СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОЙ И ЕМКОСТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ФАЗ СЕТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ Российский патент 1999 года по МПК G01R31/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трехфазным электрическим сетям с изолированной нейтралью и может быть использовано для определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз относительно земли трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью.

Рациональное решение жизненно важных вопросов, связанных с профилактикой электротравматизма и обусловленных современными уровнями и масштабами электрификации предприятий различных отраслей и внедрения новой, прогрессивной техники невозможно без определения параметров изоляции электроустановок.

Возможность определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз электрической сети относительно земли позволяет управлять состоянием изоляции, точно задавать уставку срабатывания устройств защитного отключения.

Особенно актуально решение этой задачи для электротехнических установок напряжением 6...35 кВ.

Известен способ определения параметров изоляции электроустановки относительно земли по результатам измерения модуля и слагаемых вектора напряжения нулевой последовательности относительно вектора одного из фазных напряжений (в кн. : Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М., Недра, 1977, Авт.: Л.В.Гладилин, В.И.Щуцкий, Ю.Г.Бацежев, Н.И.Чеботаев. С. 184-185, рис. 4.15). Для определения параметров изоляции производится измерение слагаемых вектора напряжения нулевой последовательности относительно вектора одного из фазных напряжений при нормальном режиме работы электроустановки и при введении дополнительной проводимости между одной из фаз сети и землей.

Определение значения полной проводимости изоляции электроустановки производится по формуле

где значение вектора напряжения фазы A сети, B;
значение вектора напряжения естественного смещения нейтрали (до включения дополнительной проводимости), B;
значение вектора напряжения искусственного смещения нейтрали (после включения дополнительной проводимости), B;
Y_Д - дополнительная проводимость между фазой сети (к примеру фазой A) и землей.

Активная и емкостная составляющие полной проводимости изоляции сети определяются при решении выражения (1) относительно вещественной и мнимой частей.

Недостатком этого способа является необходимость использования нестандартных специальных измерительных приборов и специальной методики для измерения слагаемых вектора нулевой последовательности относительно вектора одного из фазных напряжений. Это существенно ограничивает возможности применения этого способа.

Известен способ определения параметров изоляции фазы сети относительно земли в трехфазной сети с изолированной нейтралью (кн.: Электробезопасность на открытых горных работах /В. И. Щуцкий А.И. Сидоров Ю.В. Ситчихин и др. -М. : Недра, 1996. с. 63-65), основанный на подключении к одной из фаз сети дополнительной емкости и измерении фазного напряжения сети, напряжения фазы (к которой подключена дополнительная емкость) относительно земли и напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей. Величину активной составляющей сопротивления изоляции фазы сети относительно земли рассчитывают по формуле

где U_Ф - фазное напряжение сети,
U_01.0 - напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей, B;
ϕ _ угол между вектором фазного напряжения и вектором напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей,

U_1.01 - напряжение относительно земли той фазы сети, к которой подключена дополнительная емкость C_Д, B;
C_Д - величина дополнительной емкости, Ф;
C - емкость фазы сети относительно земли,

Недостатком способа является то, что для определения активной составляющей сопротивления изоляции фазы сети относительно земли по предлагаемому выражению (2) необходимо знать емкость фазы сети относительно земли. Однако предложенное выражение для определения емкости фазы сети относительно земли не учитывает шунтирующего действия активного сопротивления изоляции на емкостное из-за чего вычисленная по выражению (4) емкость фазы сети относительно земли имеет большее значение по сравнению с реальным и это снижает точность (вносит дополнительную погрешность) при определении активной составляющей из выражения (2). Существенным ограничением в области практического применения этого способа является то, что наличие естественного смещения нейтрали в сети значительно снижает точность определения активной составляющей сопротивления изоляции фазы относительно земли.

В основу изобретения положена техническая задача создать такой способ определения активной составляющей сопротивления изоляции фаз сети относительно земли, который позволит выполнить это при наличии естественной несимметрии напряжений фаз сети относительно земли величиной, которая может быть в реальных электрических сетях.

Для достижения указанной задачи в способе определения активной составляющей сопротивления изоляции фаз относительно земли в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, включающий подключение между одной из фаз сети и землей дополнительной емкости и измерение фазного напряжения сети, напряжений фаз сети относительно земли, и напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей, согласно изобретению до подключения дополнительной емкости измеряют вышеуказанные напряжения сети, а величину активной составляющей сопротивления изоляции фаз сети относительно земли рассчитывают по соотношению

где




U_Ф - фазное напряжение сети, B;
U'_Ф.01 - напряжение фазы относительно земли до подключения дополнительной емкости, B;
U''_Ф.01 - напряжение фазы относительно земли после подключения дополнительной емкости, B;
U'_01.0 - напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей до подключения дополнительной емкости, B;
U''_01.0 - напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей после подключения дополнительной емкости, B;
ω - круговая частота, ω = 2πf f=50 Гц, ω = 314 c^-1;
ΔC - величина дополнительной емкости, Ф.

Дополнительным положительным моментом в предлагаемом способе является то, что используя рассчитанные выше величины возможно определить емкости фаз сети относительно земли по следующему соотношению

Отличительной особенностью заявленного способа является то, что измерение фазного напряжения сети, напряжений фаз сети относительно земли, и напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей производится до подключения дополнительной емкости, что позволяет определить активную составляющую сопротивления изоляции фаз сети относительно земли практически при любой несимметрии напряжений фаз сети относительно земли, которая может быть в реальных электрических сетях. Реализация способа осуществляется подключением к одной из фаз сети дополнительной емкости и одновременном измерении величин напряжений до и после подключения дополнительной емкости: фазного; фаз относительно земли; между нейтралью трехфазной сети и землей.

Дополнительным положительным моментом в предлагаемом способе является то, что используя полученные выше величины возможно определить емкости фаз сети относительно земли.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана схема замещения трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, в которой определяется активная составляющая сопротивления изоляции фаз сети относительно земли, на фиг. 1 обозначены: PV₁ - вольтметр, для измерения фазного напряжения сети (U_ф), PV₂ - вольтметр для измерения напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей (U_01.0).

PV₃ - PV₅ вольтметры, для измерения напряжений фаз относительно земли (U_ф.01); S₁ - коммутационный аппарат, ΔC - дополнительная емкость, R₁, C₁; R₂, C₂; R₃, C₃ - активные сопротивления изоляции и емкости фаз (соответственно 1, 2, 3) сети относительно земли; на фиг. 2 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью; на фиг. 3 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью при наличии естественной несимметрии в сети.

Способ определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли осуществляют следующим образом:
1. В нормальном режиме сети измеряют напряжение естественной несимметрии U_01.0. Если эго напряжение превышает 1% U_ф, то см. ниже п. 3.

2. Между одной из фаз сети и землей (в данном случае первой, см фиг. 1) подключают дополнительную емкость ΔC. Затем одновременно измеряют напряжение фазное U_ф и фазы относительно земли U_ф.01 (измерения относятся к той фазе, к которой подключена дополнительная емкость), а также напряжение несимметрии U''_01.0 между нейтралью трехфазной сети и землей.

Расчет активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли проводят по соотношениям


где

Здесь U''_01.0 напряжения смещения нейтрали после подключения ΔC.
3. До подключения дополнительной емкости одновременно фиксируют значения U'_01.0, U'_ф, U'_1.01, U'_3.01.

4. Между одной из фаз сети и землей подключают дополнительную емкость ΔC. Затем одновременно измеряют напряжения U''_0.10, U''_ф, U''_1.01, U''_2.01, U''_3.01.

Расчет активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли проводят по следующим соотношениям:






Учитываем знаки ϕ′ϕ″ на примере подключения ΔC к фазе 1) ϕ^* < 0 при U_2.01 ^* < U_3.01 ^*, ϕ^* > 0 при U_2.01 ^* > U_3.01
Здесь ^* означает как первое так и второе измерение.

Таким образом появилась возможность определить активную и емкостную составляющие сопротивления изоляции фаз сети относительно земли практически при любой несимметрии напряжений фаз сети относительно земли, которая может быть в реальных электрических сетях.

Зависимости, по которым определяются активная и емкостная составляющие сопротивления изоляции относительно земли, получены следующим образом:
Полные проводимости фаз трехфазной сети относительно земли равны

где g₁, g₂, g₃ - активные составляющие полных проводимостей фаз электрической сети относительно земли,
b₁, b₂, b₃ - емкостные составляющие полных проводимостей фаз электрической сети относительно земли.

Напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей, определенное на основе метода двух узлов, равно

где комплексы фазных напряжений соответственно первой, второй и третьей фазы сети.

Для трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью справедливо условие

тогда

где

В этом случае

Принимаем, что полные проводимости изоляции фаз сети относительно земли до подключения дополнительной емкости равны между собой
Y₁ = Y₂ = Y₃ = Y,
в этом случаев
R₁ = R₂ = R₃ = R, (g₁ = g₂ = g₃ = g),
C₁ = C₂ = C₃ = C, (b₁ = b₂ = b₃ = b). (11)
При подключении дополнительной емкости к фазе сети емкостная приводимость сети относительно земли будет равна
B = 3b+Δb, где Δb = ωΔC, (12)
а активная - G = 3g.

Из (10) с учетом (11) и (12) получим

Для определения активной и емкостной составляющих сопротивления фаз сети относительно земли из (13) выделим действительную и мнимую части:
действительная

мнимая

Обозначим

Следовательно

Заметим что

следовательно

аналогично

Запишем (16) с учетом (17)


и окончательно

Здесь C_Σ= C₁+C₂+C_3/
Аналогично запишем для G

Угол ϕ - угол между вектором фазного напряжения и вектором напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей (см. фиг. 2) определяется согласно теореме косинусов по следующему соотношению:

Расчет активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли по соотношениям (18) - (20) имеет ограничения в области практического применения. Так, при наличии естественного смещения нейтрали U_01.0 (первое измерение) и при подключении ΔC получаем U''_01.0 (второе измерение) который не соответствует внесенной ΔC и при дальнейших расчетах по (18) - (20) можно получить результат, существенно отличающийся от реального. (Здесь и далее '- значение параметра до подключения ΔC, а ''- значение параметра после подключения ΔC). Исключить эту ошибку можно путем расчета параметров вектора искусственного смещения нейтрали соответствующего только вносимой ΔC без естественной составляющей, которая имеется до подключения
Параметры вектора можно вычислить, поскольку известны U'_01.0 и U''_01.0, а углы ϕ′ и ϕ″ рассчитываются по соотношению, аналогичному (20), но при этом в дальнейшем необходимо учитывать знаки углов ϕ′ и ϕ″, определяемые по следующим выражениям (на примере измерений относительно первой фазы): ϕ^* < 0 при U_2.01 ^* < U_3.01 ^*, ϕ^* > 0 при U_2.01 ^* > U_3.01 ^*.

Здесь ^* означает как первое так и второе измерения.

U_01.0ΔC определяется по следующим соотношениям (см. фиг. 3):

Подставив рассчитанные параметры вектора в выражения (18) и (19) получим


- значения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз сети относительно земли для сети, имеющей напряжение естественного смещения нейтрали (U'_01.0) с минимальной погрешностью.

Таким образом появилась возможность определить активную и емкостную составляющие сопротивления изоляции фаз сети относительно земли практически при любой несимметрии напряжений фаз сети относительно земли, которая может быть в реальных электрических сетях.

Пример. Способ определения активной составляющей сопротивления изоляции фаз сети относительно земли трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью проверен на физической модели сети. Результаты измерений, проведенные на физической модели сети приведены на фиг. 4.

Промышленная применимость.

Изобретение может быть использовано при определении параметров изоляции относительно земли сети с изолированной нейтралью.

Электрическая изоляция, являясь одним из основных конструкционных материалов обеспечивает как надежность и долговечность электроустановок, так и безопасное потребление электроэнергии.

Определение величины активной составляющей сопротивления изоляции фазы сети относительно земли позволяет своевременно выявлять электроустановки с пониженным уровнем сопротивления изоляции фаз сети относительно земли и принимать профилактические меры для снижения вероятности возникновения повреждения электрооборудования, серьезных аварий и гибели людей.

Безопасность эксплуатации электрооборудования и надежность снабжения потребителей электрической энергией является основным требованием, предъявляемым к электротехническим установкам всех отраслей промышленности.

Особенно актуальна необходимость выполнения этого требования в трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением до и выше 1000 В электротехнических установок горнодобывающей промышленности.

Разработанный способ гарантирует безопасность при проведении измерений, обеспечивает достаточную точность результатов за счет измерений скалярных величин напряжений, снижение временных затрат, прост в применении.

Изобретение используется в трехфазных электрических сетях. В предложенном способе помимо измерения фазного напряжения сети, напряжений фаз сети относительно земли и напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей при подключенной дополнительной емкости, дополнительно измеряются фазное напряжение сети, напряжения фаз сети относительно земли, и напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей до подключения дополнительной емкости. Техническим результатом является то, что способ позволяет определить активную составляющую сопротивления изоляции фаз сети относительно земли практически при любой несимметрии напряжений фаз сети относительно земли, которая может быть в реальных электрических сетях. Предложены соотношения для определения активной и емкостной составляющей сопротивления изоляции фаз относительно земли. 4 ил.

Способ определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фаз относительно земли в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, включающий подключение между одной из фаз сети и землей дополнительной емкости и измерение фазного напряжения сети, напряжений фаз сети относительно земли, и напряжения между нейтралью трехфазной сети и землей, отличающийся тем, что до подключения дополнительной емкости измеряют вышеуказанные напряжения сети, а величину активной составляющей сопротивления изоляции фаз сети относительно земли рассчитывают по соотношению

где




U_ф - фазное напряжение сети, В;
U'_ф.01 - напряжение фазы относительно земли до подключения дополнительной емкости, В;
U"_ф.01'- напряжение фазы относительно земли после подключения дополнительной емкости, В;
U'_01.0 - напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей до подключения дополнительной емкости, В;
U"_01.0' - напряжение между нейтралью трехфазной сети и землей после подключения дополнительной емкости, В;
ω - круговая частота, ω = 2πf, f = 50 Гц, ω = 314с^-1;
ΔC - величина дополнительной емкости, ф,
а емкостную составляющую сопротивления изоляции фаз сети относительно земли определяют, используя рассчитанные выше величины по соотношению