Патент на изобретение №2230415

(54) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ НУЛЕВОГО ПРОВОДНИКА В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ 0,4 КВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для защиты потребителей электрической энергии от перенапряжений, вызванных обрывом нулевого провода, и для обеспечения электро-, пожаро- и взрывобезопасности. Принцип действия предложенного устройства основан на использовании соотношения между токами в нулевом проводе и в заземлении нейтрали питающего трансформатора, которое зависит от физических параметров линии и количества повторных заземлителей на линии. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что оно содержит датчики тока, которые через вычислительный блок, блоки проверки симметрии и принятия решения соединены с исполнительным механизмом. Устройство позволяет определить обрыв нулевого проводника в любой точке сети, не внося при этом изменений в режим работы сети и не ухудшая качество электроэнергии. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам контроля непрерывности нулевого проводника, и может быть использовано для защиты потребителей электрической энергии от перенапряжений, вызванных обрывом нулевого провода и обеспечения электро-, пожаро- и взрывобезопасности.

Обеспечение непрерывности нулевого проводника предполагает постоянный контроль за его состоянием и параметрами и, в случае аварии, отключение питающего трансформатора. В настоящее время применительно к сетям 0,4 кВ это достигается путем определения сопротивления петли фаза-нуль. Кроме того, существуют устройства, использующие наложение на ток сети оперативного тока и предназначенные для контроля зануления конкретной электрической установки. Следует отметить, что измерение сопротивления петли фаза-нуль не позволяет точно определить, чем вызвано увеличение суммарного сопротивления петли фаза-нуль: обрывом нуля или недопустимым увеличением сопротивления фазных проводов. Устройства же, работающие на оперативном токе, позволяют контролировать непрерывность лишь одного участка цепи зануления, а кроме того, ухудшают качество электроэнергии.

Известно устройство автоматического контроля исправности цепи зануления. Оно содержит разделяющий трансформатор Т2, от вторичной обмотки которого питается трехфазный выпрямитель VS. В цепь стабилизации входят резисторы Rc, включенные последовательно с диодами выпрямителя и стабилитроном V, который подключен к общим точкам соединенных в звезду диодов и нейтрали вторичной обмотки трансформатора Т [1, стр. 58, рис. 5,21].

Подключение схемы обеспечивается присоединением первичной обмотки разделяющего трансформатора Т к фазным проводникам контролируемой сети и общей точки вторичной обмотки к зануленному корпусу электроприемника.

Стабилитрон V является источником стабилизированного оперативного напряжения U_oп. Оперативный постоянный ток в схеме проходит по цепи: плюс источника питания – реле К – кнопка S1 – корпус электроприемника – зануляющий проводник – нейтраль силового трансформатора Т1 – фазные провода сети – первичная обмотка трансформатора Т2 – минус источника питания.

При исправном занулении (сопротивление цепи зануления R_зан 0) ток в реле К наибольший, якорь и контакты реле притянуты. При недопустимом увеличении сопротивления цепи зануления реле К срабатывает и переключает контакты К1 и К2 в цепях сигнализации и защиты.

Недостатками этого устройства являются:

– ограниченность зоны контроля, а именно только контроль исправности присоединения зануления установки к магистрали зануления, поскольку при обрыве магистрали зануления за электроустановкой устройство срабатывать не будет;

– ухудшение качества электроэнергии в данной сети за счет наложения постоянного оперативного тока.

Известно также устройство контроля непрерывности цепи зануления коммунально-бытовых установок, которое одновременно измеряет сопротивление нулевого защитного проводника и контролирует непрерывность цепи заземления нейтрали питающего трансформатора. Устройство содержит следующие элементы [2, стр. 60, рис. 1]:

r₀ – сопротивление заземления нейтрали; r_п – сопротивление шунта; r_ш -повторное заземление; ИБ – измерительный блок; ИОТ – источник оперативного тока, НЗП – нулевой защитный проводник; БК – блок контроля цепи заземления нейтрали.

Устройство работает следующим образом. По цепи ИОТ – r_ш – НЗП – r_п – ИОТ протекает постоянный оперативный ток, падение напряжения которого на r_ш измеряется и сравнивается с уставкой блока ИБ. При целостности нулевого защитного проводника (НЗП) падение напряжения на r_ш превышает уставку и измерительный блок сигнализирует о целостности НЗП.

При обрыве НЗП падение напряжения на r_ш уменьшается практически до нуля. Блок ИБ подает сигнал на отключение питающего трансформатора и одновременно выдает аварийный сигнал.

Недостатками этого устройства являются:

– увеличение сопротивления магистрали зануления из-за включения в рассечку НЗП шунта r_ш;

– ухудшение качества электроэнергии в данной сети за счет наложения постоянного оперативного тока.

– ухудшение нормальной работы заземления нейтрали питающего трансформатора из-за наличия диода VD.

В основу изобретения положена техническая задача обеспечения автоматического контроля непрерывности нулевого проводника в любой точке сети без ухудшения качества электроэнергии.

Указанная задача решается тем, что в устройство контроля непрерывности нулевого проводника в воздушных линиях 0,4 кВ, содержащее измерительные датчики тока и исполнительный механизм, согласно изобретению введены вычислительный блок, блок проверки симметрии и блок принятия решения, при этом один из измерительных датчиков подключен своим входом к источнику входного сигнала, которым является ток в нулевом проводе в начале линии, а его выход подключен к одному из входов блока проверки симметрии и входу вычислительного блока, выход которого подключен к одному из входов блока принятия решения, другой измерительный датчик подключен своим входом к источнику входного сигнала, которым является ток в заземлении нейтрали трансформатора, а его выход подключен ко второму входу блока проверки симметрии и одному из входов блока принятия решения, выход блока проверки симметрии подключен к третьему входу блока принятия решения, выход которого подключен к входу исполнительного механизма.

Особенностью заявляемого устройства является то, что его принцип действия основан на измерении и использовании соотношения между токами в нулевом проводе и в заземлении нейтрали трансформатора. В нормальном режиме работы сети между током в нулевом проводе в начале линии и током в заземлении нейтрали трансформатора существует определенное соотношение, зависящее от физических параметров сети, которое может быть рассчитано для каждой конкретной сети. Следовательно, зная ток в нулевом проводе в начале линии, можно вычислить ток в заземлении нейтрали трансформатора, причем расчетное значение этого тока должно совпадать с измеренным. При обрыве нулевого проводника соотношение между токами резко изменяется. Если значение тока в заземлении нейтрали трансформатора, вычисленное в вычислительном блоке, отличается от измеренного значения, блок принятия решения генерирует сигнал на отключение, подаваемый на исполнительный механизм. Блок проверки симметрии предотвращает ложные срабатывания устройства в случае симметричной нагрузки потребителей, когда возможно нарушение соотношения между токами в нулевом проводнике в начале линии и в заземлении нейтрали трансформатора.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана структурная схема устройства контроля непрерывности нулевого проводника в воздушных линиях 0,4 кВ, на фиг.2 – схема замещения участка сети и организация измерений.

Устройство содержит измерительные датчики тока 1 и 2, блок проверки симметрии 3, предотвращающий ложные срабатывания устройства при симметричной нагрузке у потребителя, вычислительный блок 4, в котором по значению тока в нулевом проводе в начале линии I₀₁ вычисляется значение тока в заземлении нейтрали питающего трансформатора I_з.выч, которое затем сравнивается с измеренным значением того же тока I_з, блок принятия решения 5, который на основании этого сравнения при значительном расхождении, величина которого определяется погрешностью измерений, расчетов и выбранной уставкой срабатывания генерирует сигнал на отключение питающего трансформатора, который подается на исполнительный механизм 6.

Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети в нулевом проводе в начале линии протекает ток ₀₁; в заземлении нейтрали трансформатора протекает ток I_з (фиг. 2). По измеренному с помощью датчика 1 значению тока ₀₁ блок 4 вычисляет расчетное значение тока I_з, которое в блоке 5 сравнивается с измеренным, полученным с помощью датчика 2. В случае несовпадения расчетного и измеренного значений I_з, блок 5 генерирует сигнал на отключение питающего трансформатора, который подается на исполнительный механизм 6.

Ниже приведено теоретическое обоснование того, что существует вполне определенная взаимосвязь между током в нулевом проводе в начале линии и током в заземлении нейтрали трансформатора. Рассмотрена воздушная линия 0,4 кВ с нагрузкой, сосредоточенной в конце линии (фиг. 2). На схеме приняты следующие обозначения: r₀ – сопротивление заземления нейтрали; R_П – сопротивление повторного заземления нулевого провода; R – сопротивление участка нулевого провода между повторными заземлителями; Z_Н – сопротивление нагрузки.

Напряжение в узле 0 относительно земли

Зная ток I₀₁ в нулевом проводе в начале линии, определяем напряжение в узле 1 относительно земли:

После чего определяем ток в R_n, повторном заземлителе (ПЗ), подключенном к узлу 1:

Ток в нулевом проводе I₀₂ между узлами 1 и 2 можно определить как сумму тока в нулевом проводе в начале линии I₀₁ и тока I_з1 в ПЗ, подключенном к узлу 1:

Аналогично, зная напряжение U₁ в узле 1 и ток I₀₂ между узлами 1 и 2, находим напряжение в узле 2 относительно земли:

U₂=U₁+I₀₂ R.

Ток в ПЗ, подключенном в узле 2:

Ток в нулевом проводе I₀₃ между узлами 2 и 3:

I₀₃=I₀₂+I_з2.

Для n-го узла сети, содержащей n-е количество ПЗ, можно записать:

U_n=U_n-1+I_0n R,

Поскольку

I_з=I_з1+I_з2+… +I_зn,

то отсюда следует, что

I_з=k I₀₁.

Следовательно, ток в заземлении нейтрали питающего трансформатора и ток в нулевом проводе в начале линии связаны коэффициентом пропорциональности k, который зависит от физических параметров сети (в частности, сопротивления заземления нейтрали, сопротивлений участков нулевого провода между ПЗ и сопротивлений самих ПЗ), а также от количества ПЗ на линии.

Один из вариантов исполнения устройства описан ниже. В качестве датчиков тока 1,2 возможно использование измерительных трансформаторов тока с соответствующим пределом измерений; в качестве вычислительного блока 4 возможно использование операционного усилителя с фиксированным коэффициентом усиления; в качестве блока проверки симметрии 3 возможно применение логического элемента 2 И-НЕ, сигнал высокого уровня на выходе которого появляется в случае отсутствия сигналов на его входах (симметрия нагрузки). В качестве блока принятия решения 5 возможно использование компаратора, который срабатывает при превышении измеренным током I₃ расчетного значения. В качестве исполнительного механизма 6 возможно использование магнитного пускателя соответствующей величины.

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано для организации контроля непрерывности нулевого проводника воздушных линий электропередачи 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью. Практика эксплуатации таких воздушных линий показала, что основными причинами обрыва нулевого провода являются:

– длительное однофазное короткое замыкание в конце длинной линии, приводящее к отгоранию нулевого провода в местах контактных соединений;

– постепенное электроэрозионное разрушение нулевого провода при схлестывании с фазным в местах наибольшей стрелы провеса.

При несимметрии нагрузки обрыв нулевого провода приводит к появлению у потребителей значительных перенапряжений в наименее нагруженных фазах, что приведет к массовому выходу из строя оборудования потребителей и возникновению электро-, пожаро- и взрывоопасных ситуаций. Применение изобретенного устройства позволит избежать негативных последствий обрыва нулевого провода, своевременно отключив от линии питающий трансформатор.

Источники информации

1. Безопасность жизнедеятельности: конспект лекций/ Сидоров А.И., Бухтояров В.Ф., Леухина Л.И. и др. – Челябинск: ЧГТУ, 1997. – 4.VI. – 239 с.

Формула изобретения

Устройство контроля непрерывности нулевого проводника в воздушных линиях 0,4 кВ, содержащее измерительные датчики тока и исполнительный механизм, отличающееся тем, что в него введены вычислительный блок, блок проверки симметрии и блок принятия решения, при этом один из измерительных датчиков подключен своим входом к источнику входного сигнала, которым является ток в нулевом проводе в начале линии, а его выход подключен к одному из входов блока проверки симметрии и входу вычислительного блока, выход которого подключен к одному из входов блока принятия решения, другой измерительный датчик подключен своим входом к источнику входного сигнала, которым является ток в заземлении нейтрали трансформатора, а его выход подключен ко второму входу блока проверки симметрии и одному из входов блока принятия решения, выход блока проверки симметрии подключен к третьему входу блока принятия решения, выход которого подключен к входу исполнительного механизма.

РИСУНКИ