Способ контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока от замыканий на землю в одной точке

 

Использование: для контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока, находящейся под напряжением, от замыканий на землю в одной точке. Технический результат заключается в повышении быстродействия и надежности контроля. Способ основан на анализе разницы напряжений относительно земли, измеренных в различные моменты времени на полюсах сети при подключении к ним дополнительного источника напряжения специальной формы через одинаковые добавочные сопротивления по мостовой схеме, и на контроле разницы токов в ветви этого источника. По полученной разнице измеренных значений оценивают эквивалентное сопротивление изоляции относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, формируют предупреждающий или управляющий сигнал на отключение сети либо замену ее резервной. Одновременно по измеренным значениям определяют сопротивление изоляции каждого полюса сети, определяют поврежденный элемент сети и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе. Способ позволяет непрерывно контролировать сопротивление изоляции сети в нормальных условиях, выявлять замыкания на землю в любой точке защищаемой сети без зон нечувствительности, определять характер и места повреждения в аварийных ситуациях. 3 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока, находящейся под напряжением, от замыканий на землю в одной точке.

Известен способ защиты сети постоянного тока от замыканий на землю в одной точке, заключающийся в том, что к полюсам сети постоянного тока через одинаковые добавочные сопротивления подключают реагирующий орган, образуемый измерительным прибором и токовым сигнальным реле [1], через который в случае неравенства сопротивлений изоляции полюсов сети постоянного тока относительно земли протекает ток, измеряют его значение и сравнивают с предельно допустимым. Если ток через реагирующий орган превышает допустимое значение, то формируют предупреждающий сигнал либо управляющий сигнал на отключение сети постоянного тока или замену ее резервной. Для оценки снижения сопротивления изоляции полюсов предварительно шунтируют сигнальное реле, а затем измеряют ток в диагонали моста при разорванном плече с одним из добавочных сопротивлений. Этот способ не позволяет получить высокую точность контроля, так как нечувствителен к симметричному снижению сопротивлений изоляции полюсов, а при использовании его для защиты цепей возбуждения генератора имеет мертвую зону при возникновении повреждений в средней части цепей ротора. Способ не позволяет осуществлять непрерывный контроль сопротивления изоляции полюсов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения эквивалентного сопротивления изоляции электрической цепи постоянного тока [2], при котором периодически и поочередно с помощью высоковольтного коммутатора на основе электронных ключей шунтируют добавочным сопротивлением определенного значения полюса контролируемой цепи и измеряют напряжение на каждом полюсе сети в установившемся режиме, усредняют измеряемые напряжения и вычисляют эквивалентное сопротивление изоляции сети постоянного тока по формуле: где R₁ и R₂ - активные сопротивления изоляции соответственно отрицательного и положительного полюсов сети относительно земли; U₁ ⁺, U₁ ^- - усредненные напряжения соответственно положительного и отрицательного полюсов при шунтировании положительного полюса сети добавочным сопротивлением R_ш; U₂ ⁺, U₂ ^- - усредненные напряжения полюсов при шунтировании добавочным сопротивлением R_ш отрицательного полюса сети.

Известный способ имеет недостатки. При его использовании быстродействие и точностные характеристики устройства зависят от длительности протекания переходных процессов в контролируемой цепи, возникающих при работе коммутатора, и от промежутка времени между замерами напряжений в различных режимах работы сети, обусловленных периодическим подключением к ее полюсам R_ш. Существенным недостатком прототипа является необходимость применения высоковольтных полупроводниковых ключей, к которым предъявляются повышенные требования по допустимым напряжениям, что усложняет и удорожает схему, понижает ее надежность. Способ не позволяет определять поврежденный элемент сети.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить быстродействие и надежность работы системы контроля и защиты, точностные характеристики способа в целом и расширить функциональные возможности по отысканию поврежденного элемента.

Это достигается тем, что в заявляемом способе к полюсам сети постоянного тока через одинаковые добавочные сопротивления подключают дополнительный источник напряжения прямоугольной формы, измеряют установившиеся значения напряжений полюсов сети относительно земли и тока в ветви дополнительного источника в первом и втором полупериодах его работы, по ним определяют эквивалентное сопротивление изоляции полюсов относительно земли в соответствии с формулами, приведенными в описании работы устройства для реализации предлагаемого способа, и формируют информационный сигнал, отображающий состояние изоляции, одновременно сравнивают полученное значение с допустимым и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют предупреждающий либо управляющий сигнал на отключение сети или замену ее резервной; дополнительно по измеренным значениям находят сопротивление изоляции каждого полюса сети по представленным в описании работы устройства выражениям, определяют элемент с ослабленной изоляцией и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе.

Сопоставительный анализ технических решений показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что добавочные сопротивления, подключаемые к полюсам, составляют 2 плеча образованной мостовой схемы, два других плеча составляют контролируемые сопротивления изоляции полюсов, к одной диагонали приложено напряжение сети, а в другую включен дополнительный источник напряжения прямоугольной формы. Благодаря этому не требуется коммутирующего устройства для создания разных режимов работы сети и поэтому отпадает необходимость в высоковольтных полупроводниковых ключах, что приводит к удешевлению и упрощению схемы, повышает ее надежность, ускоряет процесс контроля.

Кроме того, повышение быстродействия обеспечивается тем, что применение нового схемного решения устройства приводит к снижению постоянной времени системы Т в два раза по сравнению с прототипом: где R_д - добавочное сопротивление, вводимое в схему по условиям измерений; С_эк - эквивалентная емкость цепей возбуждения относительно земли, причем С_эк=С₁+С₂, где С₁ и С₂ - емкость отрицательного и положительного полюсов сети относительно земли. Значение постоянной времени для схемы прототипа:

Это в свою очередь позволяет существенно снизить длительность цикла измерений. Так, например, приняв интервал времени между измерениями равным трем постоянным времени протекания переходных процессов, при котором чаще всего обеспечиваются необходимые точностные характеристики, длительность цикла измерений для прототипа может быть определена следующим образом: t_ц.изм. = 2•3Т ≈ 6•R_дС_эк. В заявляемом способе при выборе такого же R_д требуется в два раза меньше времени для получения достаточной информации для расчета неизвестного эквивалентного сопротивления изоляции: t_{ц.изм.пр.} = 2•3Т ≈ 3•R_дС_эк.

Возможность расчета сопротивления изоляции отдельно каждого полюса контролируемой цепи обеспечивает способность определять поврежденный элемент сети, чего лишено известное решение.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока от замыканий на землю в одной точке, в котором реализован заявляемый способ; на фиг.2 показаны осциллограммы напряжений положительного и отрицательного полюсов сети относительно земли в стационарном режиме при одинаковых сопротивлениях изоляции полюсов; на фиг.3 показаны осциллограммы напряжений полюсов при ослабленной изоляции отрицательного полюса и процесс возникновения металлического замыкания на землю отрицательного полюса сети; на фиг.4 показаны осциллограммы напряжений полюсов при ослабленной изоляции положительного полюса и процесс возникновения металлического замыкания на землю положительного полюса сети.

Схема устройства, включающая схему замещения объектов контроля (фиг.1), содержит: источник оперативного напряжения сети U_с, параметры изоляции сети, представленные в виде сосредоточенных и приведенных к полюсам активных сопротивлений R1 и R2 и емкостей С1 и С2, добавочные сопротивления Rд, подключенные одними выводами к полюсам сети, а вторыми - к одному из двух выводов источника напряжения прямоугольной формы U_и, другой вывод которого через преобразователь тока 1 соединен с землей; входные преобразователи напряжения 2 и 3, подключенные к положительному и отрицательному полюсам сети соответственно; вычислительный модуль 4, три входа которого подключены к выходам преобразователей 1, 2 и 3. Вычислительный модуль 4 содержит: частотный фильтр 5, три входа которого соединены со входами вычислительного модуля, а выход соединен с первыми входами блоков выборки и хранения 6 и 7; блок 8 определения разности входных величин, два входа которого подключены к выходам блоков 6 и 7; блок 9 определения эквивалентного активного сопротивления изоляции, вход которого подключен к выходу блока 8, а выход соединен с блоком 11 индикации контролируемого сопротивления и первым входом компаратора 10, на второй вход которого в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; блок 12 определения сопротивлений изоляции полюсов R₁ и R₂, подключенный входом к выходу блока 8; блок 13 определения поврежденного элемента, соединенный с выходом блока 12; компаратор 14, один вход которого связан с выходом блока 8, а на два других входа в определенном масштабе подаются допустимые значения напряжения и тока; блок 15 управления, на вход которого подаются импульсы от дополнительного источника напряжения прямоугольной формы U_и, а два выхода соединены со вторыми входами блоков 6 и 7.

Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ защиты сети, работает следующим образом (фиг.1).

Дополнительный источник напряжения прямоугольной формы обеспечивает специальную форму напряжения относительно земли на полюсах сети, к которым он подключается (фиг.2), и тока в диагонали моста. Использование указанного источника наиболее простым способом обеспечивает требуемое изменение параметров схемы и позволяющим благодаря этому получить легко решаемые системы линейно-независимых уравнений, связывающих неизвестные параметры элементов цепи и электрические величины, доступные измерению.

Установившиеся значения напряжений положительного полюса сети в 1 и 2 полупериодах работы вышеупомянутого источника ₁ ⁺ и U₂ ⁺ определяются суммой составляющих, обусловленных действием U_с и U_u:


где U_u1 и U_u2 - напряжение дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы.

Установившиеся значения напряжений отрицательного полюса сети в 1 и 2 полупериодах работы вышеупомянутого источника ₁ ^- и U₂ ^- определяются разностью составляющих, обусловленных действием U_с и U_u:


Ток в диагонали моста в первом и втором полупериодах работы дополнительного источника напряжения прямоугольной формы:


С помощью преобразователей 1, 2 и 3 осуществляют преобразование и масштабирование входного тока в ветви дополнительного источника и напряжений полюсов в сигналы, удобные для последующей обработки в вычислительном модуле 4. В практических условиях достаточно контролировать одну из отмеченных электрических величин: напряжение положительного полюса сети относительно земли, напряжение отрицательного полюса сети относительно земли, ток в ветви дополнительного источника напряжения прямоугольной формы.

Вычислительный модуль 4 может быть реализован как в аналоговом исполнении, так и в цифровом с использованием микропроцессорных средств.

С помощью частотного фильтра 5 вычислительного модуля обеспечивают получение усредненных значений входных величин. Это позволяет использовать устройство в цепях постоянного тока, характеризующихся большим уровнем гармоник в напряжении, например, в тиристорных системах возбуждения генераторов.

В блоках выборки и хранения 6 и 7 осуществляют запоминание установившегося значения одного из полупериодов в моменты времени, задаваемые управляющими сигналами, формируемыми блоком 15. Интервал времени между управляющими импульсами выбирается в зависимости от необходимой точности контроля. При выборе его равным трем постоянным времени протекания переходных процессов, обусловленных перезарядом конденсаторов, имеющихся в схеме замещения сети, при переключении вышеназванного источника с одного уровня напряжения на другой, интервал времени между измерениями: t_изм. = t_имп. = 3T ≈ 1.5•R_dС_эк. Учитывая, что цикл измерений состоит из двух этапов, требуемая длительность цикла измерений: t_ц.изм. = 2•t_изм. Это обеспечивается настройкой дополнительного источника напряжения прямоугольной формы на частоту, обратно пропорциональную длительности цикла измерений: f=1/t_ц.изм.=1/3•R_dС_эк.

В блоке 8 определяют разность измеренных значений:
ΔU⁺ = U⁺₁-U⁺₂; ΔU^- = U^-₁-U^-₂ и ΔI = I₁-I₂,
по которой с помощью блока 9 вычисляют эквивалентное активное сопротивление изоляции полюсов сети относительно земли

в соответствии с любым из выражений, получаемых из приведенных выше систем уравнений:



Выходной сигнал блока 9 подают на индикатор 11, с помощью которого отображают текущее значение эквивалентного сопротивления изоляции сети, а также на вход компаратора 10, в котором сопротивление изоляции сравнивают с предельно допустимым значением R_эк.min. Если сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируют соответствующий предупредительный и управляющий сигналы.

С помощью блока 12 вычисляют сопротивления изоляции относительно земли каждого полюса сети по любой из приводимых ниже групп уравнений в зависимости от электрической величины, выбранной для измерений:






По ним в блоке 13 определяют элемент сети с ослабленной изоляцией и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе.

С целью упрощения схемы и повышения ее надежности при использовании способа для защиты, не требующей регистрации параметров изоляции (эквивалентного сопротивления), полученную в блоке 8 разность напряжений того или иного полюса или разность токов подают на один из входов компаратора 14, в котором ее абсолютное значение сравнивают с допустимым. Если абсолютное значение разности напряжений полюсов |ΔU^-| или |ΔU⁺| оказывается меньше допустимого U_доп или абсолютное значение разности токов |ΔI| оказывается больше I_доп, то формируют предупредительный и управляющий сигналы на отключение сети или замену ее резервной. U_доп и I_доп задают исходя из значения минимально допустимого эквивалентного сопротивления изоляции сети R_эк.min в соответствии со следующими выражениями:


Применение предлагаемого способа защиты позволяет существенно расширить функциональные возможности технических средств, выявляющих замыкания на землю в одной точке сетей постоянного тока. Этот способ дает возможность осуществлять непрерывно текущий контроль изоляции сетей постоянного тока без зон нечувствительности и определять место повреждения в случае возникновения дефекта. Сокращение продолжительности измерений повышает точность контроля изоляции защищаемой сети. Благодаря этим новым свойствам сокращается длительность вынужденных отключений защищаемой сети для ремонта, снижаются ремонтно-эксплуатационные расходы, повышается надежность работы сети в целом и снижается вероятность аварий с катастрофическими последствиями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электрическая часть электростанций. Под ред. Усова С.В. - Л.: Энергия, 1977. - 556 с.

2. Авторское свидетельство СССР 1569745, кл. G 01 R 27/18, 1990 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Способ контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока, находящейся под напряжением, от замыканий на землю в одной точке, в соответствии с которым создают разные режимы работы сети постоянного тока благодаря подключению к ней добавочного сопротивления, измеряют установившиеся значения напряжения на полюсах сети относительно земли в этих режимах, по измеренным значениям определяют эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли, отличающийся тем, что к полюсам сети постоянного тока через одинаковые добавочные сопротивления подключают дополнительный источник напряжения прямоугольной формы, соединенный отрицательным полюсом с землей, производят измерения установившихся значений напряжения на полюсах сети относительно земли и тока в ветви дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы, в связи с чем частоту смены импульсов указанного источника выбирают следующим образом:

определяют эквивалентное сопротивление изоляции полюсов относительно земли по любому из приводимых ниже уравнений:



формируют информационный сигнал, отображающий состояние изоляции, одновременно сравнивают полученное значение с допустимым и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют предупреждающий либо управляющий сигнал на отключение сети или замену ее резервной, дополнительно находят сопротивление изоляции каждого полюса сети по любой из приводимых далее групп уравнений:






в соответствии с которыми определяют элемент с ослабленной изоляцией и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе,
где R_d - добавочное сопротивление, вводимое в схему по условиям измерений;
С_эк = С₁ + С₂ - эквивалентная емкость сети постоянного тока относительно земли;
С₁, С₂ - сосредоточенные и приведенные к полюсам емкости соответственно отрицательного и положительного полюсов сети относительно земли;
f - частота смены импульсов дополнительного источника напряжения прямоугольной формы;
- эквивалентное активное сопротивление изоляции сети постоянного тока относительно земли;
R₁, R₂ - сосредоточенные и приведенные к полюсам активные сопротивления изоляции соответственно отрицательного и положительного полюсов сети относительно земли;
U_u1, U_u2 - уровни напряжения дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы;
U₁ ⁺, U₂ ⁺ - установившиеся значения напряжения на положительном полюсе сети относительно земли в первом и втором полупериодах работы дополнительного источника напряжения прямоугольной формы;
U₁ ^-, U₂ ^- - установившиеся значения напряжения на отрицательном полюсе сети относительно земли в первом и втором полупериодах работы дополнительного источника напряжения прямоугольной формы;
I₁, I₂ - установившиеся значения тока в ветви дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы.

2. Способ контроля сопротивления изоляции и зашиты сети постоянного тока, находящейся под напряжением, от замыканий на землю в одной точке, в соответствии с которым создают разные режимы работы сети благодаря подключению к ней добавочного сопротивления, измеряют установившиеся значения напряжения на полюсах сети относительно земли в этих режимах, по измеренным значениям определяют эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли, отличающийся тем, что к полюсам сети постоянного тока через одинаковые добавочные сопротивления подключают дополнительный источник напряжения прямоугольной формы, соединенный отрицательным полюсом с землей, производят измерения установившихся значений напряжения на полюсах сети относительно земли и тока в ветви включения дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы, определяют разность напряжений, измеренных на том или ином полюсе в каждом полупериоде работы указанного источника, сравнивают ее абсолютное значение с допустимым и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют предупреждающий или управляющий сигнал на отключение сети или замену ее резервной, одновременно определяют эквивалентное сопротивление изоляции полюсов сети относительно земли и формируют информационный сигнал, отображающий состояние изоляции, дополнительно находят сопротивление изоляции каждого полюса сети и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе.

3. Способ контроля сопротивления изоляции и защиты сети постоянного тока, находящейся под напряжением, от замыканий на землю в одной точке, в соответствии с которым создают разные режимы работы сети благодаря подключению к ней добавочного сопротивления, измеряют установившиеся значения напряжения на полюсах сети относительно земли в этих режимах, по измеренным значениям определяют эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли, отличающийся тем, что к полюсам сети постоянного тока через одинаковые добавочные сопротивления подключают дополнительный источник напряжения прямоугольной формы, соединенный отрицательным полюсом с землей, производят измерения установившихся значений напряжения на полюсах сети относительно земли и тока в ветви включения дополнительного источника напряжения прямоугольной формы в первом и втором полупериодах его работы, определяют разность токов, измеренных в ветви включения указанного источника в каждом полупериоде его работы, сравнивают абсолютное значение разности токов с допустимым и, если оно оказывается больше допустимого, то формируют предупреждающий или управляющий сигнал на отключение сети или замену ее резервной, одновременно определяют эквивалентное сопротивление изоляции полюсов относительно земли и формируют информационный сигнал, отображающий состояние изоляции, дополнительно находят сопротивление изоляции каждого полюса сети, определяют элемент с ослабленной изоляцией и формируют информационный сигнал о поврежденном элементе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4