CC BY
20
УДК 621.3.053
DOI 10.18635/2071-2219-2016-3-33-36
Техническое диагностирование сети с изолированной нейтралью в задачах электробезопасности
Р. Н. Буланов,
Военная академия РВСН им. Петра Великого, кандидат технических наук, доцент
Предлагается методический подход к оценке технического диагностирования состояния электрической сети напряжением 0,4 кВ с изолированной нейтралью при решении задач электробезопасности в процессе эксплуатации. Подход включает в себя разработку модели сети, выбор информативных параметров, а также запатентованное устройство диагностирования состояния изоляции электрической сети.
Ключевые слова: техническое диагностирование, электробезопасность, изолированная нейтраль, изоляция.
В электрических сетях с изолированной нейтралью находит широкое применение 1Т-система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены (рис. 1). В этом случае условия электробезопасности и надежности электроснабжения определяются состоянием изоляции относительно земли, сопротивление которой носит активно-емкостный характер. Изоляция токоведущих частей (кабелей, обмоток, шин и т. д.) выполняется из реальных диэлектриков, удельное сопротивление которых имеет конечную величину. При высоком сопротивлении 1Т-системы относительно земли ток замыкания фазы на землю незначителен (до 1 мА) и при непосредственном прикосновении человека к ее токоведущим частям не представляет опасности.
Большинство таких систем в течение многих лет работают в различных климатических усло-
Рис. 1. 1Т-система переменного тока: 1 — сопротивление заземления нейтрали источника питания (если имеется); 2 — заземлитель; 3 — открытые проводящие части; 4 — заземляющее устройство электроустановки
виях и подвергаются внешним и внутренним воздействиям электромагнитной и механической природы, что отрицательно сказывается на состоянии изоляции токоведущих частей.
Питание электроустановок напряжением до 1 кВ переменного тока от источника с изолированной нейтралью с применением 1Т-системы выполняется, как правило, при недопустимости перерыва питания при первом замыкании на землю или на открытые проводящие части, связанные с системой уравнивания потенциалов. В таких электроустановках для защиты от косвенного прикосновения при первом замыкании на землю выполняется защитное заземление в сочетании с контролем изоляции сети или применяются устройства защитного отключения с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА. При двойном замыкании на землю должно выполняться автоматическое отключение питания [1].
Реализация положительных свойств рассматриваемых 1Т-систем требует осуществления технического диагностирования, которое должно включать постоянный контроль технического состояния системы, поиск места и определение причин отказа (неисправности), а также прогнозирование технического состояния системы на определенный период [2].
Постоянный контроль активного сопротивления изоляции в настоящее время выполняется приборами, использующими два принципа работы: наложение на электрическую сеть постоянного оперативного тока и выделение несимметрии фазных напряжений переменного тока. Схемы контроля сопротивления изоляции, основанные на принципе наложения постоянного оперативного тока, используются в большинстве серийно выпускаемых приборов и предусматривают получение оперативного тока от внешних источников или посредством выпрямления от контролируемой сети. К недостаткам таких систем относится сложность схемы, снижающая надежность приборов. Использование схем выделения несимметрии
№ 3(69) 2016, май-июнь
фазных напряжений обеспечивает контроль полного сопротивления фазных проводников, однако их невозможно использовать для регистрации суммарного активного сопротивления. К недостаткам таких систем относится нестабильность уставки срабатывания, которая колеблется при нарушении симметрии фазных напряжений, вызванных изменением емкостной проводимости изоляции.
Оперативный поиск неисправностей, спровоцированных снижением сопротивления изоляции, в разветвленных электрических сетях с изолированной нейтралью и их устранение затруднены из-за отсутствия информативных устройств селективного контроля. Процесс поиска в таких случаях заключается в последовательном исключении участков сети из схемы вручную, которое продолжается до момента достижения допустимого значения сопротивления изоляции сети Zиз, контролируемого прибором контроля изоляции. Поэтому задача разработки способа, моделей и средств контроля состояния изоляции в рассматриваемых системах, позволяющих автоматически обрабатывать полученные данные с целью нахождения дефектов и прогнозирования возможных аварий, является актуальной. В рамках статьи рассмотрим разработку модели системы с изолированной нейтралью для выявления информативных (диагностических) параметров при установлении требований к средствам диагностирования.
В основу модели электрической сети (рис. 2) положена схема замещения, элементы которой отражают свойства изоляции всех ее участков с необходимой для поставленной задачи степенью полноты.
Границы изменения электрических параметров модели получаются по результатам натурных испытаний типовой системы. Этот прием обеспечивает использование выявленных опытным путем границ изменения параметров системы для моделирования аварийных процессов (однофазных и других замыканий) с целью установления информативных параметров. Моделирование таких процессов позволило отнести к числу искомых параметров суммарное сопротивление изоляции сети Zиз и ток утечки на землю 1у, обратно пропорциональный сопротивлению изоляции фазных проводников и увеличивающийся при повреждении изоляции. Значение суммарного сопротивления изоляции сети Zиз выбрано в качестве параметра снижения сопротивления изоляции сети, а ток утечки принят как параметр для поиска поврежденного фидера.
Однако проведенные исследования модели (рис. 2) показали, что величина тока утечки 1у поврежденного участка не всегда обеспечивает устойчивую работу современных средств его контроля. Для повышения значения тока утечки поврежденного фидера до значения, воспринимаемого средствами контроля, предлагается использовать соединение нейтральной точки источника питания с землей через фиксированное по величине емкостное сопротивление. Выбор такого типа сопротивления определяется необходимостью исключения его влияния на цепи источников постоянного тока, применяемых в устройствах контроля сопротивления изоляции.
Определение величины дополнительного емкостного сопротивления произведено из следующих условий:
а) ток утечки, связанный с включением конденсатора между нулевой точкой и землей, при снижении сопротивления изоляции сети не должен превосхо-
Рис.2. Схема модели электрической сети с изолированной нейтралью
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№ 3 (69) 2016, май-июнь
дить 1/3 тока дифференциального автоматического выключателя (для групповых сетей - не более 30 мА);
б) чувствительность устройств контроля тока нулевой последовательности должна находиться в диапазоне 5-20 мА.
Количественное значение емкости конденсатора С определяется выражением:
(1)
где - требуемый ток утечки, А;
иф - фазное напряжение генератора сети, В; / - частота сети, Гц.
Для реализации данного подхода предложено устройство диагностирования состояния изоляции сети [3], которое содержит блок постоянного контроля сопротивления изоляции сети (ПКИ) и блоки контроля токов утечки (БКТ1-БКТ4) отдельных участков кабельной сети (рис. 3). Первый блок обладает высокой чувствительностью за счет использования источника постоянного тока, включенного между нейтральной точкой источника и землей. Он позволяет определить факт снижения сопротивления изоляции всей сети, не выделяя при этом поврежденный участок.
Устройство диагностирования накапливает информацию об изменении выявленных диагностических параметров с целью прогнозирования технического состояния и выдает предупреждающие и аварийные сигналы снижения сопротивления изоляции электрической сети.
Выделение поврежденного участка осуществляется за счет сбора и обработки информации, поступающей по линиям связи с блоков контроля токов утечки. Точное определение участка со сниженным сопротивлением изоляции позволяет исключить отключения участков сети при поиске неисправности, тем самым не допуская перерывов в питании ответственных потребителей.
В системах электроснабжения с изолированной нейтралью, допускающих перерыв питания потребителей при возникновении однофазных замыканий на землю, в качестве исполнительных устройств селективной защиты целесообразно использовать дифференциальные автоматические выключатели [4], а дополнительное емкостное сопротивление выбирать из условия превышения 1/3 тока дифференциального выключателя.
Предлагаемое устройство технического диагностирования состояния изоляции сети испытано на физической модели с генератором с изолированной
Рис. 3. Схема устройства диагностирования состояния изоляции
Блоки контроля токов утечки обеспечивают селективность определения участка сети со сниженным сопротивлением изоляции за счет протекания нормируемого тока утечки величиной 5-10 мА, создаваемого включаемым по сигналу блока контроля сопротивления изоляции сети конденсатором между нулевой точкой источника и землей.
нейтралью 230/400 В, 50 Гц, мощностью 5 кВт. Модель включает устройство автоматического контроля изоляции на постоянном оперативном токе «Астро-ИЗО» и устройства измерения дифференциального тока «Астро-Дельта», а также модель активно-емкостного сопротивления изоляции участков кабельной сети. При выявлении поврежденного участка с сопротивлением изоляции 0,1 Ом диффе-
№ 3(69) 2016, май-июнь
ренциальный ток составил 7 мА, а с сопротивлением 20 кОм - 5,9 мА, что обеспечило надежную работу устройства измерения дифференциального тока на участке с поврежденной изоляцией.
Внедрение устройства диагностирования состояния изоляции сети в практику эксплуатации систем
электроснабжения с изолированной нейтралью позволит обеспечить автоматизированный селективный контроль состояния изоляции с индикацией аварийных сигналов и снизить количество нарушений электроснабжения оборудования за счет локализации и восстановления поврежденного участка.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. - Изд. 7-е., 2002.
2. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.
3. Гуров А. А., Буланов Р. Н., Кольжецов Д. В. Устройство селективной сигнализации снижения сопротивления изоляции электрической кабельной сети с изолированной нейтралью напряжением 0,4 кВ. Патент РФ № 2450401, кл. № 02 Н 3/16, 19.01.2011.
4. Буланов Р. Н., Гуров А. А., Мишутинский В. Е. Устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью. Патент РФ № 2317623, кл. № 02 Н 3/16, 20.02.2008.
Isolated neutral networks diagnostics for electrical safety purposes R. N. Bulanov,
Peter the Great Strategic Missile Forces College, PhD, associate professor
The author suggests his methodology for isolated neutral 0.4 kV networks diagnostics for electrical safety purposes while those networks operation. The new approach includes network model development, information indicators selection, and an innovative patented insulation diagnostics device.
Keywords: diagnostics, electrical safety, isolated neutral, insulation.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru
№ 3 (69) 2016, май-июнь
