СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ НУЛЕВОГО ПРОВОДА ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 0,4 КВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H02H5/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам электробезопасности, и может быть использовано для защиты потребителей электрической энергии от перенапряжений, вызванных ухудшением параметров нулевого провода или его обрыва, и для обеспечения электро-, пожаро- и взрывобезопасности.

Изобретение предназначено для организации контроля непрерывности нулевого провода и его параметров относительно земли воздушных и кабельных линий электропередачи 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью.

Практика эксплуатации воздушных и кабельных линий показала, что основными причинами:

обрыва нулевого провода являются:

- длительное однофазное короткое замыкание в конце длинной линии, приводящее к отгоранию нулевого провода в местах контактных соединений;

- постепенное электроэрозионное разрушение нулевого провода при схлестывании с фазным в местах наибольшей стрелы провеса;

увеличения напряжения прикосновения являются:

- обрыв части системы повторных заземлителей;

- увеличение переходных сопротивлений в месте контакта повторных заземлителей с нулевым проводом;

- увеличение сопротивления грунта в месте установки повторных заземлителей.

При несимметричной нагрузке обрыв или увеличение сопротивления системы "нулевой провод-земля" вызывает появление у потребителей значительных перенапряжений в наименее нагруженных фазах, что приводит к массовому выходу из строя оборудования потребителей и возникновению электро-, пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Обеспечение непрерывности нулевого провода предполагает постоянный контроль за его состоянием и параметрами и в случае аварии отключение отходящей линии от трансформаторной подстанции.

Известен способ определения повреждения нулевого провода в сетях 0,4 кВ путем определения сопротивления петли фаза-нуль (Сидоров А.И. Основы электробезопасности: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - с.66-172).

Основным недостатком при измерении сопротивления петли фаза-нуль является невозможность точно определить, чем вызвано увеличение суммарного сопротивления петли фаза-нуль: обрывом нулевого провода или недопустимым увеличением сопротивления фазных проводов, а также невозможностью организации постоянного автоматического контроля указанных аварийных состояний.

Существует устройство, использующее наложение на напряжение сети оперативного постоянного тока и предназначенное для контроля зануления конкретной электрической установки (А.с. 845115 СССР - Устройство для контроля целостности заземляющей цепи передвижных электроустановок. G 01 R, заявлено 09.07.1979 г.; опубликовано 07.07.1981 г., бюл. №25), содержащее основной трехфазный дроссель, источник оперативного постоянного тока, дополнительный трехфазный дроссель и реагирующий орган.

Недостатком устройства, использующего наложение на напряжение сети оперативного тока, является контроль непрерывности лишь одного участка цепи зануления, а кроме того, ухудшение качества электроэнергии.

Известно также устройство контроля непрерывности нулевого провода в воздушных линиях 0,4 кВ, в основу которого положен принцип сравнения тока I₀₁ в нулевом проводе в начале линии и тока I₃ в заземлении нейтрали питающего трансформатора. Как было установлено, в нормальном режиме работы сети при любом распределении нагрузки между линиями величина тока I₀₁ всегда больше величины тока I₃. При нарушении непрерывности нулевого провода соотношение I₀₁>I₃ нарушается, что и используется для обнаружения возникновения аварийной ситуации и выработки сигнала, который подается на исполнительный механизм, отключающий неисправную линию (А.с. 2230415 РФ - Устройство контроля непрерывности нулевого проводника в воздушных линиях 0,4 кВ. Н 02 Н, заявлено 17.10.2002 г.; опубликовано 10.06.2004, бюл. №16).

Недостатком этого устройства является малая зона контроля, так как оно надежно работает на длинах до 500 м. Согласно анализу схем городских электросетей длина отдельных линий распределительных сетей 0,4 кВ не превышает 300-400 м. Поэтому в городских условиях зоны действия 500 м достаточно, а в сельской местности зачастую нет, так как линии 0,4 кВ в сельской местности могут достигать длин порядка 1,5-2 км.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля непрерывности заземляющего провода передвижных горнодобывающих электроустановок, в котором в качестве канала связи используется совокупность фазных проводов, а контролирующие сигналы вводятся в сеть в виде чередующихся импульсов заранее заданной одной и той же частоты (Сидоров А.И. Теория и практика системного подхода к обеспечению электробезопасности на открытых горных работах. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Кемерово, 1994, с.23-25, рис.5).

Наиболее близким по технической сущности является также устройство контроля непрерывности заземляющего провода передвижных горнодобывающих электроустановок (Сидоров А.И. Теория и практика системного подхода к обеспечению электробезопасности на открытых горных работах. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Кемерово, 1994, с.23-25, рис.5), включающее блок приема импульсов, установленный на питающей подстанции, где находится центральный заземлитель, который посылает в сеть опросные импульсы, каждый из которых предназначен для запуска соответствующего блока передачи импульсов, установленного на той или иной передвижной электроустановке. Блок передачи импульсов по контуру нулевой последовательности или по цепи сопротивление самозаземления - грунт - центральный заземлитель - совокупность фазных проводов передает на блок приема импульсы, которые дешифруются и преобразуются в контрольный сигнал. Величина этого контрольного сигнала и является критерием непрерывности цепи заземления.

Недостатками известного способа и устройства являются:

- ухудшение качества электроэнергии в данной сети за счет прохождения импульсного тока через совокупность фазных проводов;

- за счет временного ограничения полосы пропускания нарушается импульсный характер сигнала, импульсный сигнал конечной длительности «расплывается», переходные процессы в канале продолжаются после выключения i-го сигнала и происходит наложение сигналов, что приводит к ухудшению чувствительности;

- контроль параметров нулевого провода по каждой защищаемой линии производится через некоторые промежутки времени, длительность которых зависит от количества защищаемых линий, т.е. контроль осуществляется непостоянно.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества контроля непрерывности и параметров нулевого провода, увеличение достоверности определения его обрыва или обрыва части повторных заземлителей в любой точке сети.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ, включающем пропускание высокочастотных импульсов через нулевой провод и совокупность повторных заземлителей защищаемых линий, прием импульсов, их дешифрацию, регистрацию амплитуды импульсов и подачу сигнала на отключение линии при значениях амплитуды импульсов ниже определенной величины, осуществляется непрерывная передача импульсов определенной частоты, отличающейся на 200 Гц для соседних каналов частоты, а перед дешифрацией дополнительно производят измерения частоты и разделение спектра сигналов по исходным полосам частоты, определяют амплитуды импульсов, соответствующих каждой линии, и при уменьшении амплитуды импульсов более чем на 15% от амплитуды импульсов в нормальном режиме работы производят отключение линии с нарушенными параметрами нулевого провода.

Технический результат также достигается тем, что в устройстве автоматического контроля непрерывности и параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ, содержащем блоки передачи высокочастотных импульсов, установленные в конце защищаемых линий, и блок приема с дешифраторами, установленный на питающей трансформаторной подстанции, причем блоки передачи высокочастотных импульсов и блок приема имеют два зажима, первый из которых соединен с нулевым проводом, дополнительно введены частотные фильтры, установленные последовательно между нулевым проводом и дешифраторами блока приема, при этом блоки передачи высокочастотных импульсов и блок приема вторым зажимом соединены с повторным заземлителем.

Введение частотных фильтров позволяет измерить частоту и разделить спектр группового сигнала на полосы частоты, соответствующие защищаемым линиям, что необходимо для обеспечения непрерывного контроля всех отходящих от трансформаторной подстанции линий.

Сущность предлагаемого способа и устройства поясняется чертежом.

На чертеже представлена структурная схема устройства постоянного автоматического контроля параметров нулевого провода для двух отходящих от трансформаторной подстанции линий, в которой используются стандартные общепринятые блоки, где

1 - силовой питающий трансформатор;

2 - нагрузки потребителей;

3 - автоматические выключатели отходящих от подстанции линий;

4 - контур заземления подстанции сопротивлением 4 Ом;

5 - повторные заземлители воздушных или кабельных линий сопротивлением 30 Ом;

6 - сопротивления нулевых проводов отходящих линий;

7 - блоки передачи импульсов соответствующих линий;

8 - блок приема импульсов;

9 - частотные фильтры соответствующих линий;

10 - дешифраторы соответствующих линий;

11 - исполнительные механизмы автоматических выключателей защищаемых линий.

Устройство содержит блоки передачи высокочастотных сигналов, установленные в конце защищаемых линий и включаемые между нулевым проводом и повторным заземлителем 5. Каждый блок передачи импульсов 7 представляет собой генератор высокочастотных импульсов, вырабатывающий высокочастотные импульсы соответствующих полос частоты Δω₁, Δω₂,..., Δω_n.

Согласно данным анализа схем городских электрических сетей количество отходящих от трансформаторных подстанций линий 0,4 кВ не превышает 30. Следовательно, для работы устройства при максимальном количестве отходящих линий необходимо разделение канального сигнала частотными фильтрами на 30 полос частоты. Для обеспечения минимального влияния между полосами канала, обусловленного нелинейными искажениями 2-го порядка, вызванными нелинейностью канала прохождения сигнала, несущая частота канала должна быть кратна определенной частоте ΔF_МАКС, равной скорости передачи (при предельной скорости модуляции B_МАКС): ΔF_макс=B_макс. Согласно требованиям к системе передачи импульсных посылок, связанных с тремя ее основными характеристиками: пропускной способностью, верностью и надежностью, скорость модуляции варьируется в пределах 50-160 бод (Балагин И.А., Кудряшов В.А., Семенюта Н.Ф. Передача дискретной информации и телеграфия. М.: Транспорт, 1971, с.234-235). В этом случае при передаче потеря достоверности не превышает 10^-3, а вероятность ошибки, вносимой приемником при демодуляции импульсов, лежит в пределах 10^-6-10^-10. Исходя из реальных характеристик фильтров несущая частота канала ΔF должна быть увеличена на величину полосы расфильтровки ΔF_РАСФ, равной не менее 40 Гц. Учитывая эти соображения, ΔF=ΔF_МАКС+ΔF_РАСФ=160+40=200 Гц. Тогда для обеспечения защиты 30 отходящих линий несущая частота блока передачи импульсов должна быть равна ΔF_НЕС=ΔF·n=200·30=6000 Гц.

Способ реализуется следующим образом. Блоки передачи импульсов 7 генерируют высокочастотные импульсы соответствующей полосы частоты Δω_i для каждой защищаемой линии. Проходя через сопротивление нулевого провода 6, совокупность повторных заземлителей 5 соответствующей линии и грунт, сигналы поступают в блок приема 8. Затем спектр группового сигнала частотными фильтрами 9 разделяется на полосы Δω_i, соответствующие каждой защищаемой линии. Дешифраторы 10 производят расшифровку сигналов, а при ненормальных параметрах импульсов подают сигнал на исполнительный механизм 11 автоматического выключателя, осуществляющий отключение отходящей линии с поврежденным нулевым проводом от трансформаторной подстанции.

Для полного разделения каналов необходимо, чтобы спектры канальных сигналов были полностью сосредоточены в соответствующих полосах Δω_i, а частотные фильтры выделяли спектр только своего сигнала и не пропускали бы никаких гармоник других сигналов.

Большинство электрических сетей, находящихся в эксплуатации в настоящее время, выполнены в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» (6-е изд., перераб. и доп. - Красноярск, 1998. - с.83-84, пункт 1.7.79), согласно которым для обеспечения автоматического отключения аварийных участков должно выполняться следующее условие , где - ток однофазного короткого замыкания, I_расц - величина уставки тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику. Относительная погрешность измерения тока однофазного короткого замыкания согласно техническим характеристикам применяемых приборов составляет 10-20%. С учетом погрешности условие выбора защитного аппарата принимает вид . Поэтому порог срабатывания предлагаемого устройства для согласования с работой защитного аппарата должен быть ориентирован на понижение отношения на 0,6. Такое понижение соответствует в свою очередь увеличению сопротивления нулевого проводника на 10-15% или выходу из строя 40-50% повторных заземлителей от общей совокупности повторных заземлителей соответствующей линии.

Результаты исследований на математических и физических моделях электрических сетей наиболее характерных аварийных ситуаций состояния нулевого провода и системы "нулевой провод-земля" представлены в таблице 1, где Ro - сопротивление нулевого провода 6; Rп - сопротивление повторного заземлителя 5, равное 30 Ом.

Таким образом, данные табл. 1 показывают, что при снижении амплитуды напряжения сигнала более чем на 15% от значения для нормального режима работы в случае недопустимого изменения параметров нулевого провода, подается сигнал на исполнительный механизм автоматического выключателя, осуществляющий отключение отходящей линии от трансформаторной подстанции с поврежденным нулевым проводом.

Таблица 1Условия моделированияИзменение параметров нулевого проводаИзменение
амплитуды высокочастотного сигналаЛиния 0,4 кВ Обрыв нулевого провода в начале линии-56,1%Длина 1 кмОбрыв нулевого провода в 1/3 длины линии-51,8%Нагрузка несимметричнаяОбрыв нулевого провода в 1/2 длины линии-49,3%Количество повторных заземлителей - 10 шт.Обрыв нулевого провода в 2/3 длины линии-41,0% Обрыв нулевого провода в конце линии-31,6% Увеличение Ro на 10%-15,4% Увеличение Ro на 11%-15,7% Увеличение Ro на 12%-16,0% Увеличение Ro на 13%-16,4% Увеличение Ro на 14%-16,8% Увеличение Ro на 15%-17,2% Выход из строя четырех Rп (40%)-16,2% Выход из строя пяти Rп (50%)-19,7%

Согласно предложенному способу за счет постоянного приема передаваемых импульсов осуществляется непрерывный автоматический контроль, а посредством измерения частоты и разделения спектра сигналов на отдельные полосы частоты, отличающиеся на 200 Гц для соседних каналов частоты, реализуется селективная защита линий 0,4 кВ от последствий обрыва нулевого провода или увеличения сопротивления системы "нулевой провод-земля".

Предложенные способ и устройство позволяют повысить электробезопасность при эксплуатации электрических сетей 0,4 кВ за счет сокращения времени определения аварийной ситуации и повышения достоверности измерения, что достигается как непрерывными передачей и приемом высокочастотных сигналов, так и частотным их разделением с помощью дополнительного введения частотных фильтров.

Использование: для защиты потребителей электрической энергии от перенапряжений, вызванных ухудшением параметров нулевого провода или его обрыва, и для обеспечения электро-, пожаро- и взрывобезопасности. Технический результат заключается в повышении качества контроля непрерывности и параметров нулевого провода, увеличении достоверности определения его обрыва или обрыва части повторных заземлителей в любой точке сети. Способ и работа устройства основаны на постоянном пропускании высокочастотных прямоугольных импульсов по цепи «нулевой провод защищаемой линии - система повторных заземлителей - земля» с частотой каналов, отличающейся от соседних каналов не менее чем на 200 Гц. Затем производят фильтрацию поступающих сигналов на питающем конце линии (подстанции), дешифрацию, оценивание заранее известной величины амплитуды импульса и при снижении ее более чем на 15% - отключают аварийную линию. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ, включающий пропускание высокочастотных импульсов через нулевой провод и совокупность повторных заземлителей защищаемых линий, приеме импульсов, их дешифрации, регистрации амплитуды импульсов и подаче сигнала на отключение линии при значениях амплитуды импульсов ниже определенной величины, отличающийся тем, что через каждую защищаемую линию осуществляют непрерывную передачу импульсов определенной частоты, отличающейся на 200 Гц для соседних каналов частоты, а перед дешифрацией производят измерение частоты и разделение спектра сигналов по исходным полосам частоты, определяют амплитуды импульсов, соответствующие каждой линии, и при уменьшении амплитуды импульсов более чем на 15% от амплитуды импульсов в нормальном режиме работы, производят отключение линии с нарушенными параметрами нулевого провода.2. Устройство автоматического контроля непрерывности и параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ, содержащее блоки передачи высокочастотных импульсов, установленные в конце защищаемых линий, и установленный на питающей трансформаторной подстанции блок приема с дешифраторами, соединенными последовательно с исполнительными механизмами коммутационных аппаратов отходящих линий, отличающееся тем, что оно снабжено частотными фильтрами, включенными последовательно между нулевым проводом и дешифраторами блока приема, при этом блок приема своим входом и блоки передачи своим выходом соединены последовательно между нулевым проводом и соответствующим повторным заземлителем.