Автоматическое определение параметров дефектов электрической изоляции в сети с изолированной нейтралью

Автор: Гребченко Н.В., Сидоренко А.А., Бельчев И.В.
Донецкий национальный технический университет, Украина

    Во многих случаях короткие замыкания происходят в результате предельного ухудшения состояния электрической изоляции оборудования электрических систем. Такие повреждения, как правило, можно предотвратить. Для этого необходимо выявить дефект изоляции на ранней стадии его развития и провести необходимые работы по восстановлению характеристик изоляции. Решать задачу своевременного выявления дефектов изоляции позволяет непрерывное диагностирование электрооборудования. Для его реализации целесообразно дополнить современные микропроцессорные системы защиты функцией диагностирования.

    В настоящее время наиболее широко применяются методы диагностирования на отключенном оборудовании, зачастую для их применения временно создаются специальные схемы для измерений и благодаря этому такие методы имеют достаточно высокую точность определения места дефекта. Чем точнее определено место дефекта, тем быстрее и с меньшими затратами удается устранить этот дефект. А если удается определить не только место, но и величину сопротивления изоляции в месте дефекта, то можно прогнозировать предельно допустимое время работы с таким дефектом [1]. Однако, в настоящее время нет методов, позволяющих в рабочем режиме присоединения кабель-электродвигатель (ЭД) 6 – 10 кВ выявлять параметры дефектов изоляции. Многие методы ориентированы на выявление замыканий на землю в рабочем режиме, но параметры дефектов изоляции они не определяют [2 – 5].

    Целью работы является создание алгоритма определения параметров дефектов электрической изоляции оборудования, предназначенного для реализации в микропроцессорных системах защиты.

    Современные системы выявления дефектов изоляции на ранней стадии развития должны работать в автоматическом режиме и не требовать отключения оборудования для проведения необходимых измерений.

    Одним из методов выявления дефектов изоляции является решение системы уравнений текущего состояния, в котором в качестве входных используются параметры режима. В результате решения определяются величины комплексных проводимостей изоляции фаз [6]. Благодаря этому представляется возможность выявления дефектов изоляции. Но место дефекта в этом методе не определяется.

На рис.1 приведен общий алгоритм определения параметров дефектов изоляции присоединений кабель-электродвигатель.

Исследования показали, что точность расчёта места дефекта изоляции выше в случае использования разных алгоритмов в зависимости от степени дефекта. По значению напряжений фаз по отношению к земле не всегда возможна идентификация замыкания на землю. Например, при замыкании в обмотке статора ЭД контролируемые напряжения могут иметь такие же значения, как и при дефекте изоляции в питающем кабеле или в другой точке обмотки статора ЭД.

    Однозначно можно определить, что возник дефект или замыкание по вектору тока нулевой последовательности, фаза которого определяется по отношению к вектору линейного напряжения [7]. Каждой величине дефекта и точке дефекта соответствует только один вектор 3?0. Поэтому в результате итерационного процесса определения параметров дефекта путем расчёта вектора 3?0 для предполагаемых параметров дефекта и его сравнения с действительным значением вектора 3?0 достаточно точно определяется сопротивление Zdef .

    Для определения параметров дефекта изоляции (b , Zdef) в рабочем режиме используются алгоритмы, которые получены на основании системы уравнений текущего состояния. Система составлена в соответствии со схемой замещения (рис. 2).

   Просуммировав уравнения системы (1) и выполнив некоторые преобразования, получим:

   Для определения продольного сопротивления фазы присоединения ZA запишем другое уравнение:

   Из уравнения (3) найдём сопротивление ZA:

   В выражениях (2) и (4) в качестве тока Id в месте дефекта может приниматься ток нулевой последовательности 3I0 без учёта собственной ёмкости присоединения.
   Полученное выражение (2) используется для нахождения значения удалённости до места дефекта b после того, как в результате решения системы уравнений текущего состояния присоединения было найдено значение Zdef .
   Поэтому предложен специальный метод, для использования которого нет необходимости предварительного определения сопротивления дефекта изоляции.
   Для определения удалённости b при неизвестной величине сопротивления дефекта Zdef составим новую систему уравнений:

   Если принять, что продольные сопротивления фаз присоединения равны между собой ZA= ZВ= ZС= ZН, а также Id=IА+IВ+IС , то из системы (5) найдём:

   где продольное сопротивление фазы нагрузки находится:

   По схеме замещения (рис. 2) запишем:

   Из (8) получим:

Предложенные алгоритмы определения параметров дефектов изоляции использовались на физической модели присоединения кабель-электродвигатель. Некоторые результаты приведены в таблице.

Табл.1-Результаты экспериментального определения удалённости локальных дефектов изоляции (Zdef = 200 Ом)

    Рассмотренный общий алгоритм определения параметров дефектов изоляции прошёл проверку в лабораторных условиях и рекомендуется для реализации в микропроцессорных терминалах, используемых для защиты и управления электродвигателями 6-10 кВ.

1. Для повышения надежности работы широко применяемых присоединений нагрузки – присоединений электродвигателей, необходимо оснастить средствами непрерывного диагностирования. Обязательному выявлению подлежат локальные дефекты изоляции питающего кабеля и обмотки статора электродвигателя.
2. Реализовать функцию диагностирования целесообразно путем расширения функциональных возможностей цифровой релейной защиты присоединений.
3. Основными требованиями к выявлению локальных дефектов являются:
   • диагностирование в рабочих режимах, т.е. без отключения присоединений;
   • распознавание вида дефекта изоляции – распределенный или локальный;
   • определение расположения локального дефекта путем оценки удаленности от начала присоединения и нахождения величины эквивалентного сопротивления изоляции в месте локального дефекта изоляции.
4. Разработанные алгоритмы определения параметров локальных дефектов изоляции, основанные на использовании измерений параметров рабочего режима (токи фаз, напряжения фаз относительно земли) и решении системы уравнений текущего состояния, прошли экспериментальную проверку и рекомендуются к реализации в микропроцессорных защитах электродвигателей.

1. Булычев А.В., Нудельман Г.С. Упреждающие функции релейной защиты // Сборник докладов международной НТК «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», М., 2009. – С. 72 – 78.
2. Фигурнов Е.П., Бодров П.А. Определение места однофазного замыкания на землю в высоковольтных линиях электроснабжения автоблокировки железных дорог // Релейная защита и автоматика энергосистем 2004. Сборник докладов. – ВВЦ г. Москва. - 2004. – С. 88-93.
3. Welfonder T., Leitloff V., Feuillet R., Vitet S. Location Strategies and Evaluation of Detection Algorithms for Earth Faults in Compensated MV Distribution Systems. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, vol. 15, No. 4, Oct.
4. Качесов В.Е. Метод определения зоны однофазного замыкания в распределительных сетях под рабочим напряжением // Электричество. – 2005. - № 6. – С. 9-19.
5. Стогний Б.С. Определение места однофазного замыкания на землю. Стогний Б.С., Рогоза В.В., Сопель М.Ф., Голубов О.Ю. // Техн. електродинаміка. – 2007.- № 2. – с.60-63.
6. Grebchenko N.V., Koval I.I., Sidorenko A.A., Smirnova M. A. Definition of complex admittance of electric isolation without disconnecting of electrical equipment Compatibility and Power Electronics СPE2009. 6Th International Conference-Workshop 978-1-4244-2856-4/09.© 2009 IEEE. P. 61-66.
7. Гребченко Н.В., Сидоренко А.А. Интеллектуальная система для определения места и степени локальных дефектов изоляции в сети с изолированной нейтралью. Сборник докладов. Релейная защита и автоматика энергосистем-2006. М. ВВЦ.- 2006.- С. 150-152.

Вернуться в библиотеку