СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ФАЗИ З ВИТОКОМ НА ЗЕМЛЮ В ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ З ИЗОЛЮВАНОЮ НЕЙТРАЛЛЮ

Источник: Патент Украины

Винахід відноситься до області електробезпеки, зокрема до засобів захисту людини від враження електричним струмом в мережах з ізольованою нейтраллю, де застосовується захисне шунтування, тобто штучне автоматичне з’єднання фази, в якій виявлено витік струму, з заземлюючою мережею. Він може знайти широке застосування, зокрема, в підземних дільничних мережах напругою 660 В або 1140 В.

Спосіб оцінки струму витоку й опору шляху витоку в трифазних мережах з ізольованою нейтраллю трансформатора і визначення фази з витоком, що включає введення між струмоведучими частинами контрольованої системи і землею допоміжного джерела, частота напруги якого та ж, що й у напруги зазначеної системи, і вимірювання вектора напруги зсуву нейтралі та модуля фазної напруги в двох станах цієї системи, одержуваних шляхом зміни фази напруги допоміжного джерела на протилежну, який відрізняється тим, що в обох станах системи вимірювання виконують після завершення перехідного процесу, обумовленого переходом з одного стану в інший і при тому ж самому значенні фази напруги контрольованої мережі, але протилежному значенні фази напруги допоміжного джерела, після чого знаходять опір шляху витоку за формулою:

Відомий спосіб визначення пошкодженої фази в основному використовуються фазові чи амплітудні параметри напруг мережі або, що найчастіше, напруги зсуву нейтралі трансформатора (потенціалу нейтралі відносно землі). Наприклад, спосіб, що реалізований в [1], передбачає використання модулів фазних напруг та потенціалу нейтралі при двох протилежних фазах допоміжного джерела живлення, причому, порівняння вказаних модулів напруг, внаслідок якого визначається пошкоджена фаза, можливо тільки після закінчення перехідного процесу, обумовленого зміною фази допоміжного джерела. Основний недолік цього способу для захисту людини полягає в його недостатній швидкодії. Крім того, при наявності в мережі динамічних складових перехідного процесу чи поперечної асиметрії його надійність недостатня.

Реферат:
Використання: апаратура захисту людини від враження електричним струмом у колах з ізольованою нейтраллю, зокрема в підземних мережах напругою 660 В або 1140 В при застосуванні захисного шунтування.
Сутність винаходу: пошкоджену фазу визначають (ідентифікують) по збігу результатів роботи двох паралельно працюючих алгоритмів, система відліку для яких одна й та ж і починається з моменту переходу через нуль при додатній похідній однієї з лінійних напруг, uАВ, наприклад. Перший (основний) алгоритм визначає пошкоджену фазу з величини аргументу (початкової фази) потенціалу нейтралі uN, який, в свою чергу, визначається відношенням двох його миттєвих значень, зчитаних в суміжні моменти часу, різниця між якими фіксована і складає від 10 градусів до 20 градусів. Через такі ж інтервали надходять результати роботи першого алгоритму за виключенням областей переходу uN через нуль, де зняті дані відкидаються, щоб уникнути неприпустимих похибок відношення до малої величини. Оскільки реальна мережа працює в умовах завад та спотворень, обумовлених перехідним процесом, частковою поперечною асиметрією або наявністю вищих гармонічних складових, для уникнення хибного визначення фази з витоком, робота першого алгоритму дублюється другим (контрольним) алгоритмом, що фіксує моменти (кути) переходу через нуль фазних напруг і потенціалу нейтралі. По взаємному фазовому зсуву цих точок ушкоджена фаза визначається з середнім інтервалом в 90 градусів. Рішення на спрацювання захисного шунтування приймається, коли суміжні 4 або 5 результатів роботи першого алгоритму і 1 чи 2 результати другого вказують на одну і ту ж пошкоджену фазу.
Технічний результат: паралельне використання двох, працюючих з різними даними та за різними законами алгоритмів, частково компенсує вплив завад та спотворень реальної мережі і разом з кількаразовим дублюванням результатів підвищує надійність визначення пошкодженої фази без зменшення швидкодії. Тривалість ідентифікації в залежності від інтенсивності перехідного процесу знаходиться в межах від 3 мс до 10 мс для Rh < 5 кОм, в межах від 10 мс до 20 мс для  5 кОм < Rh < 10 кОм і в межах від 20 мс до 30 мс при Rh > 10 кОм.

Описання способу
Винахід відноситься до області електробезпеки, зокрема до засобів захисту людини від враження електричним струмом в мережах з ізольованою нейтраллю, де застосовується захисне шунтування, тобто штучне автоматичне з’єднання фази, в якій виявлено витік струму, з заземлюючою мережею. Він може знайти широке застосування, зокрема, в підземних дільничних мережах напругою 660 В або 1140 В.
Найважливішою ланкою цього способу захисту людини є виявлення (ідентифікація) пошкодженої фази. Вимоги до цієї ланки наступні. По перше це, швидкодія, що пов’язано з безпекою людини в умовах небезпечного рівня напруги. По друге, це висока надійність, тому що похибка в ідентифікації і, отже, помилкове шунтування “здорової“ фази, особливо в підземних умовах, неприпустимо.
В відомих способах визначення пошкодженої фази в основному використовуються фазові чи амплітудні параметри напруг мережі або, що найчастіше, напруги зсуву нейтралі трансформатора (потенціалу нейтралі відносно землі). Наприклад, спосіб, що реалізований в [1], передбачає використання модулів фазних напруг та потенціалу нейтралі при двох протилежних фазах допоміжного джерела живлення, причому, порівняння вказаних модулів напруг, внаслідок якого визначається пошкоджена фаза, можливо тільки після закінчення перехідного процесу, обумовленого зміною фази допоміжного джерела. Основний недолік цього способу для захисту людини полягає в його недостатній швидкодії. Крім того, при наявності в мережі динамічних складових перехідного процесу чи поперечної асиметрії його надійність недостатня.
Найбільш близьким до пропонованого є спосіб визначення пошкодженої фази на землю в трифазній мережі з ізольованою нейтраллю [2]. Його сутність зводиться до того, що початкова фаза (аргумент) потенціалу нейтралі два рази за кожен період зіставляється з опорним фазовим проміжком, який, по своїй суті, створює систему відліку для аргументу потенціалу нейтралі, причому, вказана система відліку базується на фазних напругах мережі. Таким чином, за один період напруги мережі даний спосіб обновлює та забезпечує два результати, причому, ці результати вважаються достовірними, якщо вони збігаються в інтервалі між двома суміжними переходами через нуль потенціалу нейтралі, тобто в межах одного періоду.
Реальна, особливо дільнична підземна мережа напругою 660 В або 1140 В, створює серйозні завади та спотворення в роботі системи визначення пошкодженої фази. По перше, це динамічні складові перехідного процесу, яким неодмінно супроводжується виникнення витоку. По друге, це часткова поперечна асиметрія реальної мережі та наявність вищих гармонічних складових. По третє, це похибки, що супроводжують процес зчитування та обробки інформації.
Враховуючи ці фактори, вказаний спосіб має ряд недоліків:

• Два результати за один період, не забезпечують достатньої швидкодії способу.
• В умовах інтенсивних завад та спотворень, що діють в мережі, не виключається одержання двох однакових хибних результатів і, отже, помилкове визначення пошкодженої фази.
• В якості величин, що задають систему відліку (опорні фазові проміжки), використовуються фазні напруги, які особливо чутливі до завад, обумовлених динамічними складовими та поперечною асиметрією мережі.

Спосіб, що пропонується, звільняється від вказаних недоліків наступним чином:

• В якості системи відліку приймається лінійна напруга (uАВ, наприклад), яка менш чутлива до завад, пов’язаних з перехідними процесами чи поперечною асиметрією.
• Дані для ідентифікації пошкодженої фази фіксуються в результаті одночасної роботи двох, незалежних один від другого, алгоритмів, що працюють за різними законами і використовують різні вихідні дані.
• Перший (основний) алгоритм одержує результати через кожні 10 градусів або 20 градусів, використовуючи миттєві значення потенціалу нейтралі для аналітичного розрахунку його аргументу і його порівняння з опорним проміжком.
• Другий (контрольний) алгоритм фіксує моменти (точки) переходу через нуль фазних напруг і потенціалу нейтралі, визначає різницю між їх початковими фазами і, порівнюючи їх з опорними значеннями, одержує результати в середньому через 90 градусів періоду напруги мережі.
• Рішення на захисне шунтування приймається, якщо 5 або 6 суміжних результатів, серед яких не менше одного контрольного вказують на одну і ту ж фазу.

Сутність першого алгоритму полягає у визначенні початкової фази потенціалу нейтралі в заданій системі відліку на основі вимірювання його миттєвих значень uN(t1) та uN(t2) для суміжних значень часу (кута) ωt1 и ωt2, різниця між якими Δωt фіксована. Для запобігання значних похибок даних, зчитаних в області переходу потенціалу нейтралі через нуль, їх попередньо перевіряють по обмеженню:

Дані, що не відповідають умові (1) відкидаються, а система ідентифікації переходить до наступної групи даних.

Шуканий аргумент ψ визначається з рівняння:

,                                                                                (2)

шляхом його вирішення методом, наприклад, половинного ділення, причому, з двох суміжних коренів цього рівняння в межах одного періоду, відбирається той, що відповідає умові:

.                                                                                                     (3)

В залежності від величини проміжку Δωt за один період по основному алгоритму можна одержати від 15 до 30 результатів.
На фіг. 1 показані області, в яких перебуває значення аргументу (початкової фази) потенціалу нейтралі в залежності від того, яка фаза мережі пошкоджена. За початок відліку часу (кута) прийнято момент переходу через нуль лінійної напруги uАВ при її зростанні. В ідеальному випадку (мережа симетрична, динамічні складові затухли, вищі гармоніки відсутні) в залежності від значення опору витоку аргумент потенціалу нейтралі знаходиться в наступних межах (k = –1, 0, 1):

Між інтервалами (4) є “нічийний“ проміжок величиною в 30 градусів, який в умовах завад та спотворень реальної мережі частково перекривається. Тому звузимо його до нуля, розширюючи проміжки (4) на 15 градусів в обидві сторони, як це вказано на фіг. 1, і, таким чином, визначаємо опорні фазові проміжки, відповідність яким контролюється першим алгоритмом.

450 + 2k∙3600 < ψ < 1650 + 2k∙3600              пошкоджена фаза А;
–750 + 2k∙3600 < ψ < 450 + 2k∙3600              пошкоджена фаза В;                                    (5)
1650 + 2k∙3600 < ψ < 2850 + 2k∙3600                        пошкоджена фаза С.

Таким чином, значення аргументів потенціалу нейтралі, одержаних з (2) та (3) з урахуванням обмеження (1) перевіряються на відповідність проміжкам (5), що дозволяє визначити пошкоджену фазу.
Сутність другого (контрольного) алгоритму полягає в тому, що в режимі витоку фіксуються моменти переходу через нуль фазних напруг uА, uВ, uС при додатній похідній відповідно α1, β1, γ1, і при від’ємній відповідно α2, β2, γ2, а також аналогічні точки потенціалу нейтралі θ1 і θ2, які внаслідок обмеження (1) не використовуються в основному алгоритмі.
На фіг. 2 демонструється робота контрольного алгоритму в межах 1,25 періоду при пошкодженнях в різних фазах. Затемненими відрізками на лініях фазних напруг і потенціалу нейтралі  uА, uВ, uС , uН  позначені області, в яких, в залежності від величини опору витоку, знаходяться точки переходу через нуль вказаних напруг (контрольні точки)  α1…γ2, та θ1 і θ2. Стрілки на відрізках показують напрям, в якому ці точки переміщуються при зміні опору витоку від максимального значення (20…25) кОм до нуля. Наприклад, при витоку в фазі А точка  α2 при зміні опору витоку від ∞ до 0 зміщується “вліво“ від 2100 до 1200, а точка β2 навпаки зміщується “вправо“ від 1500 до 1800. Їх різниця (контрольний результат) α2 – β1 при цьому зміщується в інтервалі від  600 до –600.
Таким чином, перша група контрольних результатів (два за період при витоку в фазі А), позначені α1 – β2 , α2 – β1, формується на основі обчислення різниці між значеннями суміжних контрольних точок α, β, γ, що мають різні індекси (тобто переходять через нуль при різних знаках похідної). Друга група θ1 – γ1, θ2 – γ2 контрольних результатів (також два за період) формується на основі обчислення різниці між значеннями моментів переходу через нуль потенціалу нейтралі θ та найближчою точкою α, β, γ, що має той же індекс. В обох випадках значення одержаної різниці порівнюється з опорними інтервалами, після чого формується контрольний результат. На фіг. 2 таких контрольних результатів в межах періоду чотири. Вони позначені відповідними різницями.

Нижче в таблиці приведені опорні інтервали для пошкоджень в різних фазах, яким відповідають значення контрольних точок в залежності від опору витоку (від максимального до нуля зліва направо). Контрольні результати, згідно другого алгоритму, визначаються шляхом порівняння різниць між контрольними точками в їх різних комбінаціях з опорними інтервалами.

Таблиця. Опорні інтервали для визначення результату контрольного алгоритму

Безпосередньо з таблиці витікають наступні закономірності для визначення чергового результату роботи другого (контрольного) алгоритму:
а) перша група контрольних результатів:
– 60 < α1 – β2    або    α2 – β1 < 60                            пошкоджена фаза А;
– 60 < β1 – γ2    або    β2 – γ1 < 60                             пошкоджена фаза В;                        (6)
– 60 < γ1– α2    або    γ2 – α1 < 60                              пошкоджена фаза С;
б) друга група контрольних результатів:
– 30 < Θ1 – γ1    або    Θ2 – γ2 < 30                           пошкоджена фаза А;
– 30 < Θ1 – α1    або    Θ2 – α2 < 30                          пошкоджена фаза В;                        (7)
– 30 < Θ1 – β1    або    Θ2 – β2 < 30                          пошкоджена фаза С;

В обох групах результатів використовуються різниці координат контрольних точок. По цій причині опорні інтервали для них однозначні.
Таким чином, за один період частоти мережі по першому алгоритму формується від 15 до 30 результатів, а по другому (контрольному) 4.
Рішення на спрацювання захисту (захисне шунтування) приймається, коли чергова серія з 6 або 7 суміжних результатів, серед яких 1 чи 2 контрольні, вказують на одну і ту ж аварійну фазу.

Робота способу по визначенню пошкодженої фази пояснюється на фіг. 3 А, Б, В, де зображено перехідний процес в трифазному колі в результаті замикання фази А на землю через опір 2,5 кОм в момент t = 0. Умови числового експерименту наступні: мережа симетрична, напруга U = 660 В, ємність мережі 0,8 мкФ/фазу, опір ізоляції “фаза – земля“ R = 75 кОм, комутація (момент виникнення витоку) вибрана найбільш несприятливою (вільна складова потенціалу нейтралі в момент комутації практично рівна амплітуді його усталеної складової).
На фіг. 3 А позначено: uн, uус, uсв – відповідно миттєве значення потенціалу нейтралі, а також його усталена та вільна складові; θ1, θ2 – моменти переходу потенціалу нейтралі через нуль відповідно при додатній та від’ємній похідній. Постійна часу експоненціальної складової τ = 5.5 мс (≈980).
На фіг. 3 Б, де приведені розрахункові осцилограми фазних напруг, позначено: еА – ерс фази А джерела живлення; uА, uВ, uС – відповідно миттєві значення фазних напруг фаз А, В, С;   α1, β1, γ1, α2, β2, γ2 –точки переходу через нуль фазних напруг відповідно при додатній та від’ємній похідній.
На фіг. 3 В позначено: точки 1, 2…13, 14 – моменти появи результатів роботи першого (основного) алгоритму, одержані через кожні 25 градусів; К1, К2, К3 – моменти появи результатів роботи другого (контрольного) алгоритму; ψN = 98.30 – фактичне значення аргументу (початкової фази) потенціалу нейтралі при відсутності спотворень та завад.
При інтенсивному перехідному процесі, що приведений на фіг. 1, потенціал нейтралі досягає значення, достатнього для запуску системи ідентифікації, тільки через 4 мс (≈750) з моменту комутації. По цій причині перші дві контрольні точки α1 (≈300) та θ2 (≈550) ігноруються. Перший алгоритм дає результати, починаючи з 800 (точки 1, 2… на фіг. 3 В), причому, всі його результати знаходяться в інтервалі від 800 до 1200 і відповідають умові (5) при пошкодженні в фазі А. Відсутність результатів в інтервалі від 2300 до 2900, пояснюється тим, що в цій зоні потенціал нейтралі знаходиться близько нуля і зчитувані дані відкидаються внаслідок невідповідності умові (1). Таким чином, в даному числовому прикладі роботи способу за перший період одержані 12 результатів роботи першого алгоритму, які всі вказали на пошкодження фази А, причому, при необхідності швидкодія алгоритму може бути підвищена шляхом зменшення проміжку між зчитуванням даних до 150 чи 100.
Робота другого (контрольного) алгоритму базується на точках переходу через нуль фазних напруг та потенціалу нейтралі. В даному прикладі на першій половині періоду ці точки ідуть в наступній послідовності (фіг. 3): α1≈300, θ2≈550,  γ2≈800,  α2≈1750, β1≈1800. Перші дві точки, як вже відмічено, ігноруються внаслідок затримки в зростанні потенціалу нейтралі. По цій же причині залишається без наслідків поява третьої точки, оскільки їй ніским взаємодіяти. І лише поява четвертої та пьятої точок приводять до першого контрольного результату К1=α2–β1≈40, що відповідає умові (6) і сигналізує про пошкодження фази А. Саме в цей момент може бути подана команда на захисне шунтування останньої.
Можливе виникнення ситуації, коли внаслідок дії других, непередбачених завад чи спотворень один чи два результати роботи першого алгоритму (наприклад другий або четвертий) чи результат К1 роботи другого алгоритму виявляться хибними, тобто будуть відрізнятись від суміжних. В цьому разі сигнал на шунтування буде затримано, а ідентифікація продовжується до появи наступної серії однотипних результатів.  Наступні контрольні результати К2=θ1–γ1≈20  і К2=α1–β2≈60 відповідають умовам (7) та (6) про пошкодження фази А. Вони появляються відповідно в моменти  ≈2700  та   ≈3600.
Таким чином, в даному прикладі пошкоджена фаза визнчається через половину періоду (≈10 мс), а при більш несприятливих умовах в межах одного періоду (від 15 мс до 20 мс).
При значних завадах та спотвореннях, викликаних, наприклад, тривалим перехідним процесом (це можливо, якщо опір витоку перевищить 15 кОм) ідентифікація може затягнутися на два чи навіть три періоди з моменту фіксації витоку. Така ситуація не є типовою, хоч і не виключається. Та найважливішим є те, що навіть у цьому разі хибна ідентифікація виключена. Практично неймовірно, щоб кілька суміжних результатів роботи двох алгоритмів, що використовують різні дані і функціонують за різними правилами, вказали на одну і ту ж “здорову“ фазу, тобто привели до помилкового рішення.

Важливим фактором швидкодіючої ідентифікації та захисного шунтування є те, що при застосуванні, наприклад, тиристорних короткозамикачів людина звільняється від дії напруги вже через (25…35) мс. Час для захисного відключення, регламентований для підземних мереж напругою 1140 В складає 150 мс. І найважливіше, людина звільняється від впливу електродвигунів, що навіть після аварійного відключення мережі продовжують генерувати небезпечну напругу.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Спосіб визначення пошкодженої фази в електричній мережі з ізольованою нейтраллю, при якому початкова фаза потенціалу нейтралі зіставляється з опорними фазовими проміжками, заданими на основі фазних напруг, а пошкоджену фазу визначають по збігу двох зіставлень в межах одного періоду, відрізняється тим, що з ціллю підвищення швидкодії та виключення помилки у визначенні пошкодженої фази, по першому (основному) алгоритму початкову фазу потенціалу нейтралі визначають з відношення двох його миттєвих значень, що зчитані в суміжні моменти часу з фіксованою різницею між ними, і зіставляють з опорними фазовими проміжками, повторюючи цю дію кілька десятків разів за період, а по другому (контрольному) алгоритму пошкоджена фаза визначається тим, що різниця між моментами переходу через нуль двох суміжних фазних напруг з протилежними знаками похідних два рази за період зіставляється з опорним інтервалом в межах від –60 градусів до 60 градусів, а різниця між моментами переходу через нуль потенціалу нейтралі та суміжної з ним фазної напруги, що має той же знак похідної, також два рази за період зіставляється з опорним інтервалом в межах від –30 градусів до 30 градусів, причому, опорні фазні проміжки базуються на лінійній напрузі, а пошкоджена фаза визначається за збігом суміжних 4 або 5 зіставлень по основному і 1 чи 2 зіставлень по контрольному алгоритму.

ЛИТЕРАТУРА

• Патент на винахід № 10320, УКРПАТЕНТ, H02H3/16, G01R31/08, 12.04.2005.
• Патент на изобретение № 2150167, Российская федерация МПК7  H02H3/16, G01R31/08, 10.06.1999.

Фіг. 1

Фіг. 2.

Фіг. 3.