Воздушные распределительные сети 6 – 35 кВ работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Значение токов замыкания на землю в этих сетях относительно не велики и во многих случаях на один или даже два порядка меньше токов нагрузки.
Для воздушных сетей 6 –35 кВ с изолированной нейтралью значение тока замыкания на землю при замыкании без переходного сопротивления может быть ориентировочно определено по эмпирической формуле [19]
Ic=2.7*lc*U*л*10-3 (2.1)
где Iс – ток замыкания, А;
Uл* - линейное напряжение, кВ;
lc – суммарная длина линии сети, км.
В компенсированных сетях ток замыкания на землю зависит, кроме того, от степени компенсации ёмкостного тока. Для этих сетей характерна так же сложная древовидная конфигурация линий.
Указанная особенность сетей 6 – 35 кВ практически исчезает возможность применения для них методов и средств определения мест однофазных замыканий на землю, используемых в сетях более высокого напряжения. В связи с этим в воздушных линиях 6 –35 кВ получили распространение переносные приборы, которые позволяют путём ряда последовательных измерений в разных точках определить место повреждения.
Известные методы и приборы для отыскания места однофазного замыкания на землю [1,2] в воздушных распределительных сетях основан на использовании процессов и явлений, происходящих в сетях при этом виде повреждений. При замыкании на землю как в повреждённой, так и в неповреждённых линиях определяется при прочих одинаковых условиях: ёмкостью проводов каждой линии по отношению к земле. В повреждённой линии от шин подстанции к месту замыкания протекает суммарный ток нулевой последовательности неповреждённых линий. Направление тока в повреждённой линии противоположно направлению токов в неповреждённой линии. Замыкание на землю вызывает искажение системы фазных напряжений. Токи нулевой последовательности, кроме основной составляющей 50 Гц, содержат составляющие высших гармоник. Основными источниками высших гармоник являются генераторы,э.д.с. которых не чисто синусоидальная, а так же силовые трансформаторы и токоприёмники, имеющие не линейную характеристику.
При замыкании на землю в сети гармонический состав тока нулевой последовательности непосредственной линии определяется гармоническим составом напряжения нулевой последовательности и параметрами данной линии. Гармонический состав тока повреждённой линии представляет собой сумму гармонических составляющих токов неповреждённой линии. В компенсированных сетях к высшим гармоникам тока нулевой последовательности повреждённого присоединения добавляются высшие гармонические составляющие тока дугогосящей катушки.
Контроль тока нулевой последовательности в линиях сети осуществляется переносными приборами путём измерения магнитного поля вблизи линии с помощью встроенных в прибор магнитных датчиков, представляющих собой индуктивную катушку с разомкнутым ферромагнитным сердечником. Контроль напряжения сети осуществляется путём измерения электрического поля с помощью штыревой антенны.
По измеряемым составляющим тока и напряжения переносные приборы делятся на две группы: приборы, работающие на частоте 50 Гц, и приборы, работающие на высших гармонических составляющих. Каждая группа в свою очередь включается как токовые, так и направленные приборы. Токовые приборы используются для сравнительной оценки токов нулевой последовательности в линиях и участках сети при замыкании на землю. Направленные приборы дают возможность определить направление протекания токов.
При применении токовых приборов в результате сравнительной оценки уровня соответствующих составляющих токов нулевой последовательности определяется повреждённая линия, показания прибора, для которой максимальны; затем по максимальным показаниям прибора на повреждённой линии определяется повреждённое ответвление и место повреждения, за которым показания прибора резко снижаются.
Направленные приборы позволяют по показаниям индикатора определить направление к месту повреждения в точке сети, если значение соответствующей составляющей тока нулевой последовательности в данной точке сети достаточно для работы прибора. Это условие выполняется обычно на сравнительно коротких ответвлениях и кольцевых участках сети.
Применение приборов, использующих составляющие основной частоты, встречают трудности из–за влияния магнитного поля токов нагрузки, напряжённость которого сравнима с напряжённостью магнитного поля тока замыкания на землю.
Наличие вблизи линии компенсационного магнитного поля токов нагрузки объясняется несимметричным расположением проводов линии по отношению к точке расположения переносного прибора. Влияние магнитного поля токов нагрузки резко ограничивает область применения наиболее простых приборов на основной частоте. При токах замыкания на землю, составляющих менее 20% тока нагрузки, применение таких приборов практически невозможно.
Использование высших гармонических составляющих имеет то преимущество, что их относительный уровень в токе замыкания на землю по сравнению с уровнем в токе нагрузки тем выше, чем выше номер гармоники. Это объясняется ёмкостным характером сопротивления в контуре протекания тока замыкания на землю и в значительной степени индуктивным характером сопротивления в контуре протекания тока нагрузки. Поэтому при использовании высших гармонических составляющих влияние магнитного поля токов нагрузки существенно меньше. Замыкание на землю в большинстве случаев происходит через переходное сопротивление. В процессе протекания тока замыкания на землю значение этого сопротивления, как правило, не остаётся неизменным. Измерение переходного сопротивления, часто значительные, вызывают изменения уровня гармонических составляющих тока. Так как ёмкостное сопротивление в контуре прохождения тока замыкания на землю тем меньше, чем выше номер гармоники, влияние измерений переходного сопротивления на изменение уровня высших гармоник тем больше, чем выше номер гармоники. Таким образом, хотя более высокие гармоники дают возможность лучшей отстройки от влияния токов нагрузки, нестабильность их уровня в следствии измерения переходного сопротивления затрудняет работу с прибором, использующим более высокие гармоники.
Наиболее распространённым в энергосистемах является серийно выпускаемые приборы “Поиск-1” и “Волна”. Серийный выпуск прибора “Поиск-1” освоен Мытищенским электромеханическим заводом, он работает как универсальный прибор и имеет фиксированную настройку на 5,7,11 и 13-ю гармоники и возможность работы в полосе частот. Рекомендуется преимущественное использование 5-й гармоники. Основным недостатком является относительно большие размеры и масса.
Усовершенствованный прибор “Волна” имеет лучшую селективность, более высокую чувствительность, меньшие габариты и всё.
Общими ко всем переносным приборам для определения места замыкания в сети является следующие требования.
Прибор должен иметь достаточно высокую чувствительность, обеспечивать определения места замыкания на землю в сетях малой протяжённости (не более 20 км), позволять производить контроль наличия замыкания в сети в процессе поиска повреждения. Прибор должен обеспечивать надёжное определение повреждений линии на подстанции, повреждённого ответвления и места повреждения на линии при значительных токах нагрузки (до 80-100 А).
Прибор должен быть универсальным, применимым как в сетях с изолированной, так и скомпенсированной нейтралью при любой конструкции линии, в широком диапазоне температур, от –40 до +40 °С. прибор должен быть лёгким и малогабаритным, надёжным в работе и простым в употреблении, чтобы прибором мог пользоваться без труда любой электромонтёр.
Наиболее перспективными переносными приборами, в большей степени удовлетворяющими перечисленным требованиям, являются приборы, основанные на использовании высших гармонических составляющих.
2.2. Принцип действия и характеристика прибора ”Поиск-1”
Прибор ”Поиск-1” основан на измерении составляющих высших гармоник при токе замыкания на землю [18]. Прибор выполнен универсальным, рассчитанным на эксплуатацию в сетях с различными характеристиками. Это определяется возможностью работы прибора на любой из четырёх фиксированных частот, хорошей отстройкой от токов нагрузки, возможность контроля наличия в сетях замыкания на землю. Основными узлами прибора (рис.1) являются: магнитный датчик М, представляющий собой индуктивную катушку с разомкнутым ферромагнитным сердечником; фильтр – пробка на конденсаторах С1 – С3 и резисторах, предназначенная для запирания сигнала основной частоты; узел конденсаторов С4 – С7 для настройки прибора на разные рабочие частоты; усилитель на транзисторах VT1 – VT4, выходной измерительный прибор РА и источник питания GB.
В качестве фильтра пробки в схеме используется двойной Т – образный RC – фильтр с нулевой настройкой на частоте 50 Гц. Это обеспечивает отсутствие влияния на показания прибора первой гармоники в токе нагрузки и в токе нулевой последовательности.
Возможность настройки датчика с помощью конденсаторов С4 – С7 в резонанс на частоте одной из высших гармоник обеспечивает дополнительное ослабление сигнала основной частоты при отклонении частоты сети от частоты настройки RC – фильтра и повышает избирательность прибора (рис.2.2,а).
Рис.2.1 Принципиальная схема прибора “Поиск-1”
Прибор “Поиск-1”снабжён штыревой ёмкостной антенной А (рис.2.1), позволяющей контролировать наличие напряжения на линии в процессе поиска повреждения, а так же определять наличие в сети замыкания на землю. Магнитный датчик прибора кроме рабочей обмотки 1 имеет вспомогательную обмотку 2, используемую при наладке прибора, а так же для проверки его исправности в условиях эксплуатации. С помощью переключателя 1SA последовательно с рабочей обмоткой включаются конденсаторы С4 – С7, которые обеспечивают резонансную настройку датчика на частоты, соответственно 5,7,11 и 13-й гармоник.
Положение 5 переключателя используется для контроля суммы высших гармоник, а так же настройки Т – образного фильтра, а положение 6 позволяет контролировать составляющую промышленной частоты. Двойной Т – образный фильтр имеет подстроечные резисторы, позволяющие настраивать фильтр на промышленную частоту (50 Гц). Усилитель измерительной частоты собран на транзисторах. Стабилизация режима по постоянному току первых трёх каскадов осуществляется с помощью кольцевой глубокой обратной связи. Переключатель служит для изменения пределов измерения, контроля и отключения источника питания.
Антенна прибора подключается непосредственно на вход усилителя. Для подключения антенны переключатель 1SA переключают в положение 7. если в сети нет замыкания на землю, на антенне прибора, помещённого вблизи линии, возникает небольшой потенциал, вызванный несимметричным расположением проводов. Однако этого потенциала достаточно, чтобы вызвать заметное отклонение стрелки прибора.
При замыкании на землю одной фазы сети на антенне возникает потенциал определяемый напряжением нулевой последовательности. Этот потенциал в 20 – 30 раз превышает потенциал нормального режима и вызывает резкое увеличение показаний прибора.
Основные технические характеристики прибора “Поиск-1”
Контролируемые частоты, Гц 50,250,350,550 и 650
Минимальный ток потребления, А 1
Регулировка чувствительности 1:1; 1:5; 1:20; 1:100
Рабочий диапазон температур, °С от –40 до +40
Источник питания два элемента 3336 Х
Габариты, мм 226х188х120
Масса, кг 3,7
2.3 Применение и техническое обслуживание прибора “Поиск-1”
Прибором рекомендуется пользоваться на частоте 250 Гц. Отыскание места повреждения (замыкания на землю) с помощью этого прибора производится в следующей последовательности. У выходов линии с территории подстанции прибор располагается под одной линией на расстоянии 6 – 8 м от её оси. Переключатель1SA (рис.2.1) ставится в положение 1, соответствующее контролю пятой гармоники. При этом фиксируется показание прибора.
Необходимая чувствительность прибора устанавливается переключателем 2SA. Аналогичные измерения проводятся под остальными отходящими линиями.
Повреждённая линия определяется по максимальным показаниям из результатов измерений под всеми линиями. Далее измерения производятся в местах разветвлений повреждённой линии; при этом переключатель 1SA остаётся в положении, соответствующем той гармонике, на которой получены максимальные показания прибора на повреждённой линии, а переключатель 2SA в положении, соответствующем выбранной чувствительности.
Неповреждённое ответвление даёт минимум показаний прибора. Для определения места повреждения на повреждённом ответвлении производятся последовательные измерения вдоль этого ответвления. Переход через место замыкания определяется по резкому снижению показаний прибора.
В отдельных случаях с помощью переносного прибора бывает трудно определить место повреждения. Так, если от подстанции отходят всего две линии примерно одинаковой длины, то при замыкании на землю на одной из них токи нулевой последовательности в начале обеих линий практически равны между собой, и токовым прибором определить повреждённую линию практически невозможно. Аналогичное явление будет и при большем числе отходящих линий; если две из них имеют протяжённость существенно превышающую суммарную протяжённость остальных линий.
Для отыскания места замыкания в этих случаях совместно с прибором может применяться электромагнитный генератор частоты типа ЭГЧ.
2.4. Принцип действия и характеристика прибора “Волна”
Действие прибора “Волна” основано на измерении составляющих высших гармоник в токе замыкания на землю. По сравнению с прибором ”Поиск-1” он имеет более высокую чувствительность при существенно меньших габаритах и массе, и более простое управление. Благодаря специальным мерам прибор имеет повышенную селективность по сравнению с другими приборами. Повышение селективности обеспечено благодаря использованию в приборе корректора, снижающего зависимость показаний прибора от расстояния между устройством и проводами линии (рис. 2.2,б), а так же от значения переходного сопротивления в месте замыкания [20.21].
Рис. 2.2. Характеристики приборов “Поиск-1” и “Волна”:
а) – зависимость показаний N прибора “Поиск-1” от частоты при настройке на частоты 5,7,11 и 13-й гармоник (1 – 4 кривые соответственно);
б) – зависимость показаний N прибора “Поиск-1” (1) и “Волна” (2) от расстояния l между оператором и проекции оси линии.
Структурная схема прибора (рис. 2.3) содержит магнитный датчик М, представляющий собой индуктивную катушку с разомкнутым стержневым ферромагнитным сердечником, который совместно с параллельно подключёнными к нему конденсаторами 1 образует резонансный контур, настроенный на частоту 550 Гц или 250 Гц, и включённый на вход эмиттерного повторителя 2. В эмиттерной цепи повторителя включён делитель напряжения 3, обеспечивающий ступенчатую регулировку чувствительности устройства. Сигнал, снятый с делителя, падает через блок управления 8 на вход первого транзисторного усилителя 4, на выход которого через схему выпрямления включён микроамперметр магнитоэлектрической системы 5.
Электрическая антенна А, представляющая собой металлическую пластину, встроенную в корпус устройства, включена через эмиттерный повторитель 6 на вход второго усилителя переменного тока 7. Усилитель 7 имеет два выхода – переменного и постоянного тока. Выход постоянного тока воздействует на усилитель 4,обаспечивая автоматическую стабилизацию показаний выходного прибора при измерении расстояния от устройства до проводов линии путём увеличения (или уменьшения) коэффициента усиления первого усилителя при уменьшении (или увеличении) электрического поля в точке измерения и, следовательно на антенне. Это решение обеспечивает так же частичную компенсацию измерения показаний прибора при измерении переходного сопротивления в месте замыкания на землю в процессе поиска места повреждения.
Выход переменного тока второго усилителя через блок управления 8 подаётся на вход последних двух каскадов первого усилителя, что позволяет в режиме контроля наличия в сети замыкания на землю контролировать напряжённость электрического поля по показаниям выходного прибора.
Рис. 2.3. Структурная схема прибора “Волна”
Блок управления 8 состоит из переключателя режима работы и чувствительности устройства, а так же кнопки включения питания.
В устройстве обеспечена возможность контроля исправности встроенного источника питания при помощи выходного прибора.
На рис. 2.4 представлена принципиальная схема устройства. Магнитный датчик М имеет рабочую обмотку 1 и испытательную обмотку 2, которая используется для настройки устройства на заводе – изготовителе или для проверки его в процессе эксплуатации. Обмотка 1 совместно с параллельно подключёнными конденсаторами образует резонансный контур, настроенный на частоту 250 Гц или 550 Гц и включённый на вход составного эмиттерного повторителя на транзисторах VT1 и VT2, в эмиттерной цепи которого включён делитель напряжения. С делителя напряжения сигнал поступает через RC – фильтр верхних частот на вход первого транзисторного усилителя переменного тока (транзисторы VT3 – VT6)?на выход которого через схему выпрямителя включён микроамперметр магнитоэлектрической системы РА. Электрическая антенна А через эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 включён на вход второго усилителя переменного тока на
Рис. 2.4. Принципиальная схема прибора “Волна”
транзисторах VT8 – VT10.
Выходная мощность тока этого усилителя (с коллектора VT10) через переключатель SA подаётся на вход последних двух каскадов первого усилителя, что позволяет по показаниям прибора РА контролировать напряжённость электрического поля. Выход постоянного тока второго усилителя включён на базу транзистора VT4 первого усилителя, что обеспечивает изменение коэффициента усиления первого усилителя при изменении напряжения на антенне. Переключатель SA служит для ступенчатого регулирования чувствительности, для перевода устройства в режим контроля источника питания устройства. Питание устройства включается кнопкой SB на время измерения.
Основные технические характеристики прибора “Волна”
Контролируемые частоты, Гц 250 и 550
Чувствительность к магнитному полю, А/м
(при отклонении стрелки прибора на 100%),
на частоте
550 Гц 1,5*10-4
250 Гц 1,5*10-3
Чувствительность к электрическому
полю, В/м на частоте 50 Гц 100
Диапазон рабочих температур, °С от –40 до +40
Источник питания Элемент 3336Х
Потребление прибора от источника
питания, Вт 50*10-3
Габариты, мм 230х85х95
Масса, кг 1,5
2.5. Применение и техническое обслуживание прибора “Волна”
Прибор выпускается заводом с настройкой на 550 Гц. Отыскание места замыкания на землю с помощью этого прибора производится таким же образом, как и с помощью прибора “Поиск-1”. Благодаря корректному, снимающему зависимость прибора от расстояния между устройством и проводами линии, прибор “Волна” обеспечивает чёткое определение места повреждения линии с многократным запасом по селективности даже в сетях с малым током замыкания на землю (1 – 1,5 А) при значительных токах нагрузки до 800 – 100 А. Кроме отыскания места замыкания на землю прибор “Волна” позволяет производить отыскание железобетонных опор, находящихся под напряжением, места обрыва провода в сети и отыскание других видов повреждений.
Железобетонная опора в ряде случаев оказывается под напряжением при пробое изоляции и длительном протекании через опору тока замыкания на землю. При этом виде повреждений грунт под опорой высыхает, оплавляется и становится практически непроводящим. Опора же находится под высоким напряжением и может быть причиной электротравм. Большую опасность так же представляют опоры с линейными разъединителями при пробое опорных изоляторов.
Определение опор с повреждённой изоляцией при больших переходных сопротивлениях может производиться с помощью прибора “Волна”, контролирующего значение напряжённости электрического поля в близи опоры.
Для определения находящейся под напряжением опоры с повреждённой изоляцией оператор должен подойти к опоре на расстояние 8 – 10 м, поставить переключатель SA (рис. 2.3) в положение Uлин и расположить прибор перпендикулярно оси линии. Если опора находится под напряжением, а заземление опоры нарушено или имеет большое переходное сопротивление, показания прибора превышают 30 – 40% шкалы. Если же опора не находится под напряжением, показания прибора близки к нулю.
Для определения места обрыва провода оператор устанавливает переключатель прибора “Волна” в положение Uлин и производит контроль электрического поля на расстоянии около 5 м от ствола линии в различных точках сети. Показания прибора за местом обрыва резко возрастают (в 15 – 20 раз) по сравнению с показаниями до места обрыва.
Прибор “Волна” позволяет так же определить, какой из проводов сети с симметричным расположением проводов на опоре имеет замыкание на землю. Для этого оператор устанавливает переключатель прибора в положение Uлин и производит контроль электрического поля в двух точках по обе стороны линии, расположенных симметрично относительно оси линии на расстоянии около 5 м от линии. Равенство показаний прибора свидетельствует о повреждении изоляции провода средней фазы, при неравенстве показаний провод с повреждённой изоляцией расположен ближе к точке измерений с меньшими показаниями прибора.
Перед началом поиска места повреждения необходимо проверить исправность прибора в части источника питания. Для этого переключатель ставится в положение Uпит и кнопкой включается питание прибора. При исправном источнике питания стрелка прибора должна находиться в пределах 70 – 95% шкалы. Если показания прибора ниже 70% шкалы, то источник питания должен быть заземлён.
Перед началом поиска места повреждения рекомендуется произвести упрощённую проверку работоспособности прибора. Для этого переключатель переводится в положение 1:3 и прибор подносят торцевой стороной к электрической лампе накаливания мощностью 40 – 60 Вт. При исправности прибора стрелка должна отклониться на 30 – 60% шкалы вблизи лампы мощностью 40 – 60 Вт напряжением 220 В. При переводе переключателя в положение Uлим стрелка прибора должна отклониться на 10 –20% шкалы.
Если при такой проверке отклонения стрелки отсутствуют или значительно отличаются от указанных выше, то прибор должен быть направлен в лабораторию для устранения неисправности. Лабораторная проверка и устранение неисправности производится в соответствии с рекомендациями заводской инструкции.
Данные энергосистем свидетельствуют о высокой эффективности [18,20,22] применения приборов “Поиск-1” и “Волна”, которая определяется в первую очередь возможностью отыскания места повреждения без поочерёдного отключения линии и ответвлений и, следовательно, без недоотпуска электроэнергии потребителям. При этом значительно сокращаются трудозатраты на отыскания места повреждения за счёт сокращения времени поиска и сокращения количества участвующих в поиске людей.
