Разработка способа и адаптивного устройства контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кв

Рис. 7. Графики I0 = f (RП ) при обрыве нулевого провода

по длине на расстояниях: 1 – 100 м; 2 – 500 м; 3 – 900 м

График, представленный на рис. 7, указывает на изменение I0 при повреждении нулевого провода, качественно повторяющем изменение I0 для нормального режима работы линии;

• При увеличении LОБР разность I0 = (I01 - I02 ) уменьшается;
• Для нормального режима работы:

I0норм==const

• Разность I0 = ( I01 - I02 ) как для нормального режима работы, так и в случае ухудшения параметров нулевого провода зависит от эквивалентного сопротивления системы «нулевой провод – совокупность повторных заземлителей» для нормального и аварийного режимов работы нулевого провода;
• Из графиков, представленных на рис. 6 и 7 сделан вывод о возможности автоматической подстройки уставки срабатывания устройства в зависимости от сезонных колебаний сопротивления грунта (изменения сопротивления растеканию тока повторных заземлителей RП) на основе контроля разности I0НОРМ при нормальном режиме работы воздушной линии 0,38 кВ.

Зависимости I0 = f (LОБР) при сезонных колебаниях сопротивления грунта приведены на рис. 8.

Графики, представленные на рис. 8, позволяют сформулировать одно из важных требований к устройству контроля параметров нулевого провода в условиях широкого диапазона изменяющихся годовых температур – адаптивность, то есть способность оценить колебания сопротивления грунта и установить уставки срабатывания в каждом значении данного диапазона.

Рис. 8. Графики I0 = f (Lобр) при значениях сопротивлений

повторных заземлителей: 1 – 30 Ом, 2 – 50 Ом,

3 – 100 Ом, 4 – 300 Ом

Аналогичные зависимости получены для воздушных линий 0,38 кВ различной протяженности с различным количеством установленных повторных заземлений.

Поверхность, отображающая зависимость I0 = f (Lобр, RП ) при NПЗ = 10, представлена на рис. 9.

Рис. 9. График зависимости I0 = f (Lобр, RП)

Исследования также проводились на физической модели в лабораторном комплексе ГОУ ВПО «Читинский государственный университет» и в сетях 0,38 кВ филиала ОАО «МРСК Сибири» - «Читаэнерго» ПО «Читинские городские электрические сети», МУП «ГорСвет».

Физическая модель исследований в лабораторном комплексе ГОУ ВПО «Читинский государственный университет» представляла собой модель воздушной линии электропередачи, выполненной изолированным проводом сечением 16 мм2 ; длина линии 481,8 м; повторные заземлители (5 шт.) установлены через 98,3; 195,1; 292,5; 387,6; 481,3 м от начала линии соответственно; сопротивления повторных заземлителей RП1 = 29,7 Ом, RП2 = 50,9 Ом, RП3 = 231,2 Ом, RП4= 146,0 Ом, RП5 = 237,1 Ом; гальваническая развязка выполнена с помощью разделительного трансформатора 0,4/0,4 кВ мощностью 4кВА; сопротивление заземления нейтрали трансформатора r0 = 10,5 Ом.

Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования аналогичных режимов исследуемой линии представлены на рис. 10.

Из графиков, представленных на рис. 10, видно, что результаты экспериментов в реальной сети качественно повторяют результаты математического моделирования. Наибольшее расхождение экспериментальных данных с результатами математического моделирования аналогичной линии наблюдается при обрыве нулевого провода на расстоянии 100 м и составляет 8,2 %, что указывает на правильность применения математического аппарата при моделировании исследуемых режимов.

Рис. 10. Графики I0 = f (Lобр): 1 – по результатам

измерений в реальной сети, 2 – по результатам

математического моделирования

После изучения соотношения режимных параметров в системе «нулевой провод – совокупность повторных заземлителей», моделирования нормальных и аварийных режимов работы сети, подтверждения результатов моделирования на физической модели и в эксплуатирующихся сетях 0,38 кВ сделан вывод о возможности организации постоянного автоматического контроля непрерывности нулевого провода на основании измерения режимных параметров в схеме зануления. Критерием увеличения сопротивления или появления обрыва нулевого провода является условие:

I0> I0 норм. (5)

Для реализации данного способа предлагается использовать цифровое устройство, выполненное на основе программируемого микроконтроллера, функциональная схема которого представлена на рис. 11.

Рис. 11. Функциональная схема устройства автоматического контроля

параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кВ

Входные аналоговые модули 1,2 используются для измерения токов. Управляющие выходы аналоговых модулей соединяются со входами аналого-цифровых преобразователей 3, 4, осуществляющих функцию преобразования действующих значений токов в цифровые сигналы. Выходы аналогово-цифровых преобразователей соединены с микроконтроллером 5, ведущим анализ цифровых сигналов. К микроконтроллеру подключается жидкокристаллический буквенно-цифровой индикатор 6, необходимый для отображения результатов измерения контролируемых величин, и клавиатура 7, используемая для настройки устройства. Питание блоков 1, 2, 3, 4, 5 осуществляется от блока питания 8, преобразующего переменное напряжение 220 В в необходимые напряжения.

Алгоритм работы устройства с функцией адаптивности представлен на рис. 12.

В процессе измерения токов в нулевом проводе в начале линии I01 и током в нулевом проводе за первым повторным заземлителем I02 аналоговые модули 1, 2 постоянно передают данные в аналого-цифровые преобразователи 3, 4, цифровые сигналы с которых непрерывно поступают на микроконтроллер 5. Микроконроллер по значениям токов I01, I02 определяет значение разности токов I0 и при превышении этой разностью минимально допустимого значения формирует сигнал на отключение линии и информационное сообщение о неисправности (величина уставки срабатывания для режимов «зима», «лето»; значение разности токов I0; зона, в которой поврежден нулевой провод ), которое отобразится на жидкокристаллическом буквенно-цифровом индикаторе 6.

Рис. 12. Алгоритм идентификации повреждения нулевого провода

в условиях изменяющегося сопротивления грунта

Предложенное устройство позволяет не допускать отклонения показателей качества в допустимых пределах и повысить надежность при эксплуатации электрических сетей 0,38 кВ, уровень электро- и пожаробезопасности за счет постоянного автоматического контроля, минимального времени определения аварийной ситуации и дополнительного определения места обрыва нулевого провода.

Разработанное устройство успешно испытано на модели сети 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью и внедрено в опытную эксплуатацию на ТП №123 ОАО «МРСК Сибири» – «Читаэнерго» ПО «Читинские городские электрические сети» (фидер №6 – «Горсвет - Ингода»).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи повышения уровня электробезопасности путем организации непрерывного контроля параметров системы «нулевой провод – совокупность повторных заземлителей», позволяющего своевременно обнаружить обрыв нулевого проводника и произвести отключение аварийного участка.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно отметить следующие основные результаты и сделать выводы:

1. Впервые разработана классификация способов и устройств контроля параметров нулевого провода в сетях 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью. Сформулированы требования к разрабатываемому способу и устройству.
2. Установлена зависимость, связывающая режимные параметры в схеме заземления (к которым относятся действующее значение тока в нулевом проводнике в начале линии и действующее значение тока за первым повторным заземлителем) для воздушной линии 0,38 кВ в нормальном режиме работы. Проведено исследование влияния возможных режимов и физических параметров линии на характер вышеуказанной зависимости.
3. Получены зависимости для режимных параметров в схеме заземления при возникновении обрыва нулевого провода. При этом разность токов в нулевом проводнике в начале линии и тока за первым повторным заземлителем превышает значение, измеренное для нормального режима с учетом колебания несимметрии нагрузки и сезонности колебаний сопротивлений повторных заземлений, что делает возможным организацию постоянного контроля непрерывности нулевого провода по режимным параметрам, а за счет предварительного графического анализа изменения разности токов в зависимости от места обрыва, представляется возможным определение места обрыва нулевого провода с учетом заданной погрешности.
4. В случае обрыва нулевого провода или недопустимого увеличения его сопротивления - значение разности токов I0 резко возрастает до величины уставки I0 = (8 – 10) I0НОРМ, что позволяет организовать постоянный автоматический контроль параметров нулевого провода.
5. Уставка срабатывания устройства в зависимости от диапазона изменения длин линий 0,38 кВ и размаха колебаний сопротивления грунтов меняется в пределах 0,06 – 0,25 А.
6. Изменение разности токов I0 в пределах (0,6 – 1,3) I0НОРМ позволяет определить состояние повторных заземлителей (обрыв, а также сезонные колебания сопротивления грунта, напрямую влияющие на сопротивление повторных заземлителей), за счет чего реализуется одна из важнейших функций разработанного устройства – адаптивность.
7. На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований разработаны функциональная и принципиальная схемы адаптивного устройства автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кВ. Внедрение способа и устройства контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кВ позволяет снизить риск возникновения электроопасных ситуаций для систем электроснабжения 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью в 8,2 раза.

Внедрение в практику эксплуатации электроустановок разработанных способа и устройства автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кВ позволяет повысить уровень электро- и пожаробезопасности при эксплуатации систем электроснабжения 0,38 кВ.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Серёжин, К.С. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ [Текст] / К.С. Серёжин, И.Ф. Суворов, В.В. Гальцев, А.И. Сидоров // Электробезопасность. 2005. № 2. С. 17–22.
2. Серёжин, К.С. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,4 кВ [Текст] / К.С. Серёжин, И.Ф. Суворов, А.И. Сидоров // Вестник ЮУрГУ. Челябинск: Южно-Уральский государственный университет, 2009. С. 23–26.

Монографии и статьи

3. Серёжин, К.С. Способы и устройства контроля параметров нулевого провода для систем электроснабжения с глухозаземленной нейтралью до 1000 В [Текст]: монография / К.С. Серёжин, И.Ф. Суворов, С.А. Филиппов. Чита: Забайкальский институт железнодорожного транспорта, 2010. – 136 с.
4. Серёжин, К.С. Обзор методов контроля непрерывности нулевого проводника в системах электроснабжения с глухозаземлённой нейтралью [Текст] / К.С. Серёжин // Сборник докладов «Второй Российской конференции по заземляющим устройствам». Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2005. С. 209–213.
5. Серёжин, К.С. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,4 кВ [Текст] / К.С. Серёжин, И.Ф. Суворов // Сборник докладов «Десятой Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2008». – Санкт-Петербург: Российская академия наук, 2008. С. 502-508.
6. Серёжин, К.С. Устройство автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,38 кВ с функцией адаптивности [Текст] / К.С. Серёжин, И.Ф. Суворов, А.И. Сидоров // Электробезопасность. 2009. № 1 С. 10-15.

Патенты РФ

7. Патент № 2295186 Российская Федерация, МПК Н02Н 5/00. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных и кабельных линий 0,4 кВ и устройство для его осуществления / Серёжин К.С., Суворов И.Ф., Гальцев В.В., Сидоров А.И.; заявитель и патентообладатель ЧитГУ. №2005140871/09; заявл. 26.12.05; опубл. 10.03.2007, Бюл. №7.
8. Патент № 2356151 Российская Федерация, МПК Н02Н 5/00. Способ автоматического контроля параметров нулевого провода воздушных линий 0,4 кВ / Серёжин К.С., Суворов И.Ф., Сидоров А.И.; заявитель и патентообладатель ЧитГУ. №2008105851/09; заявл. 15.02.08; опубл. 20.05.2009, Бюл. №14.

Серёжин Константин Сергеевич

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И АДАПТИВНОГО УСТРОЙСТВА

КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ НУЛЕВОГО ПРОВОДА

ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 0,38 кВ

Специальность 05.26.01 – «Охрана труда (электроэнергетика)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук