CC BY
30
□
УДК 621.216.9
В.В. Корейский
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ УСТАВКИ СРАБАТЫВАНИЯ УЗО, ОБУСЛОВЛЕННОЙ СОСТОЯНИЕМ ИЗОЛЯЦИИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ,
И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЕЕ УСТРАНЕНИЯ
Проведен анализ различных факторов и степень их влияния на уставку срабатывания УЗО. Получены аналитические зависимости токов через тело человека и изоляцию контактной сети. Рассмотрены варианты схем включения чувствительного элемента защиты. Определены оптимальные отношения между проводимостью утечки контактной сети и ее входным сопротивлением.
Анализируя влияние изменения сопротивления изоляции контактной сети на величину тока через тело человека при случайном его прикосновении к контактному проводу, нами исследована схема замещения контактной сети, приведенная на рис. 1. В схеме О представляет источник электродвижущей силы (эдс) с внутренним сопротивлением Я , распределенное сопротивление изоляции контактной сети относительно земли представлено сосредоточенным сопротивлением Я , а человек, прикасающийся к контактному проводу, - сопротивлением его тела Я . В качестве сопротивления Я [1] может рассматриваться сопротивление в месте сосредоточенного повреждения изоляции, например, сопротивление поврежденного трол-леедержателя.
Рис. 1. Схема замещения контактной сети
В результате анализа схемы замещения могут быть получены формулы зависимости I для тока, проходящего через тело человека (тока сосредоточенной утечки) и I распределенного по длине сети тока через изоляцию.
Е
I, =
Я
я„
К + яч)+яч
і.. =
Е
К
Я..
{яиз + Яч) + Яиз
где Я=Як+Яр - сопротивление сети, Як - сопротивление контактного провода; Яр - сопротивление рельсового пути. Сопротивление Я составляет доли Ома, поэтому Я >> Я. Для нормальной работы контактной сети Я > > Я . При этих условиях формулы (1) значительно упрощаются:
I, =
Е_
К
I... =
(2)
Я,,
(1)
Из выражений (2) можно сделать вывод, что ток через тело человека (или через сосредоточенное повреждение изоляции) и распределенный ток через ИЗОЛЯЦИЮ являются независимыми величинами и определяются величиной напряжения питания тяговой сети и соответствующими сопротивлениями: тела человека и распределенного сопротивления изоляции контактной сети относительно земли. Таким образом, сопротивление изоляции контактной сети на исход элекгротравмы влияния не оказывает и его нижний предел должен быть ограничен только значением, при котором ток, длительно протекающий через изоляцию единичного элемента подвески контактного провода или другой арматуры, превышает допустимый по условиям электробезопасности.
Что же касается влияния сопротивления изоляции контактной сети на чувствительность устройств защитного отключения (УЗО), то этот вопрос требует дополнительного рассмотрения.
Следует заранее указать, что основными факторами, влияющими на стабильность чувствительности УЗО,
являются соотношения между сопротивлением утечки, изоляции и внутренним сопротивлением источника оперативного напряжения. Качественно это влияние является одинаковым при любой форме оперативного напряжения, поэтому для упрощения выкладок и для большей их наглядности анализ выполним на постоянном токе.
В паузах между импульсами питающего напряжения при подаче в контактную сеть зондирующих импульсов контактная сеть может быть также представлена эквивалентной схемой (рис. 1). Однако поскольку источник оперативного напряжения подключается через токоограничивающий резистор, то Я и Я становится соизмеримым с Я и Я и оказывает влияние на уставку срабатывания устройства защитного отключения. Если УЗО контролирует полную величину оперативного тока [2], то Я увеличивает чувствительность защиты, так как
I =
Е
Я,. +
ЯЛ_
Я.. + Я.
о,
(3)
Порог чувствительности защиты к внезапно возникшим утечкам определяется напряжением питания контактной сети и допустимым значением тока через тело человека:
я > и к°.
уст.сраб.
(4)
I
доп.
где Я , - максимальное значение сопротивления под-
уст.срао. А
ключившейся утечки, при котором должно произойти защитное отключение контактной сети.
Очевидно, что при Я < Я _ защитное отключение
7 А ч уст.срао.
может и не работать.
При включении чувствительного элемента защиты параллельно контролируемому участку контактной сети (рис. 2 в) чувствительность защиты к утечкам снижается в силу шунтирующего действия Я .
Идеальным является преобразователь, выходной сигнал которого является линейной функцией измеряемой физической величины:
даже при Я ^ х.
У = кх
(5)
а)
Яо
в
Я
Рис. 2. Схемы включения чувствительного элемента
Применительно к системам защитного отключения измеряемой физической величиной является проводимость внезапно возникшей утечки Оу, так как она при неизменном напряжении питания контактной сети определяет величину возможного тока через тело человека при случайном прикосновении его к контактному проводу.
На первый взгляд, обеспечение идеальных условий измерения проводимости утечки является достаточно простым: необходимо зондировать контактную сеть с идеальным состоянием изоляции Я = ж источником оперативного напряжения с нулевым внутренним сопротивлением. Тогда
10 = ЕоО,
что соответствует (5). Чувствительность кутечке, опреде-ё1„
ляемая как
йО,
• в этом случае, является величинои по-
Е
Я0 > - Я
1- ,, л
(6)
где Я
минимальное сопротивление тела человека,
принимаемое обычно 800-1000 Ом. Однако в этом случае 10 уже не является однозначной линейной функцией проводимости утечки
Оу + О0
(7)
а чувствительность к утечке й!п
йОу (О у + О0 )2
(8)
С учетом Яш (рис. 2 б) оперативный ток равен:
О0 (Ош + Оу ) (9)
I - Е 70 _ ^0
О0 + Оиз + Оу
Чувствительность кутечке:
й10 Е0О0
йОу (О0 + О„, + О,.)
(10)
и в этом случае зависит от внутреннего сопротивления источника оперативного напряжения, а при фиксированном Яд является убывающей функцией О .
Не дает положительного эффекта и включение измерительной цепи параллельно зажимам контролируемого участка контактной сети (рис. 2 в). В этом случае даже при идеальной изоляции контактного провода (Я = ж)
стоянной и равной Ед.
Однако на практике такие условия никогда не могут быть выполнены. Внутреннее сопротивление источника оперативного напряжения не может быть равным нулю по следующим соображениям.
Величина оперативной эдс должна быть по возможности близкой к значению рабочего напряжения контактной сети, так как проводимость утечки в общем случае зависит от напряжения. Величина оперативного тока при любых возможных аварийных ситуациях по условиям безопасности не должна превышать некоторого допустимого значения - 10 мА. Поэтому внутреннее сопротивление источника оперативного напряжения в схеме (рис. 2 а) не может быть меньше
I = Е0О0Ощ
щ О0 + Ощ + Оу
(11)
не является линейной функцией О , а чувствительность
йТ,
Е0О0Оиц
йО, О + О„, + О,, )2
(12)
не является величиной постоянной. При конечном значении Я условия диагностики еще более ухудшаются:
I = Е0О0Оиц
щ ~ О0 + Ощ + Ои + Оу
иц _______
Е0О0Оиц
О + О„ + О„ + О,. )2'
(13)
(14)
В ряде случаев применяют мостовые измерительные схемы (рис. 2 г). Здесь выходным сигналом является напряжение разбаланса моста П0.
,, Е О3 О + О„)~ О0О4 (15)
0 0 (Оу+О., + О„)(Оз + О„) •
которое также не является однозначной линейной функцией проводимости утечки О . Чувствительность кутечке
йи0 = Е О0
йО,. 0 (О, + О„ + О0 )2
(16)
не является величиной постоянной. Она тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление источника. Что касается сопротивления изоляции контактной сети Я , то оно, к сожалению, в реальных случаях соизмеримо с сопротивлением пороговой утечки, а иногда и меньше его.
тоже не является постоянной, а убывает с ростом О .
Ограниченные возможности изменения Я0 и сравнительно низкое сопротивление изоляции Я обуславливают необходимость применения компенсирующих устройств, исключающих влияние Я на выходной сигнал измерительного устройства при О = 0 и корректирующих
устройств, изменяющих уставку срабатывания отключающего устройства таким образом, чтобы при изменении Я значение пороговой утечки оставалось бы неизменным. В связи с этим целесообразно рассмотреть алгоритм диагностики внезапно возникших утечек независимо от внутреннего сопротивления источника оперативного напряжения и сопротивления изоляции контактной сети.
Он заключается в том, что в схеме (рис. 2 б) измеряют значение оперативного тока до и после появления внезапной утечки соответственно I и I а также соответствующие им значения оперативного напряжения на зажимах контактной сети и и и02. Если разделить разность измеренных токов на произведение измеренных напряжений, то получим величину, пропорциональную только проводимости утечки
Совершенно очевидно, что при переменном оперативном напряжении в выражении (17) следует подставить комплексы действующих значений э.д.с., напряжений и токов, а также комплекс проводимости утечки. В остальном же предыдущие рассуждения и сделанные на их основании выводы являются справедливыми и для случая переменного оперативного напряжения.
Относительно точности определения проводимости утечки по (17) уместно заметить следующее. Методическая составляющая погрешности определения ву отсутствует. Что же касается инструментальной погрешности, то она определяется в основном точностью измерения оперативного тока, так как из (17) следует, что относительная погрешность определения ву равна
а
102 101
и01и02 Е0
(17)
т _ Е0в0виз 1 (11
«0+а
тт _ Е0«0
'х' (11 -
«0 + Сиз
(18)
(19)
Т _ ^0^0 '
02 ~ а + в... + а ’
ит =-
0 из у
Е0в0 «0 + ^ + ву
(20)
(21)
дву =8102—
102 101
-§1 _________101
^ 01
102 101
+ 3и 0! +3и02, (22)
Ввиду того, что этот предложенный автором алгоритм до настоящего времени в литературе не описан, целесообразно привести краткое доказательство.
Нетрудно видеть, что в схеме (рис. 2 б) до возникновения утечки Яу ^ ж значения оперативного тока и напряжения будут соответственно равны:
где Ы02, д101, ди01, ди02, - относительные погрешности измерения тока и напряжения до и после возникновения утечки.
Доминирующими в первой части (22) являются первые два слагаемых. Это объясняется соизмеримостью д! , д101, ди01, ди02 и очевидностью неравенств
1 -»1 и —^----------------»1.
1 02
!02 !01
102 !01
После возникновения утечки 0 < Яу < ж аналогичные выражения примут вид:
Ев0 а„+в)
Достаточно подставить выражения (18), (19), (20), (21) в левую часть (17), чтобы убедиться в его справедливости.
Технических трудностей для реализации такого алгоритма не существует. Например, в устройствах защитного отключения с временным разделением каналов рабочего и оперативного токов в качестве I и и могут быть использованы значения, полученные во время п - 1 оперативной паузы, а I и и02 соответствующие значения п-й оперативной паузы. Кратковременное запоминание измеренных значений ^ и и0 при современном уровне развития электронной техники сложностей не вызывает.
Эти неравенства выполняются тем сильнее, чем ближе значения I02 иIm.
Из этого следует, что точность определения проводимости утечки тем выше, чем выше входное сопротивление контактной сети при отсутствии утечки. В пределе, когда входное сопротивление контактной сети при отсутствии утечек стремится к бесконечности, относительная погрешность определения проводимости утечки становится минимальной и равна сумме относительной погрешности измерения тока и удвоенной относительной погрешности измерения оперативного напряжения на зажимах контролируемой сети.
Исходя из установленного влияния собственной проводимости контактной сети на условия достижения точности определения параметров внезапно возникших утечек целесообразно исследовать степень влияния контактной сети при различных режимах ее по оперативному току на эксплуатационные характеристики средств защитного отключения.
Результаты таких исследований [3] позволяют определить наиболее рациональный режим защищаемой контактной сети по оперативному току, обеспечивающий приемлемые условия для контроля травмоопасных ситуаций при минимальном влиянии на комплекс электровозной откатки.
Литература
1. КолосюкВ.П., ТрачА.И. Электроснабжение шахтных контактных электровозов: Справочное пособие. М.: Недра, 1992.
С. 256.
2. Бунько В.А., ТрачА.И., ЯгудаевБ.М., Корейский В.В. Устройство для защиты от поражения электрическим током при
соприкосновении с контактным проводом электрической сети: Авт. свид. № 665361. О 18 И 24/22. Бюллетень 29. 1979.
3. Корейский В.В., Белый М.М., Машкоеский В.А. Экспериментальные измерения входных параметров контактных сетей // Международная научно-техническая конференция «Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии». Днепропетровск: НГАУ, 1997. С. 112-114.
VV Korenski
RESEARCH OF EMERGENCY CIRCUIT BREAKER RESPONSE SETTING INSTABILITY CAUSED BY CATENARY INSULATION STATE AND FORMULATION OF ITS ELIMINATION METHODS
The analysis of different factors and the level of their influence on wearing device of safety switching-off was carried out. The analytical dependencies via human body and insulation of the contact net were got. The variants of the switching on scheme of the sensitive element of protection were examined. The optimum relations between the conductivity of the leakage of the contact net and its input resistance were determined.
