СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, ВЫДЕЛЯЕМОЙ В ТОКОВЫХ УТЕЧКАХ НА КОРПУС, В МЕСТЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ФАЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2021 года по МПК G01R31/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения мощности токовых утечек на корпус в месте повреждения изоляции фаз работающей электрической сети с изолированной нейтралью, например судовой сети с малой емкостью относительно корпуса.

Предпосылки к изобретению. Существующие методы и средства измерения и контроля сопротивления изоляции судовой электрической сети, находящейся под рабочим напряжением, предусматривают непрерывный контроль и отображение текущего значения эквивалентного сопротивления изоляции сети и при его снижении ниже заданных уровней срабатывание предупредительной или аварийной сигнализации. Данные методы и средства, основанные на контроле изоляции всей сети, позволяют косвенно и приблизительно оценивать ее пожарную опасность, так как они не оценивают пожарную опасность локальных утечек, возникающих в связи с дефектами изоляции сети, образующихся в процессе ее эксплуатации.

При снижении сопротивления изоляции в месте ее повреждения увеличивается ток, протекающий под действием рабочего напряжения сети; соответственно повышается температура нагрева этого места. Повышение температуры нагрева изоляционного материала снижает его сопротивление, что приводит к соответствующему увеличению тока. Последнее вызывает новое повышение температуры и соответствующее дополнительное снижение сопротивления изоляции. Процесс нарастания электрического тока продолжается до тех пор, пока не установится равновесие между тепловыделением и теплоотводом (при какой-то установившейся температуре перегрева). В случае, когда условия охлаждения не соответствуют интенсивности тепловыделения в месте повреждения, наступает лавинообразное нарастание тока, приводящее к тепловому разрушению материала и дуговому замыканию [1, с. 48].

Сосредоточенные параметры локальной утечки на корпус в месте повреждения изоляции фаз, определяемые посредством предлагаемого способа, дают возможность более точно судить об ее потенциально пожароопасном состоянии. При этом используется минимальное число штатных приборов, не влияющих на безопасность и функционирование работающей сети.

Известен способ измерения эквивалентного сопротивления изоляции сети наложением постоянного измерительного напряжения от дополнительного источника [1, с. 96, рис. 5.8], согласно которому между сетью и землей подключается источник постоянного напряжения и ограничительный резистор, соединенный с ним последовательно. Ток от указанного источника протекает через сопротивление изоляции сети и ограничительный резистор либо через микроамперметр, подсоединенный к нему параллельно через блок - контакты. Микроамперметр, проградуированный в единицах сопротивления, показывает текущее значение эквивалентного сопротивления изоляции всей сети. Указанный способ не позволяет определить сосредоточенные параметры возникающих локальных утечек через поврежденную изоляцию фаз на землю.

Известен способ контроля эквивалентного сопротивления изоляции сети оценкой напряжения фаз относительно земли [1, с. 99]. Наименьшее значение показывает вольтметр, подключенный к фазе с поврежденной изоляцией. Данный способ позволяет оценивать соотношение эквивалентных сопротивлений изоляции фаз, но без их количественной оценки. Кроме того, способ не позволяет определить параметры возникающих локальных утечек через поврежденную изоляцию фаз на землю.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ определения проводимостей изоляции фаз относительно земли в сетях с изолированной нейтралью [2], при котором измеряют напряжение относительно земли для каждой фазы и токи однофазного замыкания на землю, затем включают между каждой фазой и землей дополнительно проводимость и повторно измеряют напряжение фаз относительно земли, после чего по результатам измерений вычисляют величины эквивалентной полной проводимости изоляции и ее активной и емкостной составляющих, затем, отключив дополнительно включенную проводимость, измеряют напряжение нулевой точки трансформатора относительно земли и фазные ЭДС трансформатора на холостом ходу, затем в масштабе строят топографическую диаграмму фазных ЭДС трансформатора в прямоугольных координатах с центром в точке их пересечения, располагая один из векторов по оси абсцисс, после чего от центра координат проводят окружность с радиусом, равным в масштабе напряжению нулевой точки трансформатора относительно земли, и три дуги с центрами от концов векторов фазных ЭДС трансформатора, и радиусами, равными в масштабе соответствующим напряжениям фаз относительно земли, а по результатам графических построений находят общую точку пересечения окружности и трех дуг, после чего проецируют найденную точку на ось абсцисс и на ось ординат и находят значения реактивной составляющей напряжения нулевой точки трансформатора относительно земли и активной составляющей этого напряжения, умножают их на масштабный коэффициент и определяют активные и полные проводимости изоляции соответствующих фаз по формулам.

Указанный способ не позволяет определить сосредоточенные параметры возникающих локальных утечек через поврежденную изоляцию фаз на землю. Существенным недостатком данного способа является то, что в нем используются приборы и элементы, не входящие в состав штатных приборов и элементов эксплуатируемой сети, и оказывающие влияние на ее безопасность и функционирование. Кроме того, способ достаточно сложен по устройству, реализующего его, и по обработке измеренных параметров.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является дистанционное определения мощности, выделяемой в месте возникающих локальных утечек через поврежденную изоляцию фаз работающей электрической сети, что позволяет повысить точность оценки пожарной безопасности объекта. Причем измерение необходимых величин, не оказывающих влияния на безопасность и функционирование сети, выполняется штатными приборами с главного распределительного щита

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что на основании текущего (исходного) значения эквивалентного сопротивления изоляции сети, а также соответствующих ему величин напряжения фаз сети относительно корпуса посредством вычислений находят исходные значения сопротивлений (проводимостей) изоляции по фазам сети, которые в общем случае могут быть не равны между собой. При снижении эквивалентного сопротивления изоляции сети вследствие образованных утечек на корпус в месте повреждения изоляции фаз используют новое значение эквивалентного сопротивления изоляции сети, а также соответствующие ему новые величины напряжений фаз сети относительно корпуса для расчета новых значений сопротивлений (проводимостей) изоляции по фазам и значений сопротивлений (проводимостей) образованных локальных утечек через поврежденную изоляцию фаз, по которым вычисляют мощность, выделяемую в них. Найденные новые величины эквивалентного сопротивления изоляции сети и новые значения сопротивлений (проводимостей) изоляции по фазам будут служить исходными данными для определения параметров утечек через поврежденные места изоляции фаз, образующихся в дальнейшем.

Сущность изобретения поясняется фигурами:

На фигуре 1 приведена схема устройства, реализующего способ.

На фигуре 2 приведена эквивалентная схема цепи между фазами и корпусом.

На фигуре 3 приведена векторная диаграмма напряжений.

Устройство по фигуре 1 содержит эквивалентный источник электроэнергии - И, фазы сети - А, В, С, эквивалентный приемник электроэнергии - П, измерительный преобразователь сопротивления изоляции сети - Ω, эквивалентные проводимости на корпус изоляции фаз - , , , измерительные преобразователи напряжений фаз относительно корпуса - , , активные проводимости утечек на корпус - , , .

Устройство по фигуре 2 содержит эквивалентные проводимости на корпус изоляции фаз, проводимости утечек на корпус и измерительные преобразователи напряжений фаз относительно корпуса, сведенные в схему звезды.

Устройство по фигуре 3 содержит векторную диаграмму линейных напряжений сети - , , , векторную диаграмму исходных напряжений фаз относительно корпуса - , , , векторную диаграмму напряжений фаз относительно корпуса при образовании утечек - , , , а также узловые точки звезд напряжений - 0 (исходная) и 0₁ (при образовании утечек).

Способ осуществляют следующим образом

Исходными данными для реализации способа являются: текущее значение эквивалентного сопротивления изоляции сети R_из (проводимость изоляции - ), получаемое измерительным преобразователем Ω, (фигура 1), а также эквивалентные проводимости на корпус изоляции фаз - , , , показанные на схемах фигур 1 и 2. Проводимости , , _{рассчитываются на основании исходной проводимости изоляции Gиз и соответствующим ей напряжениям фаз относительно корпуса , , , показанным на фигуре 3, получаемых измерительными преобразователями напряжений , , (фигуры 1, 2).}

Измеренные величины используются в системе из двух уравнений с неизвестными , , :

где первое уравнение основывается на прямой (обратной) пропорциональной зависимости напряжений фаз относительно корпуса сопротивлениям (проводимостям) их изоляции.

Второе уравнение выражает сумму проводимостей изоляции фаз G_из, получаемую от измерительного преобразователя Ω, как проводимости изоляции фаз , , , соединенных параллельно между собой. Решением приведенной системы уравнений методом подстановок являются выражения для вычисления величин проводимостей изоляции фаз:

из первого уравнения проводимости и выражаются через проводимость :

которые подставляются во второе уравнение:

из которого вычисляется проводимость :

Затем вычисляются проводимости и , выраженные через проводимость , из приведенных выше формул.

В случае снижения сопротивления изоляции сети до значения R_из1 (проводимость изоляции - ) вследствие образования локальных утечек , , (фигуры 1, 2), которым соответствуют новые величины напряжений фаз относительно корпуса , , с узловой точкой 0₁ (фигура 3), вычисляются новые значения проводимостей изоляции , , показанные на схеме фигуры 2 пунктирными прямоугольниками, охватывающими проводимости, соединенные параллельно, соответственно и , и , и .

Новые значения проводимостей изоляции фаз , , рассчитываются по вышеприведенному алгоритму. Новая система из двух уравнений с неизвестными , , будет:

решением которой будут выражения:

Полученные значения проводимостей являются общими для проводимостей и , и , и , соединенных друг с другом параллельно (фигура 2), что позволяет найти величины проводимости образованных локальных утечек:

По полученным проводимостям утечек фаз определяют суммарную активную мощность, выделяемую в местах утечки в фазах:

Таким образом, определяют мощность, выделяемую в образовавшихся локальных утечках через изоляцию фаз на корпус, с точностью достаточной для оценки пожарной опасности мест утечек.

Новая величина эквивалентного сопротивления изоляции сети R_из1 (проводимость изоляции - ) и новые значения проводимостей изоляции по фазам , , будут исходными данными для определения параметров утечек, образующихся в дальнейшем.

Пример

Пусть исходное (текущее) значение эквивалентного сопротивления изоляции сети R_из=0,05 МОм=0,05⋅10⁶ Ом (проводимость изоляции - ). Допустим, что при этом исходные напряжения фаз относительно корпуса равны:

Тогда исходные проводимости , , равны:

Допустим, что произошло снижение сопротивления изоляции сети до значения R_из1=0,01 МОм=0,01⋅10⁶ Ом (проводимость изоляции - ) вследствие образования локальных утечек , , (фигуры 1, 2). Допустим, что при этом напряжения фаз относительно корпуса равны:

Новые величины эквивалентных проводимостей по фазам будут:

Значения проводимостей образованных утечек , , будут равны:

Суммарная активная мощность, выделяемая в местах утечки в фазах:

По найденной активной мощности, выделяемой в местах утечки в фазах, выполняют тепловой расчет для определенных условий нагревания неисправного участка изоляции, по результатам которого судят о потенциальной пожарной опасности эксплуатации сети.

Новая величина эквивалентного сопротивления изоляции сети R_из1=0,01⋅10⁶ Ом (проводимость изоляции - G_из1=100⋅10⁶ См) и новые значения проводимостей изоляции по фазам , , будут исходными данными для определения параметров утечек, образующихся в дальнейшем.

Существенность отличий предлагаемого способа обосновывается тем, что известно измерение эквивалентного сопротивления изоляции сети, находящейся под рабочим напряжением, известно измерение напряжений фаз относительно корпуса, однако использование указанных измерений для определения мощности, выделяемой в месте локальной утечки на корпус через изоляцию фаз работающей сети посредством определенного вычисления требуемых параметров по разработанному алгоритму не известны в источниках информации. Следовательно, отличительные признаки предлагаемого способа являются новыми и в совокупности с известными признаками сообщают способу новое качество, что подтверждает критерий существенных отличий.

Источники информации

1. Иванов Е.А. и др. Безопасность электроустановок и систем автоматики. - СПб.: Элмор, 2003.

2. RU 2144678, МПК G01R 27/18.

Изобретение относится к метрологии. Способ определения мощности, выделяемой в токовых утечках на корпус, в месте повреждения изоляции фаз электрической сети с изолированной нейтралью заключается в том, что измеряют исходные текущие значения эквивалентного сопротивления изоляции и напряжений фаз объекта относительно корпуса. Рассчитывают исходные текущие значения эквивалентных проводимостей изоляции фаз объекта посредством составленной системы уравнений, а в случае образования утечек через поврежденную изоляцию фаз на корпус используют новое значение эквивалентного сопротивления изоляции объекта, измеряют напряжения фаз относительно корпуса, соответствующие данному случаю, рассчитывают значения эквивалентных проводимостей изоляции фаз объекта, соответствующих указанному случаю, посредством упомянутой системы уравнений, рассчитывают величины проводимостей образовавшихся утечек на корпус через поврежденную изоляцию фаз вычитанием по фазам из проводимостей фаз с локальными утечками исходных проводимостей фаз, по которым рассчитывают величину мощности, выделяемой в местах утечек, по которой судят о степени пожарной опасности объекта. Технический результат - дистанционное определения мощности, что позволяет повысить точность оценки пожарной безопасности объекта. 3 ил.

Способ определения мощности, выделяемой в токовых утечках на корпус, в месте повреждения изоляции фаз электрической сети с изолированной нейтралью, заключающийся в том, что измеряют исходные текущие значения эквивалентного сопротивления изоляции и напряжений фаз объекта относительно корпуса, отличающийся тем, что рассчитывают исходные текущие значения эквивалентных проводимостей изоляции фаз объекта посредством составленной системы уравнений, а в случае образования утечек через поврежденную изоляцию фаз на корпус используют новое значение эквивалентного сопротивления изоляции объекта, измеряют напряжения фаз относительно корпуса, соответствующие данному случаю, рассчитывают значения эквивалентных проводимостей изоляции фаз объекта, соответствующих указанному случаю, посредством упомянутой системы уравнений, рассчитывают величины проводимостей образовавшихся утечек на корпус через поврежденную изоляцию фаз вычитанием по фазам из проводимостей фаз с локальными утечками исходных проводимостей фаз, по которым рассчитывают величину мощности, выделяемой в местах утечек, по которой судят о степени пожарной опасности объекта.