Релейная защита и автоматизация 2010 №1 (Ноябрь)

Подождите немного. Документ загружается.

НАУКА

научно-практическое издание

испытания, ввод в эксплуатацию

НАУКА

20 01 / Ноябрь 2010

Авторы:

к.т.н. В.Н. Козлов,

к.т.н. М.И. Петров,

«НПП Бреслер»,

г. Чебоксары

The problems

of compensation

of capacitive current

network with isolated

neutral. The main

methods used to build

automation control

arcing reactors, including

the most promising

way to implement

microprocessor – the

frequency of free oscillation

circuit zero-sequence

network.

Keywords: Single-phase

ground fault, arcing reactor

resonance circuit zero

sequence network, the

detuning compensation,

the natural oscillations

of the circuit.

дугОгАСящИе КАтушКИ

И АвтОМАтИКА упРАвленИя ИМИ

Рассмотрены вопросы компенсации емкостного тока сети с изолирован-

ной нейтралью. Приведены основные способы, используемые для построе-

ния автоматики управления дугогасящими реакторами, в том числе наибо-

лее перспективный способ для микропроцессорной реализации – по частоте

свободных колебаний контура нулевой последовательности сети.

Наиболее частым видом повреждения ли-

ний электропередач (ЛЭП) являются однофазные

короткие замыкания на землю (ОЗЗ). С целью по-

вышения надежности снабжения потребителей

при ОЗЗ используется режим работы сети с изо-

лированной нейтралью. Если через точку ОЗЗ

протекают приемлемые токи, не вызывающие по-

вреждения, то не требуется немедленное отклю-

чение линии и такой режим ее работы может быть

сохранен достаточно долго. Токи через точку за-

мыкания в таких сетях определяются в основном

емкостью линии относительно земли. С изолиро-

ванной нейтралью работает основное количество

распределительных сетей 6…35 кВ.

ЛЭП бывают воздушные и кабельные. От-

носительно земли они (рис. 1) представляют

собой емкости фаз, шунтированные сопро-

тивлениями изоляции. Воздушные ЛЭП имеют

величину емкости порядка 0,01…0,05 мкФ/км,

кабельные – 0,2…0,5 мкФ/км [1]. Поэтому ем-

костные токи, протекающие через точку замы-

кания при ОЗЗ, в кабельных линиях на поря-

док больше, чем в воздушных. Соответственно,

и тяжесть аварии для кабельных линий суще-

ственно выше, чему способствуют и их кон-

структивные особенности.

Большие токи приводят к возникновению

дуги в месте ОЗЗ. Дуга в кабельных линиях вызы-

вает расплавление изоляции и переход однофаз-

ного замыкания в междуфазное, причем не толь-

ко в поврежденном кабеле, но и других кабелях

при их прохождении в одном кабельном канале.

В результате, последствие дуги – тяжелая сете-

вая авария с дорогостоящим и длительным вос-

становлением работоспособности.

Еще одна неприятность, обусловленная про-

боем изоляции фазы линии при ОЗЗ – возникнове-

ние перенапряжения, при котором напряжения

в неповрежденных фазах сети кратковременно

увеличиваются в 2…4 раза. Это может привести

к пробою изоляции неповрежденных фаз сети

и подключенного к ней электрооборудования. Осо-

бенно критичны к перенапряжениям электродви-

гатели, изоляция которых имеет меньшие запасы

по пробивному напряжению, чем у кабелей.

Активное сопротивление изоляции фаз

на два порядка больше емкостного сопротивле-

ния, поэтому ток в месте замыкания носит в основ-

ном емкостной характер, что позволило Петерсо-

ну в 1916 году [2] предложить компенсировать его

за счет индуктивного тока, создаваемого специ-

ально установленной дугогасящей катушкой (ДГК).

Вместо термина «дугогасящая катушка» часто ис-

пользуют термин «дугогасящий реактор» (ДГР).

Для того чтобы не устанавливать три ДГК

в каждую фазу сети, используется схема с одной

ДГК, подключаемой между землей и нейтралью

сети. Если нейтраль генератора или силового

трансформатора сети недоступна, используется

другой нейтралеобразующий трансформатор –

TN на рис. 1. Это может быть трансформатор, спе-

циально изготовленный для такой задачи, или

трансформатор собственных нужд подстанции

с выведенной нейтралью первичных обмоток.

Необходимо, чтобы трансформатор имел допол-

нительную вторичную обмотку, соединенную

в замкнутый треугольник для обеспечения мало-

го собственного сопротивления токам нулевой

последовательности. Часто такой трансформа-

тор называют «фильтр нулевой последователь-

ности». При ОЗЗ токи замыкания протекают через

ДГК и нейтраль системы, то есть являются токами

нулевой последовательности. Поэтому путь про-

текания тока часто называют «контуром нулевой

последовательности» сети (КНП).

Ключевые слова:

однофазные короткие замыкания на землю,

дугогасящий реактор, резонанс, контур нуле-

вой последовательности сети, расстройка ком-

пенсации, собственные колебания контура.

автоматика

удК 621.317.737

НАУКА

научно-практическое издание

На рис. 1 приведена схема замещения сети

в режиме ОЗЗ. Индуктивность ДГК подбирается

из условия равенства (компенсации) индуктив-

ной составляющей ее тока и емкостного тока се-

ти. Таким образом, при полной компенсации ток

в точке ОЗЗ

равен активной составляющей

тока ДГК и называется остаточным (не скомпен-

сированным) током замыкания, а входное сопро-

тивление КНП становится чисто активным.

Режим работы цепи, содержащей реактив-

ные элементы, при котором ее сопротивление

оказывается чисто активным, называется резо-

нансом [3]. Соответственно, заземление нейтра-

ли сети через ДГК называют «резонансным  за-

землением нейтрали».

Отклонение какого-либо параметра от за-

данной величины называют расстройкой. В ка-

честве такого параметра обычно выбирают тот,

который зависит от элементов цепи и не зависит

от режима ее питания. Для характеристики ре-

зонанса в КНП таким параметром является реак-

тивное сопротивление или реактивная проводи-

мость сети, а поскольку компенсации подлежит

емкостная проводимость B

, то расстройку ком-

пенсации относительно этой проводимости

определяют как

Умножив числитель и знаменатель на на-

пряжение между землей и нейтралью сети (на-

пряжение на нейтрали сети), это выражение

можно привести к виду

где I

 – емкостной ток цепи, I

– ток дугогася-

щей катушки. Расстройка компенсации является ве-

личиной безразмерной и обычно измеряется в %.

Физически расстройка характеризует не скомпен-

сированную долю емкостного тока сети. При недо-

компенсации (емкостной ток превышает индуктив-

ный) υ>0, при перекомпенсации (индуктивный ток

превышает емкостной) υ<0, при резонансе υ=0.

Непосредственное измерение проводи-

мостей или емкостного тока затруднительно,

поэтому факт настройки на резонанс КНП опре-

деляют косвенными методами. Наиболее извест-

ные из этих методов – экстремальный и фазовый.

Первый основан на прохождении кривой напря-

жения на нейтрали сети через максимум при ре-

зонансе. Второй – на изменении знака угла этого

напряжения относительно базового вектора.

Величиной, контролируемой при любом

способе настройки ДГР, является напряжение

на нейтрали сети. Измеряется это напряжение

с помощью измерительного трансформатора

напряжения секции шин на выводах обмотки,

включенной в разомкнутый треугольник. Слож-

(1)

Рис. 1.

Схема замещения сети.

автоматика

НАУКА

22 01 / Ноябрь 2010

ность обработки этого напряжения заключается

в его малой (в идеале нулевой) величине в нор-

мальном режиме работы сети. Для воздушных

сетей напряжение на нейтрали главным обра-

зом определяется несимметрией фаз линии от-

носительно земли. Констатируя этот вынужден-

ный факт, ПУЭ допускает работу сети с уровнем

напряжения смещения нейтрали до 15 % от фаз-

ного напряжения. В кабельных линиях несим-

метрия фаз мала, и измеряемая величина на-

пряжения имеет величину десятки мВ, причем

определяется оно, главным образом, шумами

(помехами), наводимыми в КНП. Данные шумы

представляют собой высокочастотные состав-

ляющие, порожденные работой оборудования,

в основном это третья гармоника и гармоники,

кратные основной частоте.

Экстремальный способ настройки ДГР

Принято считать, что в сети всегда имеется

естественная несимметрия, которая определяет-

ся небалансом фазных проводимостей изоляции

(рис. 1). Поскольку активное сопротивление изо-

ляции существенно больше ее емкостных состав-

ляющих, коэффициент, характеризующий есте-

ственную несимметрию, записывается как

Напряжение естественной несимметрии

и напряжение на нейтрали компенсирован-

ной сети определяются из выражений:

;

где υ – расстройка компенсации, а вели-

чину d, обратную добротности контура Q, назы-

вают затуханием контура или коэффициентом

успокоения сети [4].

Последняя формула показывает, что напря-

жение на нейтрали реальной сети имеет макси-

мальное значение при расстройке компенсации,

т. е. в точке резонансной настройки, и стремится

к нулю при увеличении независимо от ее знака.

Все шумы в напряжении нулевой последова-

тельности, с частотой, кратной основной гармонике,

при резонансе в КНП также достигают своего макси-

мума. В итоге суммарное напряжение, измеряемое

на нейтрали, особенно для воздушных и воздушно-

кабельных линий, достигает нескольких вольт.

В сетях с хорошим качеством изоляции до-

бротность КНП находится в пределах 15…30. Поэто-

му зависимость

или

имеет ярко выраженный экстремум – рис. 2. Дан-

ный факт легко использовать для нас тройки КНП

в резонанс.

Рис. 2. Амплитудная и фазовая характеристики, снятые

автоматическим регулятором ДГР «Бреслер-0117.60».

Однако, несмотря на простоту реализации,

экстремальный принцип не получил широкого

распространения для построения регуляторов

ДГР. Объясняется это рядом причин:

•   напряжение  на нейтрали  изменяется  не  толь-

ко при изменении параметров сети, но и при

изменении нагрузки, что вынуждает включать

привод регулятора и проверять нахождение

в точке резонанса;

•   невозможно при изменении U

заранее опре-

делить, в какую сторону необходимо изменять

индуктивность ДГР;

•   при больших значениях расстройки компенса-

ции автоматический регулятор не может вы-

вести ДГР в резонансный режим, так как кри-

вая изменения напряжения (красная линия

на рис. 2) имеет пологий участок;

•   из-за  малого  уровня  естественной  несимме-

трии невозможна работа в кабельных сетях;

•   в сетях с резистивным заземлением нейтрали 

резонансная кривая становится пологой, и тре-

буется очень высокая чувствительность регу-

лятора для сохранения работоспособности.

Следует также отметить, что плунжерные

ДГР не рассчитаны на частое включение привода.

Поэтому обязательным требованием к их автома-

тике управления является включение привода

только при выходе расстройки за заданные преде-

лы и выполнение настройки за одно включение.

автоматика

НАУКА

научно-практическое издание

Фазовый способ настройки ДГР

Наиболее распространенным является фа-

зовый способ определения расстройки компен-

сации сети. Способ основан на контроле угла век-

тора напряжения на нейтрали сети относительно

базового вектора, угол которого не зависит от ре-

жима сети. Обычно в качестве базового принима-

ется вектор линейного напряжения.

Метод применяется исключительно в сетях

с искусственной несимметрией сети. Такая ситу-

ация объясняется тем, что суммарная величина

естественной несимметрии и шумов постоянно

меняет свой угол в зависимости от режима работы

сети и ее конфигурации. Для достижения приемле-

мой точности величина искусственной несимме-

трии должна на порядок превышать естественную

несимметрию. Поэтому метод применяется преи-

мущественно в кабельных сетях [5].

Напряжение искусственной несимметрии

может быть создано любым доступным способом:

подключением к фазе сети высоковольтного кон-

денсатора; асимметрированием фазных обмоток

нейтралеобразующего трансформатора T

ДГР;

введением в нейтраль сети сигнала от внешнего ис-

точника [5]. В любом случае это весьма затратное,

малонадежное и нежелательное мероприятие.

Методу присущ целый ряд недостатков:

•   необходимость смещения нейтрали, 

от величины которого зависит точность;

•   работоспособность лишь при небольших 

значениях расстройки компенсации, так как

далее кривая

становится пологой (рис. 2);

•   зависимость напряжения 3U

от добротности Q КНП;

•   практическая неработоспособность метода 

в низкодобротных сетях из-за слабой

зависимости фазы напряжения 3U

от степени

расстройки компенсации (рис. 3).

Рис. 3. Реальные амплитудная и фазовая

характеристики, снятые автоматическим регулятором

ДГР «Бреслер-0117.60», для низкодобротного контура.

Способ настройки ДГР по частоте соб-

ственных колебаний КНП

Любые возмущения в контуре нулевой по-

следовательности, связанные с перераспределе-

нием энергии между индуктивностью и емкостью

контура, приводят к возникновению в контуре

свободных колебаний. Величиной изменения

энергии в процессе колебаний определяются ве-

личины свободных составляющих тока и напряже-

ния нулевой последовательности. В то же время,

из курса ТОЭ [3] известно, что частота и время зату-

хания свободных колебаний, возникающих в кон-

туре, определяются только параметрами контура

и не зависят от величины и характера возмущаю-

щего воздействия. Этот факт можно использовать

для определения параметров КНП, а следователь-

но, и для настройки ДГР [6, 7].

Естественными возмущениями являются:

подключение (отключение) фидера; загорание

(погасание) дуги при ОЗЗ; изменение емкости

сети при ОЗЗ и др. Однако для постоянного кон-

троля параметров КНП колебания должны соз-

даваться устройством контроля, а естественные

возмущения носят случайный характер.

В случае, когда в сети установлен ДГР, та-

кие возмущения легко создать путем изменения

энергии реактора, которая определяется сум-

марным током, протекающим через его обмотки.

Например, можно изменить энергию реактора

за счет подачи (инжекции) тока в дополнитель-

ную (или измерительную) обмотку (рис. 4). При

этом свободные колебания возникают как в мо-

мент подачи импульса, так и в момент его снятия.

Однако схемы замещения КНП сети в этих режи-

мах различны.

Рис. 4. Принцип инжекции тока в измерительную обмотку ДГР.

В схеме рис. 5 а присутствуют параметры

генератора импульсов тока (G) и измерительной

обмотки ДГР. При изменении зазора в сердечни-

ке ДГР изменяется индуктивность рассеяния, сле-

довательно, и параметры измерительной обмот-

ки, которая у различных типов ДГР по-разному

расположена относительно зазора. Возникает

автоматика

НАУКА

24 01 / Ноябрь 2010

также воп рос о форме, интенсивности и дли-

тельности инжектируемого тока. Очевидно, что

схема рис. 5, б предпочтительнее для измере-

ний, она проще и в ней отсутствуют параметры

измерительной обмотки и источника возмуще-

ния. После преобразования эта схема сводится

к схеме замещения рис. 6. В качестве наблюдае-

мой величины используется нап ряжение на ней-

трали сети U

Рис. 5 а. Схема замещения сети при воздействии источника

наложения.

Рис. 5 б. Схема замещения сети при отсутствии

источника наложения.

Рис. 6. Расчетная схема замещения сети.

Следующий важный момент – как выде-

лить свободные колебания наблюдаемой вели-

чины. Интенсивность этих колебаний опреде-

ляется величиной энергии, внесенной в КНП.

В целом, напряжение U

состоит из напряжения

несимметрии фазных величин и шумов, созда-

ваемых сетью и работающим оборудованием.

Казалось бы, что чем больше эти составляющие,

тем больше энергии в КНП надо вносить, чтобы

повысить интенсивность свободных колебаний

для их различимости на общем фоне. Однако

это требование резко ослабляется при приме-

нении современных методов обработки сигна-

лов. Например, на рис. 7 приведена осцилло-

грамма U

, снятая при работе автоматическим

регулятором ДГР «Бреслер-0107.060». Осцилло-

грамма разбита на три участка: 1 – до момента

инжекции тока; 2 – в момент инжекции тока; 3 –

после прекращения действия накладываемого

импульса тока. Визуально трудно найти разли-

чия кривой U

на этих участках, т. е. инжектиру-

емый ток не велик и не приводит к заметному

изменению напряжения на нейтрали сети. Тем

не менее, микропроцессорный терминал поз-

воляет совместить осциллограммы 1-го и 3-го

участков и найти разностный сигнал (рис. 8), ко-

торый и является напряжением свободных ко-

лебаний – U

N, св

Рис. 7. Рабочая осциллограмма автоматического

регулятора «Бреслер-0107.060».

Рис. 8. Выделенная свободная составляющая.

Теперь, имея кривую свободных колебаний,

можно перейти к основной задаче автоматическо-

го регулятора ДГР – определения и поддержания

заданной расстройки КНП. Выражение (1) можно

преобразовать к виду, характеризующему влия-

ние частоты на величину расстройки:

Из решения дифференциального уравнения

для схемы рис. 6 можно получить выражение для

свободной составляющей напряжения на нейтра-

ли сети в виде

(2)

Козлов владимир

николаевич –

родился 15.08.1952 г.

Окончил Чувашский

государственный

университет

им. И.Н. Ульянова

в 1975 г., кафедра

«Электрические аппараты».

В 1985 г. защитил

кандидатскую диссертацию

в Ленинградском

политехническом

институте на тему

«Комплексная защита

судовых генераторов».

Доцент каф.

«ТОЭРЗА» Чувашского

госуниверситета,

главный конструктор

ООО «НПП Бреслер».

автоматика

НАУКА

научно-практическое издание

петров Михаил

Иванович – родился

07.10.1956 г.

Окончил Чувашский

государственный

университет

им. И.Н. Ульянова

в 1979 г., кафедра

«Электроснабжение

промышленных

предприятий». В 1994 г.

защитил кандидатскую

диссертацию в Московском

энергетическом

институте на тему

«Совершенствование

средств компенсации

емкостных токов

замыкания на землю».

Доцент кафедры «ЭСПП

им А.А. Федорова»

Чувашского

госуниверситета,

главный специалист

по режимам нейтрали

ООО «НПП Бреслер».

автоматика

где величины U

и θ определяются состо-

янием схемы в момент прекращения инжекции

тока (начало участка 3 на рис. 7), а частота

и коэффициент затухания свободных колеба-

ний определяются корнями характеристическо-

го уравнения

Следовательно

где

резонансная частота идеального

(без потерь) резонансного контура.

Можно выразить

через добротность кон-

тура Q или коэффициент успокоения сети d

Соответственно выражение для

примет вид

из которого видно, что, например, при доброт-

ности Q=10

т.е. отличие составляет 0,25%.

Таким образом, несмотря на то, что

и только при отсутствии потерь в контуре (

=0)

= , даже в контурах средней добротности,

можно, без значительных ошибок, использовать

для вычисления расстройки по выражению (2) зна-

чение

вместо .

Однако в последнее время все большее

распространение получает комбинированный

способ заземления нейтрали – с установкой

заземляющего резистора параллельно ДГР.

Доб ротность таких сетей составляет порядка

2…10. Кроме того, современные микропро-

цессоры имеют достаточный вычислительный

ресурс. Поэтому нет необходимости прибе-

гать к упрощенным способам вычисления рас-

стройки КНП сети, тем более что величина за-

тухания контура

легко определяется [3] как

где напряжения U

и U

берутся из кривой

рис. 8 через интервал времени, равный T

св

Зная величины

и сети, микропроцес-

сорное устройство способно решать разноо-

бразные задачи:

•   управления ДГР с целью поддержания 

заданного уровня расстройки;

•   определения емкостного тока (или емкости) сети;

•   контроля изоляции секции шин под 

рабочим напряжением и др.

Выводы

1. Экстремальный и фазовый способ управления

ДГР сети имеют много недостатков и не соот-

ветствуют современным требованиям.

2. Наиболее перспективным является способ

нас тройки ДГР с использованием частоты сво-

бодных колебаний сети.

3. Современная микропроцессорная техника

не требует прибегать к значительному смеще-

нию напряжения на нейтрали сети и упрощен-

ным формулам расчета ее состояния.

4. Микропроцессорная реализация способа кон-

троля свободных колебаний сети позволяет ре-

шать разнообразные задачи постоянного мони-

торинга состояния сети.

Литература:

1. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 2. Электротехни-

ческие изделия и устройства/Под общ. ред. профессоров

МЭИ В. Г. Герасимова и др. (гл. ред. И. Н. Орлов) – 9-е изд.,

стер. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 518 с.

2.   Petersen W., Neutralizing of ground fault current and 

suppression of ground fault arcs through the ground fault 

reactor, E. T.Z., 1919.

3. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники: В 3-х

ч. Ч. 1. Линейные электрические цепи. Учебник для вузов. –

5-е изд., испр. и доп. – М.: Энергия, 1978. – 592 с. ил.

4. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной

нейтралью и с компенсацией емкостных токов. – М.: Энер-

гия, 1971, – 152 с. с ил.

5. Миронов И. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Автоматическая

компенсация емкостного тока//Новости ЭлектроТехники. –

2007. – № 3 (45). – С. 62–65.

6. Патент РФ № 2321132. Способ настройки компенсации

емкостных токов замыкания на землю в электрических

сетях/В. Ф. Ильин, М. И. Петров, И. В. Соловьев.- Опубл. в Б. И.

№ 9, 2008.

7. Козлов В. Н., Ильин В. Ф. Дугогасящие реакторы в сетях

6–35 кВ. Реализация метода автоматического управле-

ния./Новости ЭлектроТехники. – 2008. – № 2 (50). – С. 92–94.

НАУКА

26 01 / Ноябрь 2010

оперативный ток

Авторы:

к.т.н. Галкин И.А.,

к.т.н. Шаварин Н.И.,

Иванов А.Б.

ООО НПП «ЭКРА»,

г.Чебоксары

Реле КОнтРОля уРОвня

СОпРОтИвленИя ИзОляцИИ

пОлюСОв Сетей пОСтОяннОгО

тОКА типа РКИ-Э

Содержится анализ связи параметров сети оперативного постоянного тока и ложным

срабатыванием устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА).

Приведена структурная схема реле контроля изоляции сетей постоянного тока

ООО НПП «ЭКРА» типа РКИ-Э, позволяющего совместную работу со стандартной

схемой контроля изоляции. Приведены основные технические данные реле РКИ-Э.

Для контроля уровней сопротивлений изо-

ляции полюсов сети оперативного постоянного то-

ка (СОПТ) в случаях, когда не требуется определять

соп ротивления изоляции отдельных присоедине-

ний, часто применяется стандартная схема контро-

ля изоляции на основе Т-образного моста, два плеча

которого составляют резисторы с сопротивлением

1 кОм и потенциометр П2ДС, а третье плечо – элек-

тромеханическое реле постоянного напряжения

типа РН-51/32. Однако данная схема обладает малой

чувствительностью и не позволяет определить в ав-

томатическом режиме сопротивление при симме-

тричном ухудшении изоляции [1]. Также нашли при-

менения полупроводниковые устройства контроля

изоляции УКИ-2, УКИ-3 и УКИ-М, а в последнее время

микропроцессорные реле контроля изоляции IR125, 

IR145, IR425 (фирма Bender), РКИ-2–300 (группа ком-

паний «Полигон»), РК-30 («Электросбыт») и т. д. Эти

устройства позволяют определить в автоматиче-

ском режиме как несимметричное, так и симме-

тричное ухудшения сопротивлений изоляции. Они

отличаются по характеристикам и принципам изме-

рения и обладают высокой чувствительностью. Ди-

апазон уставок определений сопротивлений изоля-

ций полюсов сети оперативного постоянного тока

относительно «земли» составляет 10…200 кОм, что

удовлетворяет современным требованиям. Вну-

треннее сопротивление полюсов этих реле относи-

тельно «земли» составляет 100…200 кОм.

Наличие схемы контроля изоляции может

явиться источником ложной работы устройств

релейной защиты [2], особенно в тех случаях, ког-

да устройство контроля изоляции инжектирует

в контролируемую сеть ток более 2 мА.

При использовании реле контроля изоля-

ции, например Bender, приходится исключать при-

менение стандартной схемы контроля изоляции

или других элементов, включенных между каждым

полюсом СОПТ и « зем лей», напри мер, выравниваю -

щих резисторов или вольтметров, так как они для

этого реле являются элементами с «поврежден-

ной изоляцией». Исключение из СОПТ стандартной

схемы контроля изоляции на основе Т-образного

моста или низкоомных выравнивающих резисто-

ров повышает вероятность ложного срабатывания

устройств релейной защиты и противоаварийной

автоматики (РЗА). Данное утверждение основыва-

ется на проведённом анализе схемы замещения

СОПТ (рис. 1), где R

Д+

и R

Д-

– сопротивление вырав-

нивающих резисторов, R

изол+

и R

изол-

– сопротив-

ление изоляции соответственно положительного

и отрицательного полюсов СОПТ относительно

«земли», С+ и С- – емкости полюсов соответственно

положительного и отрицательного полюсов СОПТ,

Rвх – сопротивление обмотки реле повторителя,

например, газовой защиты или входа платы дис-

кретных сигналов 2, 3 – сухие контакты.

До замыкания на «землю» входа платы дис-

кретных сигналов напряжение на положительном

полюсе сети относительно «земли»

= U

АБ

· (R

изол+

// R

Д+

) / ( R

изол+

// R

Д+

+ R

изол–

// R

Д–

напряжение на отрицательном полюсе сети отно-

сительно «земли»

–

= U

АБ

· (R

изол–

// R

Д–

) / ( R

изол+

// R

Д+

+ R

изол–

// R

Д–

где U

АБ

– напряжение на аккумуляторной батарее.

При этом напряжение на входе платы дискретных

сигналов U

вх

=0. При сопротивлении изоляции, на-

Ключевые слова:

сеть оперативного постоянного тока,

устройства релейной защиты и противоава-

рийной автоматики, реле контроля сопро-

тивлений изоляции.

галкин Игорь

Александрович – родил-

ся 23 июня 1952 года;

в 1974 году окончил

Чувашский государ-

ственный университет

им. И.Н.Ульянова, ка-

федра «Техника высоких

напряжений». В 1988 году

защитил кандидатскую

диссертацию на тему

«Индукторные системы

для магнитно-импульсной

обработки металлов»

в Омском политехниче-

ском институте, кандидат

технических наук;

инженер-конструктор

ООО НПП «ЭКРА».

НАУКА

научно-практическое издание

оперативный ток

пример, R

изол+

=100 кОм, R

изол–

≥10 МОм

и сопротивлении выравнивающих ре-

зисторов R

Д+

Д–

=200 кОм напряжения

=55 В, U

–

=165 В при напряжении на ак-

кумуляторной батарее U

АБ

=220 В.

Рис. 1. Схема замещения сети оперативного

постоянного тока, где 1 – аккумуляторная

батарея, 2 – реле повторителя, например,

газовой защиты или плата дискретных

сигналов РЗА, 3 – сухие контакты.

При замыкании на «землю» пла-

ты дискретных сигналов напряжение

на входе платы в момент замыкания

скачком увеличивается до значения

165 В, а затем с постоянной времени

t = 2 · C · (R

изол+

// R

Д+

// R

изол–

// R

Д–

// R

вх

)

уменьшается до величины

вх

= U

АБ

· ( R

изол–

// R

Д–

// R

вх

) / ( R

изол+

// R

Д+

изол–

// R

Д–

// R

вх

Например, при сопротивлении

вх

=50 кОм напряжение на входе платы

после завершения переходного процес-

са составит U

вх

=82 В. При емкости сети

С=10 мкФ постоянная времени составит

t=0,5 секунды, что достаточно для лож-

ного срабатывания РЗА. Очевидно, что

чем меньше величина выравнивающего

сопротивления, тем меньше величина

напряжения на дискретном входе при

замыкании его на «землю».

Рис. 2. Осциллограмма напряжений на

отрицательном полюсе сети (1)

и выходе (2) платы дискретных

сигналов при замыкании на «землю» при

изол+

=100 кОм , R

изол–

≥10 МОм,

д+

д–

=200 кОм, С=10 мкФ, U

АБ

=220 В.

На рис. 2 приведены осциллограм-

мы напряжений на отрицательном по-

люсе сети (1) и выходе (2) платы дискрет-

ных сигналов при замыкании на землю

входа платы для одного из случаев.

При сопротивлении выравни-

вающих резисторов R

д+

д–

=10 кОм

и тех же величин соп ротивлений изо-

ляции и напряжении аккумуляторной

батареи напряжение на входе платы

в момент замыкания составит 115 В,

что недостаточно для ложного сраба-

тывания платы дискретных сигналов.

Необходимо отметить, что стан-

дартная схема контроля изоляции об-

ладает малым (примерно 9 кОм) вну-

тренним сопротивлением каждого

полюса относительно «земли», поэтому

ее применение снижает вероятность

ложного срабатывания устройств ре-

лейной защиты и противоаварийной

автоматики РЗА в СОПТ.

В ООО НПП «ЭКРА» разработан

способ определения сопротивлений

изоляций сети постоянного тока с изо-

лированной нейтралью и устройство

для определения присоединений с по-

врежденной изоляцией [3], на основе

которого разработано реле контроля

изоляции РКИ-Э. Реле предназначено

для контроля уровня сопротивлений

изоляции полюсов сети оперативного

постоянного тока относительно «зем-

ли», определения полярности повреж-

денного полюса и выдачи выходного

сигнала при снижении сопротивле-

ния изоляции ниже допустимого зна-

чения и позволяет совместную работу

со стандартной схемой контроля со-

противлений изоляции СОПТ.

Структурная схема реле контро-

ля изоляций сетей постоянного то-

ка РКИ-Э, включенного в сеть опера-

тивного тока со стандартной схемой

контроля изоляции, пред ставлена

на рис. 3. На рисунке: 1, 2 – делители

напряжения; 3 – усилители; 4 – микро-

контроллер; 5 – датчик тока; 6 – пре-

образователь напряжения; 7 – элек-

тромагнитное выходное реле; 8, 9,

10 – управляемые ключи; 11 – пере-

ключатель; 12, 13 – светодиоды; R1, R2,

R3  и  K  –  стандартная  схема  контроля 

изоляции.

Рис. 3. Структурная схема реле контроля изо-

ляций сетей постоянного тока РКИ-Э,

включенного в сеть оперативного тока со

стандартной схемой контроля изоляции.

Работа реле РКИ-Э основана

на измерении напряжений на поло-

жительном U

и отрицательном U

–

по-

люсах сети постоянного тока отно-

сительно «земли» при поочередном

подключении к полюсам сети делите-

ля напряжения 2 с помощью управляе-

мых ключей 8 и 9. Одновременно с по-

мощью датчика тока 5 производится

измерение  токов  I

 и I

–

через прово-

дник, соединяющий реле и шину «РЕ»

при замыкании ключей 8 и 9 соответ-

ственно, а также измерение с помо-

щью делителя 1 напряжения U

между

полюсами сети постоянного тока.

Микроконтроллер произво-

дит определение знака поврежден-

ного полюса сети постоянного тока,

а также вычисление на основе изме-

ренных значений U

, U

–

, I

–

и U

пол-

ного сопротивления изоляции Rэкв

по формуле

экв

= (U

– U

–

) / |I

 – I

–

При снижении сопротивления

изоляции менее величины уставки,

задаваемой переключателем 11, ми-

кроконтроллер подает сигнал на за-

мыкание контактов выходного элек-

тромагнитного реле (замыкание клемм

11–14 и 21–24). Одновременно зажига-

ется светодиод на лицевой панели ре-

ле, указывающий полярность повреж-

денного полюса сети. Питание реле

осуществляется от клемм А1 и А2.

Отличительной особенностью

реле РКИ-Э является то, что элементы,

подключенные к клемме «КЕ», не яв-

ляются для реле элементами с «по-

врежденной» изоляцией.

НАУКА

28 01 / Ноябрь 2010

В тех случаях, когда существующая схема

контроля изоляции отсутствует, между каждым

полюсом сети оперативного тока и клеммой «КЕ»

необходимо включить резисторы сопротивлени-

ем 10 кОм С 5–35 В–50 Вт. Схема подключения реле

в этом случае приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема подключения реле РКИ-Э в случае отсутствия

стандартной схемы контроля изоляции.

Диаграмма работы реле РКИ-Э представле-

на на рис. 5. Временная задержка на включение

сигнализации при ухудшении изоляции состав-

ляет 5 секунд.

Рис. 5. Диаграмма работы реле РКИ-Э.

Основные технические данные

реле типа РКИ-Э

Напряжение питания ......... 170…250 В пост. тока

Напряжение контролируемой

сети постоянного тока ....................170…250 В

Диапазон уставок сопротивлений

изоляции полюсов сети

относительно «земли» ..................10…200 кОм

Погрешность уставки срабатывания,

не более ...........................................10 %

Потребляемая мощность по цепи питания ......1 Вт

Максимальное время цикла измерений ......10 сек.

Внутреннее сопротивление реле

между зажимами каждого полюса

и «землей» ...........................не более 30 кОм

Максимальная емкость полюсов

относительно «земли» ............не более 100 мкФ

Определение знака полюса

с пониженной изоляцией ........................есть

Количество и тип контактов

выходного реле ..................2 переключающих

Максимально коммутируемое

напряжение ..................................250 В АС

Максимальный коммутируемый ток

при активной нагрузке .............................5 А

Степень защиты реле:

•   по корпусу ...................................... IP40

•  по клеммам ..................................... IP20

Диапазон рабочих температур ............0° ÷ +55° С

Температура хранения. . . . . . . . . . . . . . . . . .–40° ÷ +60° С

Относительная влажность,

не более ................................ 80 % при 25° С

Максимальное напряжение между цепями

питания и контактами реле при частоте

напряжения 50 Гц в течение 1 мин. ...............2 кВ

Режим работы ...................... круглосуточный

Габаритные размеры .................100×115×45 мм

Масса .............................................0,5 кг

Реле выпус-

кается в унифици-

рованном пласт-

массовом корпусе

с передним присо-

единением прово-

дников. Крепление

о с у щ е с т в л я е т с я

на монтажную рейку

DIN EN 50022. Конструкция клемм обеспечивает 

надежный зажим проводов сечением до 2,5 мм

На лицевой панели реле расположены переклю-

чатель для задания уставки сопротивления изо-

ляции полюсов, индикаторы работы реле и по-

лярности поврежденного полюса сети.

Литература:

1. Беркович М.А., Семенов В.А. Основы техники и эксплуатации

релейной защиты. 3-е изд., доп. – М.: Госэнергоизд.,1960.-

480 с.: ил.

2. Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей.-

2-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат,1987.-368 с.: ил.

3. Патент РФ № 2381516. МПК G01 R27/18. Способ определе-

ния сопротивлений изоляции присоединений в сети по-

стоянного тока с изолированной нейтралью, устройство

для его осуществления и дифференциальный датчик для

его устройства/Алимов Ю. Н., Галкин И. А., Шаварин Н. И.

опубл. 10.02.2010 (приоритет от 16.07.2008).

шаварин николай

Иванович – родил-

ся 20 июня 1949 года;

в 1977 году окончил Чу-

вашский государственный

университет им. И.Н. Улья-

нова, кафедра «Электро-

привод и автоматизация

промышленных устано-

вок и технологических

комплексов». В 1987 году

защитил кандидатскую

диссертацию на тему

«Разработка цифровой

системы управления

тиристорным преобразо-

вателем» в Московском

энергетическом институте,

кандидат технических

наук; заведующий отделом

НКУ ООО НПП «ЭКРА».

Иванов Алексей

борисович – родил-

ся 14 июня 1985 года;

в 2007 году окончил

Чувашский государ-

ственный университет

им. И.Н. Ульянова,

кафедра «Вычислитель-

ные машины, комплек-

сы, системы и сети»,

инженер-программист

ООО НПП «ЭКРА».

оперативный ток