СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ФИДЕРОВ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ Российский патент 2010 года по МПК G01R31/02 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и предназначено для контроля состояния изоляции фидеров трехфазных сетей распределительных устройств и подстанций с изолированной или резистивно-заземленной или резонансно-заземленной нейтралью.

Известен способ определения состояния и ресурсов изоляции электроустановок [1], основанный на нахождении зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты для эталонной и контролируемой электроустановок и выявлении смещения этих зависимостей, по которому определяется состояние изоляции и прогнозируется ресурс. Недостатками данного способа является невозможность постоянного мониторинга состояния изоляции, необходимость обесточивания электроустановки для контроля состояния изоляции, необходимость в эталонной электроустановке.

Известен способ распознавания однофазного замыкания на землю и поврежденной фазы в распределительных сетях с резонансно-заземленной нейтралью [2], позволяющий осуществить мониторинг сети в реальном времени. По этому способу выполняется регистрация фазных напряжений сети и их последующий анализ, при котором определяются производные фазных напряжений и сопоставляют их знаки, при их совпадении и величинах производных, превышающих уставку - удвоенное значение максимума производной линейного напряжения сети, определяют действующие фазные напряжения за время 2 мс с момента достижения уставки последней производной фазного напряжения, находят отношение действующего напряжения со средним значением (U_cp) к минимальному (U_мин) и, если это отношение больше коэффициента К (U_cp/U_cp>К), определяемого по выражению К=(3,17+0,067(К_L-30))К₃ - для коэффициента компенсации сети К_L от 30 до 100% и К=(7,86-0,067(К_L-100))К₃ - для коэффициента К_L от 100 до 130%, где К₃≈0,8…0,9 - некоторый коэффициент запаса, принимаемый несколько меньшим 1, регистрирует это замыкание, при подсчете двух и более таких замыканий фиксирует ОДЗ (однофазное замыкание на землю) и поврежденную фазу. Данный способ регистрирует ОДЗ и фиксирует поврежденную фазу, однако расчета сопротивления изоляции каждого фидера, анализа и прогноза снижения сопротивления изоляции не выполняется.

Наиболее близким является способ [3] селективной сигнализации и защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ, с изолированной, резистивно-заземленной или резонансно-заземленной нейтралью, выполняющий постоянный мониторинг состояния изоляции фидеров, реализованный в устройстве «УСЗ «СПЕКТР»». По данному способу контролируется величина напряжения нулевой последовательности и токи нулевой последовательности фидеров. Определяются направления мощности свободных составляющих переходного процесса при ОДЗ для заданной части спектра токов i₀ и производной напряжения нулевой последовательности du₀/dt в переходных режимах ОДЗ и направления мощности высших гармонических составляющих в заданном диапазоне частот 150-1450 Гц, указанных входных информационных величин в установившихся режимах ОДЗ. Реализовано два способа определения поврежденного присоединения: сравнение знаков высших гармонических составляющих производной напряжения нулевой последовательности du₀/dt и тока i₀ переходного процесса; сравнение знаков высших гармоник тех же величин установившегося режима ОДЗ в заданном спектре частот. «УСЗ «СПЕКТР»» устанавливается индивидуально на каждом фидере защищаемого объекта, подключается по цепям тока к кабельным трансформаторам тока нулевой последовательности, по цепям напряжения - к вторичной обмотке 3U₀ трансформатора напряжения нулевой последовательности. Измерительный орган для данного способа в переходных режимах ОДЗ реагирует на интегральную величину I=∫dU₀/dt·i₀dt в интервале времени срабатывания. Этой же величиной определяется поведение в установившемся режиме ОДЗ. Высокая чувствительность обеспечивается тем, что фиксируется сумма ряда основных гармоник (3-29 гармоники), а защищенность от помех и ложных срабатываний достигается с помощью фильтров в каналах тока и напряжения нулевой последовательности. Контроль направления мощности нулевой последовательности позволяет применять способ в сетях любой конфигурации, при этом обеспечивается некритичность к различию характеристик трансформаторов нулевой последовательности. Пусковой орган отстраивается по порогу и времени срабатывания, обеспечивается устойчивость к различным помехам, наводкам, коммутационным переключениям и т.п. Однако реализованный способ «УСЗ «СПЕКТР»» не обеспечивает расчета и прогнозирования состояния изоляции по каждому фидеру, кроме того, контролируется только один фидер.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего производить расчет и прогнозирование величины сопротивления изоляции каждого фидера сетей трехфазного тока 6-10 кВ с изолированной или резистивно-заземленной или резонансно-заземленной нейтралью. Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить число повреждений в электрических сетях, являющихся причиной аварий, сопровождающихся значительным экономическим ущербом.

Указанная задача решается тем, что в способе пофидерного контроля состояния изоляции трехфазных сетей с изолированной или резистивно-заземленной, или резонансно-заземленной нейтралью регистрируют токи нулевой последовательности, напряжения нулевой последовательности, в зависимости от способа заземления нейтрали трехфазной сети выполняют фильтрацию напряжения и токов нулевой последовательности, при этом для сетей с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью выделяют основную гармонику, а для сетей с резонансно-заземленной нейтралью выделяют высшие гармоники, производят преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, определяют угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, по формуле

рассчитывают текущую величину сопротивления изоляции каждого фидера, где R - сопротивление изоляции фидера, МОм; 3I₀ - ток нулевой последовательности, миллиампер; 3U₀ - напряжение нулевой последовательности, вольт, φ - угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, градус.

Регистрацию токов и напряжения нулевой последовательности и расчет текущей величины сопротивления изоляции контролируемых фидеров осуществляют через определенные (выбранные) интервалы времени. Если на каком-либо фидере зафиксировано изменение фазы между напряжением и током нулевой последовательности на 180°, то данный фидер фиксируется как фидер, на котором произошло снижение сопротивления изоляции. Затем по формуле R_n+1=a ₀+a ₁n+a ₂n², где a ₀, a ₁, a ₂ - коэффициенты, n - порядковый номер интервала времени, относительные единицы рассчитывают прогнозное значение сопротивления изоляции контролируемого фидера, и в случае если рассчитанное прогнозное значение сопротивления изоляции контролируемого фидера достигло заданного значения или менее заданного, то принимают решение о необходимости выполнения профилактических или ремонтных мероприятий по восстановлению сопротивления изоляции фидера.

Блок-схема, показывающая принцип работы способа контроля состояния изоляции фидеров, изображена на фиг.1. Датчиками тока нулевой последовательности, установленными на всех фидерах распределительного устройства, трансформатором напряжения нулевой последовательности регистрируются в блоке 1 соответствующие токи и напряжения. 3U₀ измеряется трансформатором напряжения, вторичная обмотка которого включена методом разомкнутого треугольника, при этом замеряется сумма трех векторов напряжений нулевой последовательности. Замеряется одно напряжение, которое равно сумме трех составляющих. Аналогично измеряется ток нулевой последовательности трансформатором тока нулевой последовательности. Ток один, который состоит из трех составляющих. Установившиеся значения токов нулевой последовательности основной гармоники (для резонансно-заземленных сетей - установившиеся значения токов высших гармоник), а также напряжение нулевой последовательности в блоке 2 фильтруются и преобразуются в цифровую форму в блоке 3.

В блоке 4 производится расчет сопротивления изоляции фидера, на котором произошло снижение сопротивления изоляции по формуле , где R - сопротивление изоляции фидера; 3I₀ - ток нулевой последовательности; 3U₀ - напряжение нулевой последовательности, φ - угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, градус. Угол сдвига фазы между напряжением и током нулевой последовательности определяется промежутком времени между максимальным значением (амплитудой) напряжения и максимальным значением (амплитудой) тока нулевой последовательности и переводом этого промежутка в угол. Например, для частоты 50 Гц: время полного периода (360°) 0,02 с, замеренный промежуток времени между амплитудами напряжения и тока 0,001 с, угол сдвига фазы определим φ=0,001·360°/0,02=18°, для третьей гармоники (150 Гц) время полного периода 0,00667 с, замеренный промежуток времени 0,0015 с, угол сдвига фазы определим φ=0,0015·360°/0,00667=81°.

Известно [5], что ток нулевой последовательности фидера, на котором произошло снижение сопротивления изоляции, изменяет свою фазу на 180° по отношению к напряжению нулевой последовательности. У твердых диэлектриков [6] изоляция не восстанавливается, т.е. с течением времени, без применения профилактических мер, восстановительных ремонтов и т.п. увеличения сопротивления изоляции не произойдет, может произойти ее дальнейшее снижение. Прогнозное значение снижения сопротивления изоляции рассчитывается с помощью полиномиального тренда, представляя его, как функцию времени в виде многочлена R_n+1=a ₀+a ₁n+a ₂n², где a ₀, a ₁, a ₂ - коэффициенты, n - интервал времени.

Коэффициенты a ₀, a ₁, a ₂ рассчитываются таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений по оси X и У от соответствующих точек на полученной кривой (квадратный многочлен) была минимальной.

Выбор и обоснование типа зависимости (кривой).

Мощность диэлектрических потерь в изоляции определяется [6] выражением

Р_Д=ωCU²tgδ,

где U - воздействующее напряжение;

ω - круговая частота;

C - электрическая емкость;

δ - угол диэлектрических потерь.

Мощность диэлектрических потерь определяет старение изоляции и имеет квадратическую зависимость, следовательно, для расчета прогнозного значения применяем квадратическую зависимость, для общего случая это парабола вида R=a ₀+a ₁n+a ₂n².

Параметры параболы определим, пользуясь критерием наименьших квадратов [8].

f=Σ(R-R_n)²=Σ(R-a ₀-a ₁n-a ₂n²)²=min

Условия обращения f в min записывается в виде

; ; при

Получаем систему нормальных уравнений

ΣR=na ₀+a ₁Σn+a ₂Σn²

ΣnR=a ₀Σn+a ₁Σn²+а ₂Σn³

Σn²R=a ₀Σn²+a ₁Σn³+а ₂Σn⁴

Решив эту систему нормальных уравнений, определим a ₀, a ₁, a ₂.

Пример. Снижение сопротивления изоляции для трех контролируемых фидеров происходило по зависимости, приведенной в таблице 1. Графики этих зависимостей и прогнозное значение сопротивления изоляции изображено соответственно на фиг.2, 3, 4. Уравнения связи для фидеров 1, 2, 3 имеют соответственно вид Y₁=-0,35x²+0,85x+2,5; Y₂=-7,5x²+2,5х+155; Y₃=-0,5x²+0,5x+17, где Y₁, Y₂, Y₃ - сопротивления изоляции фидеров 1, 2, 3; x - интервал времени. При снижении прогнозного сопротивления изоляции фидера ниже заданного значения [8] выдается информация о необходимости выполнения ремонтных работ по устранению дефектов изоляции. Заданные значения сопротивления изоляции на электротехническое оборудование устанавливаются при специальных испытаниях повышенным напряжением определенной величины или же устанавливается величина испытательного напряжения и продолжительность приложенного повышенного напряжения.

Источники информации

1. Патент РФ 2044326, МПК G01R 31/00, G01R 31/02, опубл. 20.09.1995 г.

2. Патент РФ 2232456, МПК H02H 3/16, опубл. 10.07.2004 г.

3. А.В.Гусенков, В.А.Шуин. О принципах выполнения селективной сигнализации и защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. rza.so-cdu.ru/(pdf)099_ИГЭУ.doc.

4. Гребченко Н.В. Централизованная двухступенчатая направленная защита от замыкания на землю. «Вести в электротехнике» №4, 2004 г.

5. А.В.Булычёв, А.А.Наволочный, Н.Д.Поздеев. Особенности коммутационного метода контроля изоляции сетей с изолированной нейтралью. Вологда. 2002 г.

6. В.В.Базуткин, В.П.Ларионов, Ю.С.Пинталь. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: 1986 г.

7. Е.М.Четыркин. Статистические методы прогнозирования. М.: 1977 г., с. 199.

8. Математические основы кибернетики. В.Г.Лапа. Киев. 1974 г.

9. Правила устройства электроустановок. М.: 2003 г.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля состояния изоляции фидеров в сетях с изолированной или резистивно-заземленной или резонансно-заземленной нейтралью. Сущность: регистрируются установившиеся значения токов нулевой последовательности (для резонансно-заземленных сетей используются токи нулевой последовательности высших гармоник), напряжения фаз и угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности. Текущую величину сопротивления изоляции фидера рассчитывают по формуле , где R - сопротивление изоляции, МОм; 3I₀ - ток нулевой последовательности, миллиампер; 3U₀ - напряжение нулевой последовательности, вольт, φ - угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, градус. Прогнозное значение рассчитывается по формуле R_n+1=a₀+a₁n+a₂n², где а₀, a₁, а₂ - коэффициенты, n - интервал времени, относительные единицы. При снижении прогнозного сопротивления изоляции до уровня заданного или менее заданного значения выдается информация о необходимости выполнения профилактических и ремонтных мероприятий по восстановлению сопротивления изоляции. Технический результат: возможность прогноза состояния изоляции по каждому фидеру. 1 табл., 4 ил.

Способ контроля состояния изоляции фидеров трехфазных сетей с изолированной или резистивно-заземленной или резонансно-заземленной нейтралью, включающий регистрацию токов нулевой последовательности, напряжения нулевой последовательности, в зависимости от способа заземления нейтрали трехфазной сети, выполнение фильтрации напряжения и токов нулевой последовательности, при этом для сетей с изолированной и резистивно-заземленной нейтралью выделяют основную гармонику, а для сетей с резонансно-заземленной нейтралью выделяют высшие гармоники, преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, отличающийся тем, что определяют угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, текущую величину сопротивления изоляции каждого контролируемого фидера рассчитывают по зависимости:

где R - сопротивление изоляции фидера, МОм;
3I₀ - ток нулевой последовательности, мА;
3U₀ - напряжение нулевой последовательности, В;
φ - угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, °,
регистрацию токов и напряжения нулевой последовательности и расчет текущей величины сопротивления изоляции контролируемых фидеров осуществляют через определенные (выбранные) интервалы времени, далее при изменении угла сдвига фазы между напряжением и током нулевой последовательности на 180° какого-либо из контролируемых фидеров фиксируют его как фидер, на котором произошло снижение сопротивления изоляции, затем рассчитывают прогнозное значение сопротивления изоляции контролируемого фидера по зависимости:
R_n+1=a₀+a₁n+a₂n²,
где а₀, a₁, a₂ - коэффициенты;
n - порядковый номер интервала времени (месяц, квартал, год), относительные единицы,
при этом, если рассчитанное прогнозное значение сопротивления изоляции контролируемого фидера достигло заданного значения или менее заданного, то принимают решение о необходимости выполнения профилактических или ремонтных мероприятий по восстановлению сопротивления изоляции фидера.