СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОВОДИМОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ УЧАСТКА СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2004 года по МПК G01R27/18 G01R31/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, и может быть использовано для непрерывного контроля активной и емкостной составляющих проводимости изоляции фазы относительно земли трехфазной электрической сети 6... 35 кВ с изолированной нейтралью.

Непрерывный контроль уровней активной и емкостной составляющих проводимости изоляции фаз сети относительно земли позволяет управлять состоянием изоляции: своевременно выявлять участки сети, в которых процессы ухудшения параметров изоляции приняли достаточно выраженный характер, и заблаговременно выводить их в ремонт, что позволит добиться значительного повышения надежности и безопасности электроснабжения.

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

Известен способ трех вольтметров непрерывного контроля изоляции фаз сети относительно земли, основанный на включении вольтметров в звезду с заземленной нейтральной точкой (кн.: Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, - 1972, с.43 -45).

Напряжение на каждом вольтметре определяется следующими выражениями:

где g_V - активная проводимость вольтметра;

Y₁, Y₂, Y₃ - полная проводимость изоляции фаз (1, 2, 3) сети относительно земли;

U_ф - фазное напряжение сети;

а - фазный множитель.

Проводимости исправной изоляции приблизительно симметричны Y₁=Y₂=Y₃=Y, поэтому напряжение смещения нейтрали невелико, а напряжения фаз относительно земли, которые показывают вольтметры, приблизительно равны фазным напряжениям источника.

Недостатки этого способа:

- он четко фиксирует только глухие замыкания на землю, практически контролирует лишь замыкание фазы на землю;

- не реагирует на симметричное снижение сопротивления изоляции;

- не позволяет определить место снижения сопротивления изоляции;

- не измеряет величину сопротивления изоляции, а только фиксирует пробой изоляции.

Известен способ контроля проводимости изоляции фазы участка сети относительно земли в трехфазной сети с изолированной нейтралью (Сидоров А.И. Теория и практика системного подхода к обеспечению электробезопасности на открытых горных работах. – Дис. докт. техн. наук. - Челябинск: ЧГТУ, 1993, с.280-283), основанный на измерении фазного напряжения в начале, а также фазного напряжения, тока фазы, активной и реактивной мощности нагрузки линии в конце контролируемого участка. Величину полной проводимости изоляции рассчитывают по формуле:

где Z - полное продольное сопротивление фазы участка сети;

r, х - соответственно активная и реактивная составляющие полного продольного сопротивления фазы участка сети;

U_1ф, U_2ф - фазное напряжение соответственно в начале и в конце участка сети;

Р₂, Q₂ - соответственно активная и реактивная мощности нагрузки участка сети;

I₂ - ток в фазе в конце участка сети.

Недостатки этого способа:

- из параметров изоляции определяется только полная проводимость изоляции фаз сети относительно земли;

- использование в качестве исходных данных значений фазного напряжения сети не позволяет достоверно определить проводимость фазы сети относительно земли в случае несимметрии проводимостей изоляции фаз сети относительно земли;

- не учитывает несимметрии токов и напряжений в реальных трехфазных сетях на проводимость изоляции фаз.

В основу изобретения положена техническая задача создания способа непрерывного контроля активной и емкостной составляющих проводимости изоляции фаз участка трехфазной сети с изолированной нейтралью относительно земли, позволяющего определить активную и емкостную составляющие проводимости изоляции фаз сети относительно земли практически при любой несимметрии напряжений и токов, которая может быть в реальных электрических сетях.

Для решения указанной задачи в способе контроля проводимости изоляции относительно земли участка сети с изолированной нейтралью, включающем измерения тока каждой фазы в конце контролируемого участка сети, согласно изобретению одновременно измеряют ток каждой фазы в начале участка сети, измеряют напряжение каждой фазы относительно земли в начале участка и все фазные напряжения относительно земли в конце участка сети, измеряют линейные напряжения в конце контролируемого участка сети, измеряют углы сдвига между вектором тока каждой фазы и вектором напряжения относительно земли каждой фазы в начале и конце контролируемого участка сети, а контроль проводимости изоляции осуществляют по величине активной и емкостной составляющих проводимости изоляции каждой фазы относительно земли контролируемого участка сети, которые определяют из выражений:

где G_И - активная составляющая проводимости, См;

В_И - емкостная составляющая проводимости, См;

I₁, I₂ - ток фазы в начале и конце контролируемого участка сети, А;

U₁, U₂ - напряжение фазы относительно земли в начале и конце контролируемого участка сети, В;

- угол сдвига между вектором тока и вектором напряжения фазы относительно земли в начале участка;

- угол сдвига между вектором тока фазы на нагрузке и вектором напряжения фазы относительно земли в конце участка;

ψ - начальная фаза фазного напряжения относительно земли в начале участка;

z - полное продольное сопротивление фазы участка сети, Ом;

R, х - активная и реактивная составляющие полного продольного сопротивления фазы участка сети.

Отличительной особенностью заявленного способа является то, что он позволяет непрерывно контролировать активную и емкостную составляющие проводимости изоляции каждой фазы участка сети относительно земли на основе одновременного измерения величин:

- тока каждой фазы в начале и в конце контролируемого участка сети;

- напряжения каждой фазы относительно земли в начале и всех фазных напряжений в конце контролируемого участка сети;

- линейных напряжений в конце контролируемого участка сети;

- углов сдвига в начале контролируемого участка сети между вектором тока каждой фазы и вектором напряжения каждой фазы относительно земли;

- углов сдвига в конце контролируемого участка сети между вектором тока на нагрузке каждой фазы и вектором напряжения каждой фазы относительно земли.

Эти величины могут быть измерены с использованием измерительных трансформаторов и измерительных приборов, которые должны быть на подстанции в соответствии с правилами эксплуатации электроустановок.

Величина ψ определяется из выражения, полученного из анализа схем на фиг.1, 2, 3 в комплексной форме.

Определение активной составляющей проводимости изоляции каждой фазы на любом участке сети позволит своевременно прогнозировать возможность развития аварийной ситуации (пробоя изоляции).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема замещения участка трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, на котором контролируются активная и емкостная составляющие проводимости изоляции фаз относительно земли; на фиг.2 изображена расчетная схема замещения фазы А; на фиг.3 изображена топографическая диаграмма фазных напряжений относительно земли и линейных напряжений в конце контролируемого участка.

На фиг.1 обозначены:

I_A, I_B, I_C - токи в начале участка сети, А;

I_a, I_b, I_c, - токи в конце участка сети, А;

- продольное комплексное сопротивление фазы участка сети, Ом;

- комплексные проводимости изоляции фаз а, b, и с относительно земли, См;

U_A0', U_B0', U_C0' - напряжения фаз относительно земли в начале участка сети, В;

U_a0', U_b0', U_c0' - напряжения фаз относительно земли в конце участка сети, В;

на фиг.2 обозначены:

- напряжения фазы в начале и конце участка относительно земли, В;

- токи в начале и конце фазы участка сети, А;

- комплексная проводимость изоляции фазы относительно земли, См.

Способ осуществляют следующим образом.

Параметры режима сети, необходимые для расчета активной и реактивной составляющих проводимости изоляции относительно земли, делят на две группы: измеряемые и рассчитываемые.

Для контроля проводимости изоляции, например фазы А, одновременно измеряют режимные параметры: ток фазы А в начале (I_A) и в конце (I_a) участка, фазное напряжение фазы А относительно земли в начале (U_A0') и фазные напряжения относительно земли в конце участка (U_a0', U_b0', U_c0'), линейные напряжения в конце участка (U_ab, U_bc, U_ca), а также углы сдвига ϕ ₁’ (между напряжением и током ) и ϕ ₂’ (между напряжением и током ).

Угол ψ рассчитывают из анализа схем на фиг.1 и 2 в комплексной форме с использованием топографической диаграммы напряжений для конца участка сети (фиг.3, а, б, в, г).

Из фиг.3 по теореме косинусов следует:

Примем начальную фазу напряжения равной нулю:

Тогда (фиг.3) вектор напряжения сдвинут относительно напряжений на угол γ ₂, поэтому

Для определения угла γ ₂ также можно воспользоваться теоремой косинусов, но при определении этого угла нужно учитывать направление поворота вектора напряжения относительно вектора . Теорема косинусов дает угол в диапазоне от 0 до 180° , что соответствует зонам I и III на фиг.3, а и в. В зонах II и IV (фиг.3, б и г) угол γ ₂ изменяется от 0 до -180° . В связи с этим сначала определяется вспомогательный угол

Связь угла γ ₂ с углом и углами α ₂, β ₂ для разных зон определяется следующими соотношениями:

Зона I (фиг.3, а) - γ ₂=γ *2

Зона II (фиг.3, б) - γ ₂=-γ *2

Зона III (фиг.3, в) - γ ₂=γ *2

Зона IV (фиг.3, г) - γ ₂=-γ *2

Добавление ±2π (к аргументу комплексного напряжения не меняет направление вектора, поэтому можно считать, что в зоне IV γ ₂=(α ₂+β ₂).

Из анализа приведенных равенств можно отметить следующие особенности:

в зонах I и II γ ₂=α ₂-β ₂ и γ *2

а в зонах III и IV γ ₂=α ₂+β ₂.

После определения γ ₂ можно определить по формуле (3), остальные линейные напряжения:

Измерение угла ϕ ₂’ позволяет записать ток в конце участка

Для начала линии формулы определения режимных параметров аналогичны и отличаются лишь заменой малых букв а, b, с на большие А, В, С и индекса 2 на 1. Кроме того, для входа начальная фаза напряжения отлична от нуля, т.е. (угол ψ подлежит определению).

Соответственно вся диаграмма на фиг.3,а повернется на угол ψ и начальные фазы всех векторов увеличатся на ψ .

В результате получаются формулы:

Формулы (1... 14) записаны применительно к фазе А. Для фазы В в формулах нужно сделать замены А→ В, В→ С, С→ А. Для фазы С замены в противоположенном направлении А→ С, В→ А, С→ В.

Таким образом, для схемы на фиг.2 определены . Эти комплексы содержат неизвестный угол ψ , входящий в выражения (11... 14). Для определения угла ψ используется метод узловых потенциалов, в соответствии с которым для схемы на фиг.2 записываются следующие уравнения:

После ряда математических преобразований этих уравнений получается следующее выражение для определения cosψ :

где z - полное продольное сопротивление фазы участка сети, Ом;

R, x - активная и реактивная составляющие полного продольного сопротивления фазы участка сети.

Проводимость изоляции Y можно определить по закону Ома как отношение тока через проводимость изоляции к напряжению на ней (см. фиг.2)

откуда

После соответствующих преобразований формулы (18) с учетом формул (7), (11), (14) получают следующие выражения для параметров изоляции:

Таким образом, предложен способ определения активной и емкостной составляющих проводимости изоляции относительно земли каждой фазы на любом участке сети.

Пример. Способ непрерывного контроля активной и емкостной составляющих проводимости изоляции относительно земли каждой фазы участка трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью проверен на математической модели сети и в реальной электрической сети напряжением 10 кВ АО "Станкомаш" г.Челябинска.

Измерение режимных параметров проводилось на кабельной линии электропередачи (кабель марки ААШв 3× 95) между РП-6 и ТП-70 длиной 0,618 км напряжением 10 кВ.

Для измерения вышеуказанных параметров в начале (РП-6) и конце (ТП-70) испытуемого участка были собраны схемы измерения, включающие амперметры для измерения тока в каждой фазе, вольтметры для определения фазных и линейных напряжений и ваттметры для определения углов сдвига между током и напряжением фазы относительно земли в каждой фазе. Измерения в начале и конце участка проводились синхронно в течение 0,5 ч через каждые 3 мин.

На основе полученных результатов измерений был выполнен расчет емкостной проводимости изоляции кабельной линии электропередачи и сравнение рассчитанных значений со справочными данными.

Результаты измерения режимных параметров и расчета емкостной проводимости для фазы А приведены в таблице.

Аналогичные результаты получены и для фазы С.

Из полученных результатов видно, что наблюдается хорошее совпадение рассчитанной емкостной проводимости с проводимостью, полученной из справочных данных.

Следовательно, разработанный метод может применяться на практике для определения параметров изоляции относительно земли кабельных линий электропередачи в распределительных сетях.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано для контроля параметров изоляции фаз 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.

Непрерывный контроль параметров изоляции фаз сети относительно земли позволяет своевременно выявлять участки сети с повышенным уровнем проводимости изоляции фаз 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 выше 1000 В.

Определение активной составляющей проводимости изоляции каждой фазы на любом участке сети позволит своевременно прогнозировать возможность развития аварийной ситуации (пробоя изоляции).

Разработанный способ гарантирует безопасность при проведении измерений, не требует использования дополнительного высоковольтного оборудования.

Способ может быть использован для контроля активной и емкостной составляющих проводимости изоляции каждой фазы относительно земли на любом участке трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью. Измеряют токи каждой фазы в начале и конце контролируемого участка сети и все фазные напряжения относительно земли в начале и конце контролируемого участка сети. Измеряют линейные напряжения в конце контролируемого участка сети. Измеряют углы сдвига между вектором тока каждой фазы и вектором напряжения каждой фазы относительно земли в начале и конце контролируемого участка сети. Величины активной и емкостной составляющих проводимости изоляции каждой фазы относительно земли определяют по выражениям, приведенным в описании изобретения. Способ позволяет непрерывно контролировать активную и емкостную составляющие проводимости изоляции каждой фазы при любой несимметрии напряжений и токов. 3 ил., 1 табл.

Способ контроля проводимости изоляции относительно земли участка сети с изолированной нейтралью, включающий измерения тока каждой фазы в конце контролируемого участка сети, отличающийся тем, что одновременно измеряют ток каждой фазы в начале участка сети, измеряют напряжение каждой фазы относительно земли в начале участка и все фазные напряжения относительно земли в конце участка сети, измеряют линейные напряжения в конце контролируемого участка сети, измеряют углы сдвига между вектором тока каждой фазы и вектором напряжения каждой фазы относительно земли в начале и конце контролируемого участка сети, а контроль проводимости изоляции осуществляют по величине активной и емкостной составляющих проводимости изоляции каждой фазы относительно земли контролируемого участка сети, которые определяют из выражений

где G_И - активная составляющая проводимости, См;

B_И - емкостная составляющая проводимости, См;

I₁, I₂ - ток фазы в начале и конце контролируемого участка сети, А;

U₁, U₂ - напряжение фазы относительно земли в начале и конце контролируемого участка сети, В;

ϕ₁’ - угол сдвига между вектором тока и вектором напряжения фазы относительно земли в начале участка;

ϕ₂’ - угол сдвига между вектором тока и вектором напряжения фазы относительно земли в конце участка;

ψ - начальная фаза фазного напряжения относительно земли в начале участка;

z - полное продольное сопротивление фазы участка сети, Ом;

R, х - активная и реактивная составляющие полного продольного сопротивления фазы участка сети.