Повышение достоверности обнаружения повреждений изоляции с большими переходными сопротивлениями в высоковольтных сетях с изолированной нейтралью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.22 : 621.316

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ИЗОЛЯЦИИ С БОЛЬШИМИ ПЕРЕХОДНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

О.А. ГЛУХОВ, Д.О. ГЛУХОВ Марийский государственный технический университет

Предложен метод оперативной оценки состояния изоляции электрических присоединений 6-10 кВ в сетях с изолированной нейтралью на основе сравнительного анализа токов утечки в контролируемых присоединениях. Метод контроля обеспечивает эффективное обнаружение повреждений состояния изоляции при высоких значениях переходного сопротивления в месте повреждения изоляции в широком диапазоне значений неравномерности распределения емкости сети между присоединениями.

Ключевые слова: высоковольтная электрическая сеть, изолированная нейтраль, диагностирование, состояние изоляции.

Надежность работы и безопасность эксплуатации распределительных сетей 6-10кВ с изолированной нейтралью во многом зависит от решения проблемы достоверной идентификации повреждений изоляции в виде локальных несимметричных снижений сопротивления изоляции, обусловленной сложной картиной возникновения и растекания несимметричных токов утечки. Для этого необходим непрерывный автоматический контроль, обеспечивающий выявление дефектов на ранней стадии развития [1, 2, 4].

Эта проблема обычно рассматривается с точки зрения обеспечения надежной работы релейной защиты от замыканий на землю, при этом подразумеваются замыкания на землю через малое сопротивление, когда ток однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) определяется емкостью сети.

Статья посвящена теоретическому обоснованию принципов работы централизованной системы селективного контроля состояния изоляции, основанной на сравнительном анализе результатов измерений токов нулевой последовательности промышленной частоты и сдвигов фазы между током и напряжением нулевой последовательности в каждом присоединении. Как известно, защиты, основанные на относительном замере, обеспечивают более надежное определение поврежденного присоединения.

Рассматриваемые технические решения дополняют аппаратуру релейной защиты и автоматики (РЗА), так как предназначены для анализа токов утечки через большие переходные сопротивления в месте повреждения изоляции с целью определения тенденций изменения и прогнозирования возможных ОЗЗ до стадии развития повреждения изоляции в виде дуговых прерывистых ОЗЗ.

В дальнейшем под ОЗЗ подразумевается замыкание одной из фаз на землю именно через большое переходное сопротивление (3-10кОм и более).

Концепция мониторинга состояния изоляции основана на предположении о возникновении будущего повреждения твердой высоковольтной изоляции в результате развития скрытого дефекта, возникшего при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации. С учетом этой предпосылки мониторинг состояния изоляции по несимметричным токам утечки позволяет выявить развивающиеся

© О.А. Глухов, Д.О. Глухов

Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

дефекты и предпринять необходимые меры до возникновения аварий.

Для анализа работы централизованной системы контроля состояния изоляции была применена упрощенная схема замещения распределительной сети. В схеме не учитывались токи утечки через емкости питающего трансформатора, шин распределительного устройства (РУ) и т.п., а также токи через заземленные обмотки измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и через ограничители перенапряжений (ОПН). Указанные токи находятся вне зоны контроля системы, так как датчики-преобразователи установлены на отходящих от РУ кабелях. Влияние этих неконтролируемых токов утечки на результаты измерений может быть существенным и является предметом отдельной статьи, но в рассматриваемой модели распределительной сети они приняты пренебрежимо малыми по сравнению с емкостями присоединений к РУ. Сопротивления изоляции присоединений приняты много большими, чем емкостные сопротивления фаз относительно земли на промышленной частоте, и поэтому не учитывались.

Так как значение переходного сопротивления в месте повреждения изоляции не влияет на соотношение сигналов от датчиков на контролируемых присоединениях, то эксперименты проводились при достаточно большом, но постоянном сопротивлении в месте ОЗЗ. Фазные емкости приняты симметричными.

При практическом применении системы контроля основным фактором, определяющим верхнюю границу значения переходного сопротивления в месте повреждения изоляции, является чувствительность датчиков-преобразователей. Применение в системе контроля стандартных трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП) в качестве датчика-преобразователя было исключено в связи с недостаточной чувствительностью и рядом проблем, описанных в работах [1, 2].

Для устранения неоднозначности в терминологии в статье используется термин «сигнал от первичного датчика-преобразователя», прямо пропорциональный измеряемому току несимметричной утечки на землю в контролируемом присоединении и совпадающий с ним по фазе. Принятые допущения не оказывают существенного влияния на принципиальные результаты исследований процессов протекания токов утечки на землю через большие переходные сопротивления.

Основной задачей было определение возможностей амплитудной селекции для обнаружения повреждений изоляции при сравнительном анализе сигналов от датчиков-преобразователей.

На практике диапазон значений емкостей присоединений может быть достаточно широким, а количество возможных комбинаций по распределению емкости относительно земли сети между присоединениями к распределительному устройству (РУ) может быть достаточно большим.

Под присоединением подразумевается кабельная или воздушная линия, питающая потребителя электроэнергии (трансформатор, электродвигатель, преобразователи частоты и т.д.). Между линиями и этими объектами потребления коммутационные аппараты обычно не устанавливаются. Поэтому управление, контроль и защита потребителя электроэнергии выполняется как одного объекта - присоединения. В этом случае система контроля состояния изоляции с датчиками-преобразователями устанавливается только в РУ.

Влияние степени неравномерности распределения емкости сети между контролируемыми присоединениями на достоверное обнаружение присоединения

с ОЗЗ весьма существенно. В связи с этим наибольший интерес представляет случай, когда емкости присоединений различны, а ОЗЗ происходит на любом из присоединений.

Алгоритм работы, в первом приближении, заключается в выделении из совокупности сигналов наибольшего по уровню амплитуды и ранжировании контролируемых присоединений по указанному признаку. Однако возможна ситуация, когда после ранжирования сигналов по амплитуде разница между несколькими наибольшими будет недостаточна для достоверного определения присоединения с ОЗЗ.

Простейшая проверка достоверности заключается в сравнении суммы сигналов в «здоровых» присоединениях с сигналом от присоединения с предполагаемым ОЗЗ. В идеале должно выполняться равенство

п-1

1озз = ^ 11 , г=1

где п - количество контролируемых присоединений; I - сигнал от г-го присоединения. Этот прием необходим для случая, когда надо убедиться в малом значении фазных емкостей вне зоны контроля. На практике из-за неизвестной емкости вне зоны контроля (емкости на землю питающего трансформатора или генератора, шин РУ и т.п.), а также утечек через заземленные измерительные трансформаторы напряжения получается неравенство

п-1

1озз < ^ 1г,

г=1

что может привести к ложному обнаружению ОЗЗ при проведении указанной проверочной процедуры.

Необходимость снижения вероятности ложных обнаружений требует применения алгоритма, обеспечивающего повышение достоверности обнаружения. Поэтому в программном обеспечении системы централизованного контроля состояния изоляции предусмотрено использование заранее введенной информации о значениях емкостей присоединений относительно земли.

Целесообразно использовать не абсолютные значения фазных емкостей присоединений, а относительные, то есть приведенные к средней емкости

присоединений, которая определяется выражением 1 п

Сср = п С , (1)

г=1

где Сг - емкость фазы произвольного присоединения с номером г, п - количество присоединений (предполагается, что все присоединения входят в зону контроля, то есть учитываются в математической модели).

В качестве основного параметра, характеризующего емкость фазы присоединения, используется безразмерный коэффициент относительной емкости КС. Необходимо выделить три разновидности указанного коэффициента:

• коэффициент относительной емкости произвольного присоединения г с фазной емкостью Сг :

Кс (/)= С^Сср ; (2)

• коэффициент относительной емкости присоединения с ОЗЗ г с фазной

емкостью Сг:

Кс(г)= Сг/Сср ; (3)

коэффициент относительной емкости всей сети. Исходя из выражения (1) и определения данного термина, получим

п

Е с

Кс (п) = ^— = п (4)

В дальнейшем, для единообразия полученных формул, используется обозначение коэффициента, а не количества присоединений п.

Обозначим проводимость средней емкости присоединения через Ус :

Ус = ] • ш • ССр.

С учетом сказанного, фазные проводимости будут записаны в следующем

виде:

У а = С + Ус • Кс (п); У В = Ус • Кс (п); Ус = Ус • Кс (п).

Напряжение смещения нейтрали и0 в сети с изолированной нейтралью описывается общеизвестным выражением [3]

и иА • УА + ив • УВ + ис • Ус

и 0 =-

0 Уа + Ув + Ус

где иА, ив, ис - фазные напряжения источника, включенного в "звезду"; УА, Ув, Ус - суммарные проводимости соответствующих фаз. С - переходная проводимость в месте повреждения изоляции; и0 - напряжение смещения нейтрали источника электроэнергии, тождественное напряжению нулевой последовательности.

После выполнения подстановок и преобразований для и0 получим следующее выражение:

и =_ил

и а =-

1 + 3 • Ус

Кс (п). (5)

С

Ток нулевой последовательности произвольного присоединения I без ОЗЗ с коэффициентом относительной емкости Кс(1) описывается выражением

II =-3 • и о • Ус • Кс (0. (6)

Знак «минус» обозначает противофазность сигнала от датчика на присоединении с ОЗЗ сигналам от остальных присоединений без ОЗЗ. После преобразований с использованием формулы (5) и (6) получим

_ 3 ■ УЛ ■ YC ■ Kc(•) (7)

7 _-1+3-Yc ■ Kccrn ■ (7)

c G

Ток, регистрируемый на присоединении с ОЗЗ, описывается выражением 3 ■ У_Л ■ Yc(Kc(я)-Kc(г))

i! _ 1 + 3- Yc ■ Kc(n) . (8)

c G

Так как обнаружение присоединения с ОЗЗ основано на сравнительном анализе измерений, то есть на сравнении значений, полученных по формулам (7) и (8), определим отношение сигнала от датчика на присоединении z с ОЗЗ с коэффициентом относительной емкости Kc(z) к сигналу от датчика на произвольном присоединении • с коэффициентом относительной емкости Kc(i) . Данное отношение обозначим как коэффициент полезного сигнала K7 . Пропуская промежуточные преобразования, получим следующее выражение:

K Iz Kc (я)-Kc (z)

Ki _ 77= Kc (•) • (9)

Коэффициент полезного сигнала Ki показывает, во сколько раз сигнал от присоединения г с ОЗЗ больше сигнала от некоторого произвольного присоединения • .

Проведем нормирование токов от датчиков на присоединениях без ОЗЗ, поделив их на соответствующие коэффициенты относительной емкости, то есть определим отношение амплитуды тока, регистрируемого •-м датчиком, к коэффициенту относительной емкости этого присоединения:

h (норм) _ —^ _ -3 ■ U0 ■ Yc • (10)

Kc (i)

После такого нормирования сигналы, регистрируемые всеми датчиками-преобразователями на присоединениях без ОЗЗ, становятся одинаковыми, что является принципиально важным для достоверного обнаружения присоединения с ОЗЗ.

Из выражения (9) следует. что

7г ■ KC(i)_ ^ (Kc(я)-Kc(г)) . (11)

Введем понятие нормированного тока в присоединении с ОЗЗ:

7г(н°рм)_ hlKc(г)• (12)

Далее поделим левую и правую части уравнения (11) на произведение относительных коэффициентов емкости Kc(i) и Kc(z) и подставим в него выражение (12). В результате получим уравнение, связывающее нормированный ток от датчика на присоединении с ОЗЗ с нормированным током от датчика на произвольном присоединении без ОЗЗ:

Iz (норм) _ f ^ф! -1) ■ Ii (норм) • (13)

^ Kc (z)

Необходимо отметить важность полученного результата, обусловленную тем, что II (норм) - величина постоянная. Для технической реализации полученных закономерностей вводится коэффициент нормированного полезного сигнала КI (норм):

KI (норм) = Iz (норм)/ II (норм) , (14)

где знаменатель, согласно формулы (10), величина постоянная. Коэффициент нормированного полезного сигнала К1 (норм) необходим для оценки различий в нормированных сигналах при их сравнительном анализе с целью обнаружения присоединения с ОЗЗ. Теоретически и экспериментально установлено, что

К!(норм) = К^-1. (15)

КС ^)

Наибольшее значение КДнорм) будет соответствовать присоединению с ОЗЗ, что дает четкий критериальный признак для достоверного обнаружения присоединения с ОЗЗ. Применение формулы (15) позволяет использовать относительно простую пороговую обработку массива значений коэффициента нормированного полезного сигнала КДнорм), вычисленного по амплитудам сигналов от датчиков на всех контролируемых присоединениях, и обеспечить высокую достоверность обнаружения присоединения с ОЗЗ через большое переходное сопротивление.

Для достоверного обнаружения ОЗЗ должно выполняться неравенство: КДнорм) > 1. В противном случае возможна неоднозначность определения присоединения с ОЗЗ, особенно для случая, когда количество контролируемых присоединений п мало (но в любом случае должно выполняться неравенство п>3), а емкость присоединения z с ОЗЗ велика по сравнению со средней емкостью Сср и при этом ненамного меньше суммарной емкости сети, то есть Кс(п) ненамного больше Кс(х). То есть условием достоверного обнаружения присоединения с ОЗЗ является выполнение неравенства

Кс(п)> Ксболее чем в два раза.

Для обеспечения достоверного обнаружения присоединения с ОЗЗ при условиях, близких к граничным, необходимо применение соотношений между током в переходном сопротивлении в месте ОЗЗ и током, регистрируемым датчиком-преобразователем. Отношение тока, измеренного датчиком на присоединении с ОЗЗ, к току, протекающему непосредственно через переходную проводимость С в месте ОЗЗ, описывается выражением

т=1 - , (16)

IG КС(п)

где Iz - измеренное значение сигнала от датчика на присоединении z с предполагаемым ОЗЗ; IG - ток через переходное сопротивление R=1/G в месте замыкания.

Вышеприведенная формула (16) получена в результате математического моделирования ОЗЗ через переходное сопротивление в сети с произвольным количеством присоединений и подтверждена результатами обработки экспериментальных данных. Так как заранее неизвестно, на каком присоединении произошло ОЗЗ, указанная процедура проводится после

предыдущего этапа процедуры обнаружения ОЗЗ для нескольких - наиболее «подозрительных» присоединений поочередно.

Далее определим отношение тока нулевой последовательности в присоединении г без ОЗЗ с коэффициентом относительной емкости КС(1) к току, протекающему непосредственно через переходную проводимость О в месте ОЗЗ. Отношение 1г/1О надо брать со знаком «минус», так как эти токи противофазны. После простейших преобразований и сокращений получим

Т=¥гу С7)

1О КС (п)

В результате поочередных вычислений по формуле (17) для массива данных по токам нулевой последовательности присоединений (как правило не более 3-7) появляется возможность сравнительного анализа получаемых результатов. Отношение по формуле (18) для присоединения с ОЗЗ к аналогичному отношению для любого другого будет описываться выражением

1г/1О = Кс (п)-Кс (г)

Т^Ю - Кс (г) . (18)

Условием применимости формул (16, 17, 18) при КС(г)>>КС(1) является выполнение неравенства

Кс (п)- Кс (гX

Кс 0)

> 1.

Практическое применение формул (16, 17, 18) в алгоритме обработки сигналов от датчиков-преобразователей на контролируемых кабельных присоединениях заключается в последовательной попарной подстановке значений токов из массива данных с целью определения пар, удовлетворяющих указанным формулам.

Применение данной закономерности к «критическим» присоединениям (большая емкость и большой сигнал от датчика на присоединении) позволяет существенно повысить достоверность обнаружения присоединения с ОЗЗ через большое переходное сопротивление.

В условиях недостаточности амплитудного анализа вопрос достоверного обнаружения присоединения с ОЗЗ решается за счет сравнительного анализа фазовых соотношений. Как известно, ток нулевой последовательности в присоединении с ОЗЗ сдвинут на 90о в одну сторону от напряжения нулевой последовательности, а токи нулевой последовательности в остальных присоединениях сдвинуты на 90о в другую сторону.

Таким образом, дополнение амплитудного сравнительного анализа фазовым позволяет достоверно обнаруживать присоединение с ОЗЗ даже при большом переходном сопротивлении. Здесь необходимо отметить, что анализ фазовых соотношений при несимметричной емкости фаз относительно земли, то есть при наличии некоторого напряжения смещения нейтрали, имеет свою специфику и требует отдельного рассмотрения.

Полученные результаты были использованы при разработке системы селективного контроля состояния изоляции ЦС1518 (ОАО «Приборостроительный завод Вибратор», г. Санкт-Петербург) [4].

Отличительной особенностью разработанной системы был отказ от

стандартных ТТНП и ТН и применение специально разработанных для этой системы датчиков-преобразователей. Датчик-преобразователь реализован на современной элементной базе. Для индуктивного датчика используется гибкий магнитопровод на основе упорядоченной полимерной композиции с применением специального микрокристаллического ферромагнитного материала. Плата с микроэлектронными компонентами и гибкий индуктивный датчик, сопряженный с емкостным датчиком, представляют единую конструкцию, что минимизирует паразитные наводки.

Выводы

Проведенный анализ показал возможность повышения достоверности обнаружения повреждений изоляции с большими переходными сопротивлениями в сетях с изолированной нейтралью на основе сравнительного анализа токов утечки в контролируемых присоединениях, что обеспечивает эффективный контроль состояния изоляции в широком диапазоне значений неравномерности распределения емкости сети между присоединениями.

Summary

Operative estimation isolation condition method in electric networks 6—10 kV, with isolated neutral basis of the comparative analysis of leak currents in controllable joinings is offered.

The quality monitoring provides an effective control isolation condition in wide range of values of non-uniformity of network capacity distribution between joinings.

Key words: high voltage networks with isolated neutral, insulation faults, diagnostics.

Литература

1. Иванов Е.А. Глухов О. А. Пофидерный контроль изоляции: пришло время новых решений // Новости электротехники. 2004. №3. С.60-62.

2. Глухов О.А. Михайлов А.К., Фоминич Э.Н. и др. Системы контроля изоляции в системах электроснабжения с изолированной нейтралью // Технологии ЭМС. 2007. №3(22).

3. Бычков В.А., Золотницкий В.М,, Чернышев Э.П. Основы теории электрических цепей. СПб.: «Лань», 2002. 464 с.

4. Глухов О.А. Фоминич Э.Н, Кильдияров А.В. и др. Анализ эффективности централизованной системы селективного контроля состояния изоляции 6...10 кВ в сетях с изолированной нейтралью // Технологии ЭМС. 2009. №4.

Поступила в редакцию 13 апреля 2010 г.

Глухов Олег Африканович - д-р техн. наук, профессор Марийского государственного технического университета (МарГТУ). E-mail: GluhovOA@marstu.net.

Глухов Дмитрий Олегович - аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности» (БЖД) Марийского государственного технического университета (МарГТУ). E-mail: GlukhovDmitry@yandex. ru.