазного замыкания на землю.
На чертеже приведена эквивалентная схема (по высокой частоте) участка распределительной силовой сети и функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа обнаружения однофазного замыкания на землю в соответствии с предлагаемым изобретением.
Отрезок силового кабеля представлен тремя токоведущими проводниками 1, 2, 3 и токопроводящей оболочкой 4, заземленной с двух сторон. Комплексные сопротивления 5-10 - эквивалентные сопротивления внешней части сети (эквивалентные входные сопротивления ответвлений, подключенных к концам отрезка) по отношению к рассматриваемому отрезку силового кабеля.
Устройство содержит генератор высокой частоты 13, высокочастотный трансформатор 11, измерительный трансформатор 12, измеритель 14.
Выход генератора высокой частоты 13 подключен к первичной обмотке высокочастотного трансформатора 11. Вторичная обмотка трансформатора 11 образована путем нанизывания кольцевого сердечника с намотанной на нем первичной обмоткой на проводник заземления токопроводящей оболочки силового кабеля. Первичная обмотка измерительного трансформатора 12 организована нанизыванием кольцевого сердечника на проводник заземления токопроводящей оболочки силового кабеля. Вторичная обмотка измерительного трансформатора соединена с входом измерителя 14.
Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода высокочастотного генератора, работающего в импульсном режиме, с помощью трансформатора 11 возбуждает высокочастотные электрические колебания в отрезке силового кабеля. За счет этого по оболочке и по токоведущим проводникам кабеля протекают высокочастотные составляющие тока. При этом на вторичной обмотке измерительного трансформатора 12 возникают высокочастотные импульсы напряжения. Эти импульсы поступают на вход измерителя 14. Если имеет место короткое замыкание между одним из токоведущих проводников силового кабеля и токопроводящей оболочкой («землей»), амплитуда импульсов на выходе измерительной обмотки трансформатора будет значительно отличаться от амплитуды импульсов, соответствующей исправному состоянию кабеля. Причем различие тем сильнее, чем ближе место повреждения к соответствующему концу отрезка силового кабеля. С помощью измерителя фиксируется результат измерения амплитуды импульсов. Далее осуществляется сравнение результатов текущего измерения и контрольного измерения амплитуды при исправном состоянии кабеля и происходит соответствующая индикация. Результат контрольного измерения амплитуды при исправном состоянии кабеля хранится в памяти измерителя. Информация о степени различия амплитуд может быть использована для определения места повреждения отрезка кабеля. Если измеритель является составной частью системы телемеханики, результат сравнения передается на центральный диспетчерский пункт.
Возбуждение сигнала в отрезке силового кабеля осуществляется за счет высокочастотного трансформатора 11. Измерение высокочастотной составляющей тока в проводнике заземления токоведущей оболочки силового кабеля происходит с помощью измерительного трансформатора 12. Сравнение амплитуд высокочастотных импульсов осуществляется с помощью измерителя.
Описанное устройство не содержит неизвестных ранее блоков и элементов и полностью реализует все операции в предложенном способе обнаружения однофазного замыкания на землю.
Благодаря введению новых операций: измерению амплитуд высокочастотной составляющей тока, протекающего по проводнику заземления токопроводящей оболочки при исправном и неисправном состояниях кабеля и их сравнению, исчезает необходимость поочередного определения действующего значения суммы высших гармонических составляющих тока нулевой последовательности в каждом из фидеров, и в связи с этим обеспечивается возможность автоматического поиска поврежденного участка силовой распределительной сети.