автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка способа и устройства контроля изоляции в электрических сетях напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью

На правах рукописи

Коряков Денис Валентинович

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 кВ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (электроэнергетика)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Челябинск - 2005

Работа выполнена в Читинском государственном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Суворов И. Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бухтояров В. Ф.;

кандидат технических наук, доцент Шестакова Л. И.

Ведущее предприятие - ЗАО «Читинские ключи».

Защита состоится 28 апреля 2005 г. в 12 часов в ауд. 1001 на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 4540802, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76, ЮУрГУ. Факс: (3512) 67-94-49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ю. С. Усынин

40ЧЫ

мая«

3

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние годы отмечается неуклонное увеличение доли протяженности электрических сетей напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью по отношению к сетям других классов напряжений. В первую очередь это связано с ростом объёмов строительства в сфере малого и среднего бизнеса, а также жилья. Вместе с тем, отмечается и рост уровня электротравматизма в низковольтных сетях.

Если в промышленности основная доля всех случаев электротравматизма происходит по организационным причинам, то в жилищно-коммунальном хозяйстве и на малых частных предприятиях основная причина поражений электрическим током - неудовлетворительное состояние изоляции электрических сетей. В старых зданиях сопротивление изоляции, как правило, снижается вследствие её естественного старения и механических повреждений. Во вновь строящихся - вследствие перегрева изоляции из-за несоответствия сечения проводов мощности подключаемой нагрузки. Основной причиной износа изоляции для всех сетей до 1 кВ является большое число эксплуатирующих их организаций и частных лиц и, как следствие, низкое качество обслуживания электрических сетей.

Следует отметить, что существующие на сегодняшний день такие электрозащитные меры, как защитное заземление, зануление, защитное отключение, часто оказываются неэффективными в силу ряда причин. Кроме того, эти меры направлены на снижение опасности прикосновения человека к открытым проводящим частям, оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции.

Повышение уровня электробезопасности можно обеспечить применением непрерывного контроля изоляции, исключив тем самым эксплуатацию сетей с ее низким сопротивлением. Однако имеющиеся на данный момент средства контроля изоляции являются несовершенными и неэффективными.

В этой связи исследование и разработка способов и устройств непрерывного контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение уровня электробезопасности в сетях напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью путём организации непрерывного контроля изоляции фаз сети относительно земли.

Идея работы состоит в том, что для измерения и контроля параметров сопротивления изоляции сети относительно земли используется информационный сигнал в виде синусоидального напряжения непромышленной частоты, налагаемый на напряжение контролируемой сети от постороннего источника.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Классификация способов контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью.

2. Способ определения параметров изоляции относительно земли отдельных фаз сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ основанный на применении дополнительного трансформатора напряжения, используемого для наложения информационного сигнала на контролируемую сеть, а также на измерении токов в обмотках дополнительного трансформатора напряжения и их фаз, отличающийся тем, что дополнительно измеряют значение тока в нейтрали силового трансформатора, а также фазу этого тока относительно напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения;

3. Для электрических сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ необходимо определение как активного, так и емкостного сопротивления изоляции фаз относительно земли, как важнейших факторов обеспечения условий электробезопасности.

4. Устройство контроля изоляции с наложением сигнала непромышленной частоты, предназначенное для сетей до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, позволяющее автоматически определять активное и емкостное сопротивление изоляции отдельных фаз относительно земли без нарушения це-лосности контролируемой сети.

Обоснованность и достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждается: корректным применением известных методов расчёта и анализа электрических цепей в совокупности с использованием компьютерного моделирования рассматриваемых процессов, сопоставимостью полученных теоретических и экспериментальных данных, а также хорошей воспроизводимостью результатов при многократных измерениях.

Научное значение работы заключается в установлении влияния величины емкости изоляции относительно земли в сети напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью на величину тока утечки через изоляцию; в разработке модели сети с глухозаземлённой нейтралью для случая протекания по ней тока непромышленной частоты; в разработке способа определения параметров изоляции относительно земли, что в совокупности позволит дополнить теорию диагностики состояния изоляции низковольтных сетей.

Практическое значение работы состоит в разработке устройства непрерывного контроля изоляции сетей до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, позволяющего определять активное и емкостное сопротивление изоляции сети относительно земли, использование которого позволяет повысить уровень электро- и пожаробезопасности при эксплуатации низковольтных сетей за счёт своевременного выявления и устранения участков сети с повышенным током утечки.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО «Читинские ключи» при эксплуатации электрической сети 380 В с глухозаземленной нейтралью, а также в учебном процессе при подготовке специалистов Энергетического института Читинского государственного университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IX международной научно-технической конференции студентов и аспиран-

• »V-•

.те-»» '

тов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2002 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (Челябинск, 2003 г.), Второй межрегиональной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2003 г.), а также на конференциях и научных семинарах Энергетического института Читинского государственного университета и ЮжноУральского государственного университета.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения, содержит 150 страниц, 60 рисунков, 13 таблиц, 1 приложение.

Основное содержание работы

Глухозаземлённый режим нейтрали применяется в сетах до 1 кВ крупных промышленных предприятий, городских и сельских сетях. Особенностью этих сетей является их протяжённость, разветвлённость и разница в квалификации персонала, обслуживающего отдельные участки сети. Все это вместе обусловливает сложность обеспечения должного уровня электробезопасности на всём протяжении сети - от подстанции до отдельных электроприёмников.

Исследованию эффективности работы существующих способов обеспечения электробезопасности в низковольтных сетях с глухозаземлённой нейтралью и разработке для этих целей новых способов посвящено большое количество работ. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли такие учёные как: Е. Ф. Цапенко, Ф. Я. Мотуско, Р. Н. Карякин, А. X. Слобод-кин, В. И. Щуцкий, В. Е. Манойлов, и другие.

Д-р техн. наук Р.Н.Карякин разделяет все электрозащитные меры для трёхфазных сетей напряжением 220/380 В на три уровня:

1) основная защита;

2) защита при повреждении (изоляции);

3) дополнительная защита.

При этом отмечается, что для рассматриваемого вида сетей основную роль при обеспечении электробезопасности играет защита при повреждении, которая может включагь одно или более классических защитных мероприятий:

- автоматическое отключение, в том числе с использованием устройств защиты от сверхтоков и устройств защиты, реагирующих на дифференциальный ток (УЗО-Д);

- зануление (системы TN);

- защитное заземление с использованием защитных устройств для защиты от сверхтоков (система ТТ), в т.ч. повторное заземление.

Проведённый автором анализ эффективности работы защитного заземления и зануления показал следующее:

- эффективность защитного заземления в сетях 0,4 кВ с глухозазем-лённой нейтралью в значительной мере зависит от соотношения R/R3n (где R3 - сопротивление заземления нейтрали силового трансформатора, R3n - сопротивление повторного заземлителя повреждённой электроустановки);

- применение только защиты от сверхтока в системе ТТ не обеспечивает электробезопасность на должном уровне. Наиболее целесообразно применение устройств, реагирующих на сверхтоки и дифференциальный ток утечки;

- применение зануления обеспечивает снижение напряжения на открытых проводящих частях (ОПЧ) до безопасных значений лишь при применении повторного заземления ОГГЧ;

- на корпусах электрооборудования, связанных с аварийным электроприемником системой зануления, может появиться опасное для жизни напряжение;

- наиболее эффективной системой зануления является система типа TN-S, однако она требует дополнительных затрат, обусловленных прокладкой защитного нулевого проводника;

- существует ряд аварийных ситуаций, при которых любая система зануления в комплексе с защитой от сверхтока не эффективна с точки зрения обеспечения электробезопасности.

Применение устройств защитного отключения позволяет значительно снизить вероятность электропоражения за счёт быстрого отключения электрической цепи от источника питания при прикосновении человека к оказавшимся под напряжением открытым проводящим частям электроустановки или прямом контакте с токоведущими частями. Однако при этом УЗО, реагирующие только на дифференциальный ток утечки, не срабатывают при следующих видах аварийных ситуаций:

- занос потенциала по PEN или РЕ проводнику при замыкании фазы на PEN или РЕ проводник со стороны питания по отношению к УЗО;

- замыкание фазы на корпус со стороны питания;

- разрыв PEN или РЕ проводника;

- обрыв фазного провода на стороне питания с замыканием на землю;

- обрыв фазного провода на стороне питания без замыкания на землю.

В этих случаях на корпусе электроустановки либо появляется опасное

для человека значение потенциала, либо электроустановка остается без защиты (при обрыве РЕ проводника). Кроме того, эффективность работы УЗО зависит от таких факторов, как величина и фаза естественных токов утечки, наличие повторного соединения рабочего нулевого и защитного проводников и т.д. Данные факторы могут либо увеличивать чувствительность, вызывая ложные срабатывания УЗО, либо загрублять уставку УЗО, приводя к несрабатыванию последнего в аварийной ситуации.

Сказанное позволяет сделать вывод о том, что с точки зрения повышения уровня электробезопасности целесообразнее применить защитную меру, позволяющую выявить появление опасного тока утечки на ранней стадии и исключить эксплуатацию линии или электроприёмника с низким сопротивлением изоляции, предотвращая тем самым появление напряжения на металлических нетоковедущих частях, а не стараться уменьшить опасность при прикосновении человека к корпусу, оказавшемуся под напряжением.

Осуществить подобный подход можно лишь путём контроля параметров изоляции.

На данный момент основным методом контроля состояния изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью является метод измерения её сопротивления при помощи мегаомметра. Однако, в силу рядя причин, контроль изоляции мегаоомметром не отражает истинного состояния изоляции и не может являться критерием электробезопасности. Это подтверждает необходимость применения непрерывного контроля изоляции пу гём использования специальных устройств.

Большинство из разработанных устройств контроля изоляции предназначены для работы в сетях с изолированной нейтралью (УАКИ, АЗАК и т. п.). Для сетей с глухозаземлённой нейтралью, несмотря на актуальность проблемы, существует достаточно мало разработок, и практически все они относятся к 70 - 80 гг. прошлого века. Ни одна из них при этом не получила широкого распространения. Причиной этого является либо неселективность работы устройств, либо снижение общей надёжности системы при совместной работе сети и устройства контроля изоляции. Таким образом, задача по обеспечению электробезопасности с помощью устройства непрерывного контроля изоляции остаётся актуальной.

В соответствии с изложенным, перед разработкой нового, более совершенного и эффективного устройства контроля изоляции был определён следующий круг задач для исследования:

- определить оптимальные параметры информационного сигнала, при помощи которого будет производиться контроль изоляции, а также выявить наиболее оптимальны*! способ его измерения;

- определить взаимосвязь параметров сети и информационного сигнала;

- на основании проведённых исследований разработать устройство непрерывного контроля изоляции и исследовать его работу в сети с глухозаземлённой нейтралью до 1 кВ.

С целью анализа работы схем и способов контроля изоляции в сетях с глухозаземлённой нейтралью была разработана классификация существующих способов по ряду признаков (рис. 1).

Периодичность контроля

Наличие рабочего напряжения в контролируемой сети

Источник

инф ормационног о

сигналя

Способ включения источника информационного сигнала

Вид

информационного сигнала

Измеряемый параметр информационней* о

сигнала

СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ

Перв

Пестеяххы& хехтрел*

|Предварителшый |

Нецсушхы!

X

Отсутствие

р|(»чеге и>м яшекия

х

Н акр яженхе сет*

Пестере хххх

Вы яр ям лек хын ток

П ер е мен мы х тех Г» 50 Гц

С разрывом к онтр олируемой сети

П ер еиеххый тех Г >50 Гщ

Без разрыва контролируемой сети

П естеяххый тек

Измереххе декствумщеге »ачехня

Измерение фазы

Нзнсреххе амжлятуды к фержвх хшудвса

Рис. 1. Классификация способов контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью

Разработанная классификация направлена, прежде всего, на учет технических особенностей совместимости существующих способов контроля изоляции с сетью. Отличие данной классификации от подобных, разработанных для сетей с изолированной нейтралью, состоит в том, что для глухоза-землённого режима нейтрали принципиально неприменимы способы контроля изоляции, основанные на измерении напряжения нулевой последовательности и создании искусственного замыкания на землю. Следовательно, данные способы не могут быть включены в эту классификацию.

Согласно предлагаемой классификации существующие способы контроля изоляции в низковольтных сетях с глухозаземлённой нейтралью можно разделить по следующим основным признакам:

- степени периодичности контроль изоляции;

- наличию или отсутствию рабочего напряжения сети;

- виду источника информационного сигнала;

- виду самого информационного сигнала;

- измеряемому параметру информационного сигнала.

Все существующие способы по первому признаку могут быть разделены на две группы:

- осуществляющие периодический контроль изоляции;

- осуществляющие постоянный контроль изоляции.

Периодический контроль осуществляется проведением эпизодических

кратковременных измерений параметров изоляции, в то время как постоянный контроль изоляции осуществляется непрерывно в течение всего времени эксплуатации сети или в течение какого-либо длительного промежутка, соответствующего одному из режимов работы сети. Постоянный контроль изоляции также может быть разделён на две группы: предварительный и непрерывный.

По второму признаку способы контроля изоляции подразделяются на работающие при наличии или отсутствии рабочего напряжения сети. При этом периодический и предварительный контроль изоляции осуществляется либо при отсутствии, либо при наличии рабочего напряжения (в зависимости от схемного исполнения). Непрерывный же контроль изоляции в идеальном случае должен осуществляться вне зависимости от наличия рабочего напряжения, а значит, данный способ даёт наиболее полное представление сопротивлении изоляции.

По виду источника информационного сигнала (то есть входной величины, по параметрам которой определяется значение сопротивления изоляции) можно выделить следующие группы, использующие в качестве источника:

- напряжение контролируемой сети;

- напряжение постороннего источника.

При этом способы, использующие посторонний источник сигнала по типу его включения в контролируемую сеть можно разделить на две группы:

- включение с разрывом контролируемой сети(фазных проводником или нейтрали силового трансформатора);

- включение без разрыва контролируемой сети.

Здесь наиболее предпочтительной является вторая группа, так как использование постороннего источника информационного сигнала позволяет сделать процесс измерений независимым от колебаний напряжения в контролируемой сети, а его включение в сеть без нарушения ее целостности не снижает общей надежности системы.

По виду используемого информационного сигнала рассматриваемые способы можно разделить на пять групп:

- использующие переменный ток частотой 50 Гц;

- использующие постоянный ток;

- использующие выпрямленный ток;

- использующие ток частотой свыше 50 Гц (синусоидальный и несинусоидальный);

- использующие импульсный ток (напряжение).

Среди этих пяти групп необходимо выделить способы, в которых применяется переменный ток промышленной или повышенной частоты, а также импульсный ток, как дающие наиболее достоверную информацию о величине сопротивления изоляции.

Однако при этом следует отметить, что первый способ (с использованием тока частотой 50 Гц) обладает низкой помехозащищённостью, а осуществление импульсного способа контроля изоляции связано с техническими трудностями.

Последний признак, по которому классифицируются устройства контроля изоляции - измеряемые параметры информационного сигнала. Согласно предлагаемой классификации для информационного сигнала в рассматриваемых способах могут измеряться:

- действующее (или средневыпрямленное) значение;

- фаза;

- амплитуда и форма сигнала.

Соответственно, амплитуда и форма измеряются обычно для импульсного информационного сигнала, а действующее значение - для всех остальных рассматриваемых. Фазовый сдвиг сигнала (по отношению к какому-либо опорному источнику) может оцениваться, например, с целью определения характера величины сопротивления изоляции (активное или емкостное).

Выбор наиболее эффективного способа контроля изоляции проводился в соответствии с рядом требований, которые сформулированы для способов контроля изоляции в сети с глухозаземлённой нейтралью:

- непрерывность осуществления контроля параметров изоляции;

- обеспечение достаточной точности измерений вне зависимости от величины информационного сигнала и изменения внешних условий;

- максимальная информативность и достоверность при измерении контролируемого параметра изоляции;

и

- способ не должен ухудшать надёжность работы сети и условия электробезопасности;

- способ должен быть прост в осуществлении, надёжен и удобен в использовании.

Проведённый анализ рассматриваемых в классификации способов показал, что наиболее полно данным требованиям отвечает способ, осуществляющий контроль изоляции токами повышенной частоты с использованием измерения действующего значения и фазы информационного сигнала. Таким образом, для дальнейшей разработки может быть взят именно этот способ.

Сущность контроля изоляции токами непромышленной частоты состоит в наложении сигнала от постороннего источника на контролируемую сеть с целью исключения влияния на схему измерения внешних воздействий.

Для выбора параметров информационного сигнала была разработана модель сети с посторонним источником сигнала непромышленной частоты, выполненная в программе Micro-Cap (Evaluation 7.0.9).

Предлагаемая модель приведена на рис. 2. Модель содержит фазные источники ЭДС VI, V3, V4 частотой 50 Гц и источник ЭДС повышенной частоты V2. Параметры изоляции приняты сосредоточенными и представлены сопротивлениями R и емкостями С. Информационный сигнал снимается со вторичной обмотки L6 трансформатора тока, нагруженной на полосовой фильтр XI. Первичные обмотки трансформатора тока представлены индук-тивностями L2 - L5, включенными в фазные и нулевой проводники.

гФ-

V3 V4

12 vmv

К1

L3 •row

L4

il"

с т ? R

V2©

L5

R1

In

1« ? le £

X1

Out R5

Рис. 2. Модель сети с источником сигнала непромышленной частоты

Действующее значение и частота информационного сигнала выбирались исходя из требований ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Согласно ГОСТу нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения ки составляет 8%. Данному значению ки соответствует действующее значение напряжения информационного сигнала, равное 17,6 В.

Частота информационного сигнала была выбрана исходя из допустимого значения коэффициента n-й гармонической составляющей kU(„). При этом принималось во внимание, что при наличии в сети только напряжения основной частоты и информационного сигнала значения kU(n) и ки равны. Согласно ГОСТу, действующее значение напряжения 17,6 В допускается для нечетных гармонических составляющих не выше седьмой. То есть максимально допустимая частота информационного сигнала не должна превышать 350 Гц.

При моделировании рассматривались три возможных формы сигнала: синусоидальная, квадратичная и треугольная. Действующее значение напряжения для каждой формы сигнала - 17,6 В, частота сигнала - 350 Гц. Для каждого случая рассматривался вид кривой фазного напряжения (VI, V3, V4), напряжения на выходе генератора сигнала повышенной частоты (V2) и тока в нагрузке полосового фильтра (Irs). При этом степень искажения кривой фазного напряжения оценивалась путём определения коэффициента формы кф и коэффициента амплитуды ка для получившихся в результате моделирования кривых и сравнения этих коэффициентов с известными для синусоидального напряжения промышленной частоты (кф = 1.11, ка = 1.41).

Значения коэффициентов кф и ка, а также амплитуды тока IR5 приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты моделирования

Вид информационного сигнала кф ка IR5, мкА

Синусоидальный 1.10 1.41 0.341

Треугольный 1.10 1.51 0.339

Квадратичный 1.10 1.45 0.312

Анализ результатов моделирования показал, что максимальная амплитуда выходного сигнала с трансформатора тока обеспечивается при синусоидальной и треугольной форме сигнала непромышленной частоты, а минимальная - при квадратичной. При этом искажение формы кривой фазного напряжения во всех случаях одинаково, а минимальное искажение по амплитуде наблюдается при синусоидальном сигнале непромышленной частоты.

Таким образом, для информационного сигнала была выбрана синусоидальная форма; действующее напряжение сигнала - 17,6 В, частота - 350 Гц.

На основании проведённых исследований предложен способ измерения параметров изоляции каждой фазы относительно земли с использованием оперативного сигнала непромышленной частоты. Схема измерений представлена на рис. 3.

Сущность способа состоит в том, что сигнал непромышленной частоты подаётся в сеть через дополнительный трансформатор Т2, вторичные обмотки которого подключены к фазам контролируемой сети, а их нулевая точка заземлена через сопротивление На первичную обмотку трансформатора нагружен генератор сигнала . Напряжения на вторичных обмотках Т2 из-

меряются вольтметрами VI- УЗ. Токи во вторичных обмотках дополнительного трансформатора измеряются при помощи трансформаторов тока ТА1 -ТАЗ, нагруженных на амперметры через полосовые фильтры XI - ХЗ. Также измеряется ток на частоте информационного сигнала в нейтрали силового трансформатора Т1. Кроме того, в схему введены фазометры <р1 - ф4 для измерения сдвига фаз между токами во вторичных обмотках Т2 (а также в нейтрали Т1) и напряжениями вторичной обмотки дополнительного трансформатора.

С1

Рис. 3. Схема измерения параметров изоляции каждой фазы относительно

земли в сети с глухозаземлённой нейтралью с использованием оперативного сигнала непромышленной частоты

Параметры изоляции относительно земли принимаются сосредоточенными, продольные активные и индуктивные сопротивления фазных проводников не учитываются, междуфазные активные и ёмкостные сопротивления имеют бесконечно большую величину.

Расчётная схема замещения данной сети для токов непромышленной частоты представлена на рис. 4. С учётом того, что из-за введения полосовых фильтров токи в сети измеряются только на частоте оперативного сигнала, фазные ЭДС на частоте 50 Гц в схеме не учитываются. Обмотки силового трансформатора представляются в виде комплексных сопротивлений ХИ, Ъх2, ЪЗ. Вторичные обмотки дополнительного трансформатора представлены в виде сопротивлений Ъ\, Ъ2, ЪЪ и ЭДС Е1, Е2, ЕЗ. Сопротивление нейтрали силового трансформатора принимаем активным и равным К.

т

2X2

аэ

|ц

Д2

ЛЗ

О*

иГ

в!

1зТ

иЙвЙи[[ Е<)(Ю

'•1

,ь|

^ п а и

о

ч

2сП

Рис. 4. Расчетная схема замещения

Для дальнейших расчётов схема была преобразована с учётом следующих допущений:

- ЭДС Е1, Е2, ЕЗ равны между собой по фазе и амплитуде, то есть Е1 = Е2 = ЕЗ = Е = Ег/Кт (Ег - ЭДС генератора оперативного сигнала, Кт - коэффициент трансформации дополнительного трансформатора);

- сопротивления Ъ\ 1 = ЪМ = ТХЬ -Ъ\.\

- сопротивления 21, Т2, ЪЪ принимаются по величине много меньше сопротивлений и Ъа, ХЪ, Тс и, соответственно, не учитываются.

Упрощённая расчётная схема показана на рисунке 5.

а/з=гт О

Рис. 5. Упрощенная схема замещения Потенциалы точек 1 и 3 данной схемы могут быть определены методом узловых потенциалов. Система уравнений будет иметь вид:

УО + Уа + УЬ + Ус + уЛср, -Утф3=ЕУО

-Утф, +(Ут+0)ф3 =0

1 • 1 • 1 • 1 • 1 1 где Уа = —;УЬ = —;Ус =—;У0 = —;Ут=—;0 = -.

га гь Ъс го г, я

Решив систему, получим:

Е У0(Ут+ в)

ч>.=--:-:-т—--тт; (2)

(У0 +Уа +УЬ +Ус +Ут)(Ут+0)-Ут

_-ЕУОУт__...

Ф, =—-;-;-;-;-;-—• (3)

(У 0 + У а + УЬ + Ус + Ут)(Ут+ в) - Ут Токи 1а, 1Ь, 1с определятся как

, V _ЕУ0(Ут+ в)Уа ...

1а = ф,Уа=--:-:-^-^—:-—; (4)

(У0 +Уа +УЬ +Ус +Ут)(Ут+0)-^У

т

1Ь = ф]УЬ =-ЕУ0(Ут+О)УЬ_г: (5)

(УО + Уа + УЬ + Ус + Ут)(Ут+ й) - У

т

. V __ЕУ0(Ут+Р)Ус __...

1с = ф,Ус=—-;-;-^-^——-гт. (6)

(УО + Уа + УЬ + Ус + Ут)(Ут + в) - Ут

Обозначим сумму Ут+ в за Ум. Тогда с учётом того, что токи 1а, 1Ь, 1с известны из результатов измерений (1а = Г, - 1м/3,1Ь = 12 - 1м/3,1с = 13 - 1м/3 ), после преобразований выражений получим систему из трёх уравнений с тремя неизвестными относительно величин Уа, УЬ, Ус:

. 2

(ЕУ0-1а)Уа-}аУЬ-1аУс = {а(У0 +Ут--^)

Ум

. г

-1ьУа + (ЕУ0-1Ь)УЬ-1ЬУс = 1Ь(У0 + Ут-^) (7)

У* . 2

-1сУа-1сУс + (ЕУ0-1с)Ус = 1с(У0 +Ут--^-)

Ук

Решив систему, получим

Уа = —;-Ч1^-'• > (Ю

1аУэ

ЕУО -1а-1Ь- 1 с

1ЬУэ

ЕУО — 1а — 1Ь — 1с

1сУэ

УЪ = —-г-Ч-(9)

ус = _-----_ (Ю)

ЕУ0-1а-1Ь-1с . 2

где Уэ = У0 + Ут-^-.

Перейдем от токов 1а, 1Ь, 1с к токам II, 12,1з в обмотках дополнительного трансформатора. Из рис. 4:

1а = 1з— 1,з, (11)

1Ь = Ь-1,2, (12)

1с = I,- 1м, (13)

где 1ц, 1,2, Ь - токи в обмотках силового трансформатора на частоте информационного сигнала. С учетом того, что 211 = 212 = 20 =Ъ., для токов 1и, 1(2,1(з можно записать:

1ц = = =

Тогда ток в нейтрали силового трансформатора на частоте информационного сигнала будет равен

Ь + Ь + Ь =ЗЬ. (14)

На основании выражений (11 - 14) токи 1а, 1Ь, 1с равны

(15)

1Ь = Ь-1Ь., (16)

= (17)

Подставим выражения (15 - 17) в (3 - 10) и после преобразований получим

(Ь--1н)Уэ

Уа = —--3-—-—(18)

ЕУ0-1,-Ь-Ь+Ь

(Ь--1н)Уэ

УЬ = — ,3, . . , (19)

ЕУ0-1,-Ь-Ь+Ь

Ус = —-.3. . . ■ (20)

ЕУ0-1,-Ь-Ь+1м

Активные и емкостные сопротивления изоляции фаз относительно земли определятся по соотношениям:

ЯА =(КеУа)-';Кв =(КеУЬ)"';Кс =(ЕеУЬ)-'; (21)

ХА = (1тУа)-';Хв = (1тУЬ)-';Хс = (1тУс)-'. (22)

Полученные расчетные соотношения справедливы только при отсутствии соединения рабочего нулевого проводника с корпусом нагрузки. Поэтому область применения способа при наличии нагрузки составляют сети выполненные по системе ТЫ-в, при отсутствии нагрузки - любые виды сетей с глухозаземленной нейтралью.

При измерении сопротивления изоляции протекающему через неё току непромышленной частоты встаёт вопрос о соотношении параметров изоляции на частоте оперативного сигнала и частоте 50 Гц. Для выявления этой зависимости использована известная схема замещения фазной изоляции для низковольтного провода (кабеля), учитывающая наличие тока абсорбции.

Для этой схемы также известны частотные зависимости ёмкости и активной проводимости изоляции

ст

С(со) = С + —-, . (23)

ют +1

. 1 зсоЧ2 ,„_ч

0(<в) = + 2 2 . (24)

Я со х +1

где б - комплексная проводимость ветви с током абсорбции; т - постоянная времени затухания тока абсорбции; Я - сквозное сопротивление изоляции; С - геометрическая емкость изоляции. Соответственно модуль полного сопротивления изоляции определяется как

= 1/л/0!(со) + о)гСг(со). (25)

С использованием данных выражений был построен график зависимости полного сопротивления изоляции от частоты для сетей с глухозаземлён-ной нейтралью 0,4 кВ. При построении графика величины К и С были взяты

средними для применяемых в низковольтных сетях типов проводов и кабелей. График представлен на рис. 6.

Из данного графика можно вывести соотношение между полным сопротивлением изоляции на частоте 50Гц Z50 и полным сопротивлением изоляции Zm на частоте f оперативного сигнала:

Z„=Z50^, (26)

со

где со5о = 2тг-50 Гц.

Указанное соотношение может служить для градуировки измерительных приборов при реализации опт ываемого способа.

г. М0м/м z»F(i)

SO 100 150 300 250 500 360 400 «80 600

Рис. 6. Зависимость Z = F(f)

С целью проверки полученных расчётных соотношений и подбора оптимальных параметров элементов схемы измерения были проведены экспериментальные исследования предлагаемого способа на компьютерной и физической моделях электрической сети с глухозаземлённой нейтралью.

Компьютерная модель была создана в программе Micro-Cap для определения оптимальной величины сопротивления Z0, включаемого в нейтраль дополнительного трансформатора.

Необходимость в подборе величины Z0 возникает из-за того, что при соизмеримости величин параметров Z0 и суммарного сопротивления вторичных обмоток и нейтрали силового трансформатора становится весьма значительной методическая погрешность при определении величины активного и емкостного сопротивления изоляции.

Зависимость методической погрешности метода от величины Z0 показана на рис. 7. При этом величина погрешности определялась по формуле

е= 2ф72ф'х100,%, (27)

2ф

. /

где 2Ф и г ф - истинное и измеренное значения полного сопротивления изоляции одной из фаз.

с.%

Рис. 7. Зависимость е = Д20)

Из полученной зависимости следует вывод о том, что погрешность измерений в допустимых пределах (до 10%) наблюдается при величине 20 до 100 Ом и более 10 кОм. Это связано с тем, что в диапазоне от 100 Ом до 10 кОм значения дополнительного сопротивления 20 и суммарного сопротивления обмоток силового трансформатора и заземления его нейтрали близки по величине, что, в свою очередь, вносит значительную угловую погрешность в измерения. Поэтому при практическом осуществлении способа величина 20 должна быть или менее 100 Ом, или более 10 кОм.

Физическая модель представляет собой лабораторный стенд, состоящий из модели сети с глухозаземленной нейтралью и устройства, реализующего предлагаемый способ измерения параметров изоляции фаз относительно земли. При этом модель сети позволяет изменять параметры изоляции путем изменения величин активных сопротивлений и емкостей.

На физической модели были получены зависимости тока утечки 1ут от величины активного сопротивления Я изоляции - 1ут= №) (рис. 8), емкости сети С относительно земли - 1ут = КС) (рис. 9) и длины линии 1ут = (рис. 10) для диапазона частот информационного сигнала 50...500 Гц. Данные рамки частотного диапазона обусловлены пропускной способностью дополнительного трансформатора напряжения и частотными характеристиками измерительных приборов. В качестве нижней границы сопротивления и емкости изоляции были приняты Я = 10 МОм и С = 2-10'4 мкФ.

1ут, мА 14 ■

12'

10'

-50 Гц I--300 Гц I -500 Гц f

01

0.000

0.005 0,010 0.015 0,020 С, мкФ

Рис. 8. График зависимости I = f(C), при R = 10 МОм

1ут, мА о,14.

012 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 ООО

-dF-

■МН-в-

-50 Гц -300 Гц -500 Гц ¡

I

200

I

400

1 I

600

I

800

1000

R, МОм

Рис. 9. График зависимости I = f(R), при С = 2-10 мкФ

Рис. 10. График зависимости I =

На основе анализа экспериментальных данных и графических зависимостей можно сделать следующие выводы:

- при увеличении частоты оперативного сигнала модуль тока утечки возрастает прямо пропорционально частоте, что подтверждает применения предложенного способа для определения параметров изоляции фаз сети с глухозаземленной нейтралью;

- с увеличением протяженности сети модуль тока утечки определяется в основном реактивной составляющей, обусловленной емкостью сети относительно земли;

- при данных соотношениях активного и емкостного сопротивления изоляции модуль тока утечки практически не зависит от величины активного сопротивления, и возрастает прямо пропорционально с увеличением емкости изоляции относительно земли, что подтверждает необходимость определения не только активного, но и емкостного сопротивления изоляции.

На основании предложенного способа было разработано устройство непрерывного контроля полного сопротивления изоляции сети с глухозазем-лённой нейтралью относительно земли. Функциональная схема устройства показана на рис. 11.

Устройство содержит силовой трансформатор Т1, дополнительный трансформатор Т2, генератор непромышленной частоты 01, заземляющее устройство Я, дополнительное сопротивление ЪО, трансформаторы тока ТА1 - ТА4, полосовые фильтры XI - Х4, дифференциальные усилители 1 - 3, синхронные детекторы 4-6, асинхронные детекторы 7-9, измерительные органы 10 - 15, пороговый элемент 16, исполнительный орган 17. Вторичные обмотки дополнительного трансформатора Т2 соединены в звезду и подключены к фазам контролируемой сети, При этом первичная и вторичные обмотки Т2 расположены на одном кольцевом магнитопроводе, что позволяет исключить трансформацию фазного напряжения с вторичной на первичную обмотку трансформатора Т2.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 01 формирует оперативное синусоидальное напряжение, которое через вторичные обмотки дополнительного трансформатора поступает на фазные провода контролируемой сети. Выходные сигналы с обмоток трансформаторов тока ТА1 - ТАЗ через полосовые фильтры поступают на дифференциальные усилители, где вычитаются из сигнала, поступающего с полосового фильтра Х4, пропорционального току в нейтрали силового трансформатора на частоте оперативного напряжения. Сигналы с дифференциальных усилителей 1, 2,3, пропорциональные полным сопротивлениям

изоляции фаз А, В, С соответственно, на синхронные и асинхронные детекторы, а также на пороговый элемент. В детекторах эти сигналы сравниваются по фазе с опорным напряжением одной из обмоток дополнительного трансформатора и разделяются на активную и емкостную составляющие. Выход' ные напряжения с синхронных и асинхронных детекторов, пропорциональ-^ ные активному и емкостному сопротивлению изоляции, регистрируются из-^ мерительными органами 10 - 15. Пороговый элемент 16 с возможностью изменения уставки воспринимает входные сигналы с дифференциальных усилителей, и при превышении этими сигналами величины уставки действует на сигнал через исполнительный орган 17.

Устройство устанавливается на подстанции непосредственно за силовым трансформатором и измеряет сопротивление изоляции всей сети, начиная с головного участка. При включенной нагрузке область применения устройства составляют сети с системой "Ш-Я, при отсутствии нагрузки - любые виды сетей с глухозаземленной нейтралью.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи -разработка способов и устройств диагностики изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, что позволяет повысить уровень электробезопасности при эксплуатации данного вида сетей за счёт своевременного выявления участков сети с пониженным уровнем сопротивления изоляции.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе:

1. Проведён сравнительный анализ эффективности работы наиболее распространенных средств обеспечения электробезопасности для сетей с глухозаземлённой нейтралью, в ходе которого установлено, что применения таких традиционных средств, как защитное заземление, зануление, защитное отключение, недостаточно для обеспечения надлежащего уровня безопасности при эксплуатации электроустановок.

2. Разработана классификация устройств контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью. Сформулированы требования к устройствам контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью.

3. Предложена расчётная модель сети с глухозаземлённой нейтралью для случая протекания в ней токов непромышленной частоты. На основе этой модели разработан способ определения параметров изоляции отдельных фаз относительно земли сети до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, основанный на применении дополнительного трансформатора напряжения, используемого для наложения сигнала непромышленной частоты на контролируемую сеть, а также на измерении токов в обмотках дополнительного трансформатора напряжения и их фаз.

4. Установлено соотношение между параметрами изоляции сети на частоте 50 Гц и частоте оперативного напряжения.

5. Установлено влияние величины емкости изоляции относительно земли в сети напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью на величину тока утечки через изоляцию, и, соответственно, на уровень электробезопасности при эксплуатации сети.

6. Разработано устройство для непрерывного автоматического определения сопротивления и ёмкости изоляции сети с глухозаземлённой нейтралью относительно земли, позволяющее проводить своевременную диагностику состояния изоляции с целью повышения уровня электробезопасности при эксплуатации электрической сети.

7. Результаты исследований внедрены и используются в электрических сетях до 1 кВ ЗАО «Читинские Ключи», а также в учебном процессе при подготовке специалистов Энергетического института Читинского государственного университета.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Коряков Д. В. К вопросу о необходимости постоянного контроля изоляции в электрических сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью. - В кн.: Тезисы докладов I Межрегиональной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», Чита: ЧитГУ, 2001. - С. 98 - 100.

2. Коряков Д. В., Сидоров А. И., Суворов И.Ф. Постоянный контроль изоляции в электрических сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью -один из путей снижения электротравматизма // Электробезопасность, 1998, №3-4.-С. 15- 17.

3. Коряков Д. В. Об эффективности работы устройств защитного отключения в сетях 380/220 В с глухозаземлённой нейтралью. - В кн.: Тезисы докладов XXIX научно-технической конференции, Чита: ЧитГТУ, 2002. - С. 35 - 37.

4. Коряков Д. В. Об основных факторах, влияющих на эффективность устройств защитного отключения при работе в сетях 380/220 В с глухозаземлённой нейтралью // Электробезопасность, 2001, № 1. - С. 11-13.

5. Коряков Д. В. О причинах снижения эффективности традиционных мер обеспечения электробезопасности в сетях с глухозаземлённой нейтралью до 1 кВ. - В кн.: Тезисы докладов IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», Москва: МЭИ, 2002. - С. 280 - 281.

6. Коряков Д. В. Об усовершенствовании устройства контроля изоляции токами непромышленной частоты. - В кн.: Сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии», Челябинск: ЗАО «Челябинская межрайонная типография», 2003. - С. 11 - 12.

7. Коряков Д. В. Устройство контроля изоляции токами повышенной частоты. - В кн.: Тезисы докладов II Межрегиональной научно-практической

конференции «Энергетика в современном мире», Чита: ЧитГУ, 2003. - С. 55 -58.

8. Коряков Д. В., Суворов И. Ф., Петуров В. И. Разработка классификации способов контроля изоляции в электрических сетях с глухозаземлен-ной нейтралью и их анализ // Электробезопасность, 2002, №4, с. 53 - 58.

9. Коряков Д. В., Суворов И.Ф., Петуров В.И. Способ определения параметров изоляции относительно земли трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью. Измерение параметров изоляции разработанным способом // Электробезопасность, 2004, № 1-2. - С. 34 - 40.

Лицензия ЛР №020525 от 02.06.97 Подписано в печать 23.03.05. Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 39

Читинский государственный университет 672039, г. Чита, ул. Александрово-Заводская, 30

РИКЧитГУ

»-4515

РНБ Русский фонд

2006-4 10461

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Условия электробезопасности в сетях до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью.

1.2 Способы и средства обеспечения электробезопасности в сетях до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью.

1.3 Контроль изоляции в сетях до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью.

1.4 Задачи исследования.

2 РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ДО 1 кВ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 2.1 Классификация существующих способов контроля изоляции в сетях до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью.

2.2 Особенности совместной работы сетей до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью и устройств контроля изоляции.

2.3 Выбор параметров информационного сигнала.

2.4 Способ определения параметров изоляции в сети с глухозаземленной нейтралью.

2.5 Анализ зависимости параметров изоляции от частоты информационного сигнала.

2.6 Выводы.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ФАЗ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ СЕТИ ДО 1 KB С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

3.1 Компьютерная модель разработанного способа определения параметров изоляции. Оценка погрешности способа.

3.2 Исследование способа на физической модели сети до 1кВ с глухозаземлённой нейтралью. Определение параметров изоляции отдельных фаз.

4 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ В СЕТЯХ ДО 1 кВ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

4.1 Функциональная схема и принцип действия устройства.

4.2 Разработка дополнительного трансформатора напряжения.

4.3 Разработка измерительного трансформатора тока.

4.4 Генератор напряжения непромышленной частоты.

4.5 Схема измерения и обработки информационного сигнала.

4.6 Пороговый элемент и исполнительный орган.

4.7 Выбор уставки срабатывания устройства по току утечки на землю.

4.8 Результаты экспериментальных исследований параметров сопротивления изоляции в производственных условиях.

4.9 Выводы.

Актуальность работы. В последние годы отмечается неуклонное увеличение доли протяженности электрических сетей напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью по отношению к сетям других классов напряжений. В первую очередь это связано с ростом объёмов строительства в сфере малого и среднего бизнеса, а также жилья. Вместе с тем отмечается и рост уровня электротравматизма в низковольтных сетях.

Если в промышленности основная доля всех случаев электротравматизма происходит по организационным причинам, то для жилищно-коммунального хозяйства и малых частных предприятий основная причина поражений электрическим током - неудовлетворительное состояние изоляции электрических сетей. В старых зданиях сопротивление изоляции, как правило, снижается вследствие её естественного старения и механических повреждений. Во вновь строящихся - вследствие перегрева изоляции из-за несоответствия сечения проводов мощности подключаемой нагрузки. Основной причиной износа изоляции для всех сетей до 1 кВ является большое число эксплуатирующих их организаций и частных лиц и, как следствие, низкое качество обслуживания электрических сетей.

Следует отметить, что существующие на сегодняшний день такие электрозащитные меры, как защитное заземление, зануление, защитное отключение, часто оказываются неэффективными в силу ряда причин. Кроме того, эти меры направлены на снижение опасности прикосновения человека к открытым проводящим частям, уже оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции.

Повышение уровня электробезопасности можно обеспечить применением непрерывного контроля изоляции, исключив тем самым эксплуатацию сетей с ее низким сопротивлением. Однако имеющиеся на данный момент средства контроля изоляции являются несовершенными и неэффективными.

В этой связи исследование и разработка способов и устройств непрерывного контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение уровня электробезопасности в сетях напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью путём организации непрерывного контроля изоляции фаз сети относительно земли.

Идея работы состоит в том, что для измерения и контроля параметров сопротивления изоляции сети относительно земли используется информационный сигнал в виде синусоидального напряжения непромышленной частоты, налагаемый на напряжение контролируемой сети от постороннего источника.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Классификация способов контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью.

2. Способ определения параметров изоляции относительно земли отдельных фаз сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ, основанный на применении дополнительного трансформатора напряжения, используемого для наложения информационного сигнала на контролируемую сеть, а также на измерении токов в обмотках дополнительного трансформатора напряжения и их фаз, отличающийся тем, что дополнительно измеряют значение тока в нейтрали силового трансформатора, а также фазу этого тока относительно напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения;

3. Для электрических сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ необходимо определение как активного, так и емкостного сопротивления изоляции фаз относительно земли, как важнейших факторов обеспечения условий электробезопасности.

4. Устройство контроля изоляции с наложением сигнала непромышленной частоты, предназначенное для сетей до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, позволяющее автоматически определять активное и емкостное сопротивление изоляции отдельных фаз относительно земли без нарушения целостности контролируемой сети.

Обоснованность и достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждается: корректным применением известных методов расчёта и анализа электрических цепей в совокупности с использованием компьютерного моделирования рассматриваемых процессов, сопоставимостью полученных теоретических и экспериментальных данных, а также хорошей воспроизводимостью результатов при многократных измерениях.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении влияния величины емкости изоляции относительно земли в сети напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью на величину тока утечки через изоляцию; в разработке модели сети с глухозаземлённой нейтралью для случая протекания по ней тока непромышленной частоты; в разработке способа определения параметров изоляции относительно земли, что в совокупности позволит дополнить теорию диагностики состояния изоляции низковольтных сетей.

Практическое значение работы состоит в разработке устройства непрерывного контроля изоляции сетей до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, позволяющего определять активное и емкостное сопротивление изоляции сети относительно земли, использование которого позволяет повысить уровень электро- и пожаробезопасности при эксплуатации низковольтных сетей за счёт своевременного выявления и устранения участков сети с повышенным током утечки.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика" (Москва, 2002 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третье тысячелетии» (Челябинск, 2003 г.), Второй межрегиональной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2003 г.), а также на конференциях и научных семинарах Энергетического института Читинского государственного университета и ЮжноУральского государственного университета.

Реализация результатов работы.

Разработанные способ определения параметров изоляции отдельных фаз относительно земли и устройство для непрерывного автоматического определения сопротивления и ёмкости изоляции сети с глухозаземлённой нейтралью относительно земли, внедрены в электрических сетях ЗАО «Читинские Ключи», и используются для диагностики состояния изоляции сетей.

Результаты диссертационной работы также используются в учебном процессе Энергетического института Читинского государственного университета при подготовке студентов по специальности 100400 «Электроснабжение».

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе.

1. Проведён сравнительный анализ эффективности работы наиболее распространенных средств обеспечения электробезопасности для сетей с глухозаземлённой нейтралью, в ходе которого установлено, что применения таких традиционных средств, как защитное заземление, зануление, защитное отключение, недостаточно для обеспечения надлежащего уровня безопасности при эксплуатации электроустановок.

2. Разработана классификация устройств контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью. Сформулированы требования к устройствам контроля изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью.

3. Предложена расчётная модель сети с глухозаземлённой нейтралью для случая протекания в ней токов непромышленной частоты. На основе этой модели разработан способ определения параметров изоляции отдельных фаз относительно земли сети до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, основанный на применении дополнительного трансформатора напряжения, используемого для наложения сигнала непромышленной частоты на контролируемую сеть, а также на измерении токов в обмотках дополнительного трансформатора напряжения и их фаз.

4. Установлено соотношение между параметрами изоляции сети на частоте 50 Гц и частоте оперативного напряжения.

5. Установлено влияние величины емкости изоляции относительно земли в сети напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью на величину тока утечки через изоляцию, и, соответственно, на уровень электробезопасности при эксплуатации сети.

6. Разработано устройство для непрерывного автоматического определения сопротивления и ёмкости изоляции сети с глухозаземлённой нейтралью относительно земли, позволяющее проводить своевременную диагностику состояния изоляции с целью повышения уровня электробезопасности при эксплуатации электрической сети.

7. Результаты исследований внедрены в электрических сетях ЗАО «Читинские Ключи» напряжением до 1 кВ, а также используются в учебном процессе при подготовке специалистов Энергетического института Читинского государственного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи разработки способов и устройств диагностики изоляции в сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью, что позволяет повысить уровень электробезопасности при эксплуатации данного вида сетей за счёт своевременного выявления участков сети с пониженным уровнем сопротивления изоляции.

1. Правила устройства электроустановок/Минэнерго СССР. 7-е изд., доп. с исправл. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2002.

2. Карякин Р. Н. Нормативные основы устройства электроустановок. М: изд. ЗАО "Энергосервис", 1998.

3. Карякин Р. Н. Основное правило электробезопасности. Промышленная энергетика, 1999, №2.

4. Карякин Р. Н. Основное правило устройства электроустановок. Промышленная энергетика, 2000, №11.

5. Долин П. А. Основы техники безопасности для вузов. 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Охрана труда в электроустановках: Учебник для вузов/ Под ред. Б. А. Князевского. 3-е. изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

7. Манойлов В. Е. Основы электробезопасности. 5-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, 1991.

8. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельные допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

9. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов-3-е изд. — М.: Высшая школа, 1991.

10. Слободкин А. X. Новые системы защиты от электропоражения в электроустановках зданий. Промышленная энергетика, 1997, №9.

11. Слободкин А. X., Пупин В. М. Обзор российского рынка устройств защитного отключения и анализ эффективности осуществляемой ими защиты в сетях напряжением 380/220 В. Промышленная энергетика, 2000, №11.1. С. 43 -49.

12. Покрепа В. Е. О повышении электробезопасности при эксплуатации электроустановок до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью. Промышленная энергетика, 2000, №3. - С. 53 - 55.

13. Солуянов Ю. И. О необходимости повторного заземления в электроустановках до 1 ОООв с заземлённой нейтралью. Промышленная энергетика, 1990, №6.-С. 43-45.

14. Карякин Р. Н., Билько Б. А., Солнцев В. И. Сопротивление сторонних проводящих частей, используемых в качестве PEN-проводников. Промышленная энергетика, 1995, №10. - С. 30 - 35.

15. Слободкин А. X. Повышение эффективности устройств защитного отключения. Обоснование целесообразности корректировки некоторых требований ГОСТ и ПУЭ с целью повышения электробезопасности. Промышленная энергетика, 2000, №11. - С. 45 - 53.

16. Слободкин А. X. Анализ влияния влияния устройств защитного отключения на электробезопасность в сетях 380/220 В с заземлённой нейтралью. -Промышленная энергетика, 1997, №5. С. 45 - 49.

17. Кузилин А. В., Шварц Г. К. Проблемы безопасности электроустановок жилых зданий с нулевым защитным проводником. Промышленная энергетика, 2001, №6.-С. 50-54.

18. Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации электроустановок зданий при применении устройств защитного отключения. М.: Издательство МЭИ, 2001.

19. ГОСТ Р50807-95. Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током. Общие требования и методы испытаний.

20. ГОСТ Р50571-3-94. Электроустановки зданий. 44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.

21. Слободкин А. X. Некоторые пути повышения эффективности защитного отключения в сети 380/220 В с заземлённой нейтралью. Промышленная энергетика, 1995, №4. - С. 38 - 43.

22. Грунский Г. И. Оценка поведения устройств защитного отключения при двойном заземлении нулевого рабочего проводника. Промышленная энергетика, 1999, №12. - С. 38 - 41.

23. Слободкин А. X. О концепции электробезопасности в сетях 380/220 В с заземлённой нейтралью и некоторых путях её реализации. Промышленная энергетика, 1998, №4. - С. 31 - 36.

24. Карякин Р. Н. Научные концепции электробезопасности электроустановок жилых зданий. Промышленная энергетика, 1995, №5.

25. Номоконова О. В., Окраинская И. С. Применение теории нечётких множеств при моделировании электроопасных ситуаций в сети с заземлённой нейтралью. Электробезопасность, 2000, №2-3.

26. Кораблёв В. П. Некоторые психологические аспекты электробезопасности. Промышленная энергетика, 1990, №6.

27. Цапенко Е. Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В. 2-е изд., пере-раб.-М.: Энергия, 1972.

28. Правила эксплуатации электроустановок потребителей/ Госэнергонад-зор Минэнерго России. М.: ЗАО «Энергосервис», 2003.

29. Сидоров А. И., Коряков Д. В., Суворов И. Ф. Постоянный контроль изоляции в электрических сетях до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью -один из путей снижения электротравматизма. Электробезопасность, 1999, №3-4.-С. 15-17.

30. А. с. СССР 560190 МКИ. GO 1 R 27/18. Устройство для непрерывного измерения и контроля сопротивления изоляции в сети с глухозаземлённой нейтралью/ Е. Ф. Цапенко, А. Д. Шаин. Опубл. бюл. №20, 1977.

31. А. с. СССР 659992 МКИ GO 1 R 27/18. Устройство для измерения сопротивления изоляции в сетях с глухозаземлённой нейтралью/ А. Д. Шаин, В. А. Ступицкий, Е. Ф. Цапенко. Опубл. бюл. №16, 1979.

32. А. с. СССР 1018046А МКИ G01R 27/18. Устройство для непрерывного измерения активного сопротивления изоляции в сетях с заземлённой нейтралью/ Л. О. Петри, М. Г. Бобылёв. Опубл. бюл. №18, 1983.

33. А. с. СССР 1161896А МКИ GO 1R 27/18. Устройство для измерения сопротивления изоляции в сетях с глухозаземлённой нейтралью/ М. Г. Бобылёв, А. Е. Малиновский. Опубл. бюл. №22 1985.

34. А. с. СССР 1287042 МКИ G01R 27/18. Устройство для непрерывного измерения активного сопротивления изоляции в сетях с заземлённой нейтралью/ М. Г. Бобылёв, А. Е. Малиновский. Опубл. бюл. №4, 1987.

35. А. с. СССР 1432422 МКИ GO 1 R 27/18. Устройство для измерения активного сопротивления изоляции в сетях с заземлённой нейтралью/ В. М. Попов, А. И. Ревякин Опубл. бюл. №39, 1988.

36. А. с. СССР 789901 МКИ G01 R 27/18. Устройство для измерения параметров изоляции сети/ В. К. Обабков, Е. В. Сергин Опубл. бюл. №47, 1980.

37. А. с. СССР 468194 МКИ G01 R 27/18. Устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции в сети напряжением до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью/ Е. Ф. Цапенко, В. П. Кораблёв, А. Д. Шаин. Опубл. бюл. №15, 1975.

38. А. с. СССР 949538 МКИ G01R 27/18. Устройство для измерения сопротивления изоляции электрических сетей с глухозаземлённой нейтралью/ О. Н. Белюстин. Опубл. бюл. №29, 1982.

39. Петуров В. И. Исследование и разработка способов и средств контроля параметров изоляции рудничных электрических сетей. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1992.

40. А. с. СССР 1233240 МКИ Н02 Н 3/16. Устройство для контроля сопротивления изоляции электропотребителя/ И. Г. Кропачев. Опубл. бюл. №19, 1986.

41. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатом-издат, 1985.

42. Разин Г. И., Щелкин А. П. Бесконтактное измерение электрических токов. М.: Атомиздат, 1974.

43. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

44. Минин Г. П. Несинусоидальные токи и их измерение. М.: Энергия, 1979.

45. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

46. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1988.

47. Цапенко Е. Ф., Случевский Ю. Н. Использование вольтметра для определения параметров изоляции фаз в сети с изолированной нейтралью до 1000 В. Измерительная техника, 1983, №2.

48. Электрические кабели, провода и шнуры: (справочник)/ Белоруссов Н. И., Саакян А. Е., Яковлева А. И.; Под общ. ред. Н. И. Белоруссова. 4 изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979.

49. Каретникова Е. И., Рычина Т. А., Ермаков А. И. Трансформаторы питания и дроссели фильтров для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1972.

50. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. В. Г. Герасимова и др. 8-е изд., испр. И доп. - М.: Издательство МЭИ, 2001.

51. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат, 1984.

52. Лихачев В. Д. Практические схемы на операционных усилителях. М.: ДОСААФ, 1981.

53. Горбачев Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов/ Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

54. Виноградов Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой техники. М.: Энергия, 1968.

55. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие/ Под ред. С. В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1985.

56. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1981.

57. Зейдель А. И. Элементарные оценки ошибок измерений. JL: Наука, 1968.

58. Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. М.: Энергоатомиздат, 1982.

59. Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. М.: Высшая школа, 1986.

60. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/ Б. Я. Авдеев, Е. М. Антонюк и др.; Под ред. Е. М. Душина. 6-е изд., перераб и доп. -JL: Энергоатомиздат, 1978.

61. Теоретические основы электротехники./ Под ред. П. А. Ионкина. Учебник для электротехн. Вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1976.

62. Расулов Т. М., Насибов В. А. Расчет погрешности трансформатора тока./ Измерительная техника, 1982, №2.

63. Утегулов Б. Б. Исследование условий и повышение уровня электробезопасности при эксплуатации электроустановок 6 кВ угольных разрезов. -Дисс. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1981.

64. Казанский В. Е. Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики. М.: Энергия, 1978.

65. Сошников А. А., Никольский О. К. Расчет эффективности электрической защиты в сетях 0.38 кВ: Учебное пособие. Барнаул, 1992.

66. Коряков Д. В. Об основных факторах, влияющих на эффективность устройств защитного отключения при работе в сетях 380/220 В с глухозаземлённой нейтралью. Электробезопасность, 2001, №1. - С. 11-13.

67. Коряков Д. В. Устройство контроля изоляции токами повышенной частоты. В кн.: Тезисы докладов II Межрегиональной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире». - Чита: ЧитГУ, 2003. - С. 55-58.

68. Коряков Д. В., Суворов И. Ф., Петуров В. И. Разработка классификации способов контроля изоляции в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью и их анализ. Электробезопасность, 2002, №4. - С. 53 - 58.

69. Масорский В. И. Контроль изоляции в сетях с заземленной нейтралью. В кн. Автоматизация и электрификация предприятий. - М.: Энергоатомиз-дат, 1983.

70. Мотузко Ф. Я., Михальчик С. И. Способ непрерывного контроля изоляции в электроустановках с глухозаземленной нейтралью Промышленная энергетика, - 1973, №1.

71. Никольский О. К., У пит А. Р. Контроль электробезопасности сельских электроустановок напряжением 0.4 кВ. Техника в сельском хозяйстве, 1971, №2.

72. Пряхин В. Д. Универсальный датчик контроля сопротивления изоляции электродвигателя, обрыва одной из фаз и заземляющего провода. Промышленная энергетика, 1983, №7.

73. Гордон Г.Ю. "Электротравматизм на производстве", Лениздат, 1973.

74. Кораблев В.П. Устройства электробезопасности. М.: Энергия, 1979.

75. Косицин Ю.В., "О сопротивлениях силовых трансформаторов 6(10)/0,4 кВ токам прямой, обратной и нулевой последовательностей", "Промышленная энергетика", №8,1990, с.31-32.

76. Ожиганов С.Н., "Сравнительный анализ безопасности электрических сетей TN и ТТ", "Промышленная энергетика", №2, 2003.

77. Ослон А.Б. Использование защиты от тока утечки в сетях напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейтралью. Промышленная энергетика, №9, 1974.

78. Ослон А.Б., "Обеспечение электробезопасности в установках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью", "Промышленная энергетика", №1, 1982.

79. Потемкин В.Г., Micro Cap Evaluation 7.0: среда проектирования электронных схем. М: Диалог-МИФИ, 2002.

80. Ревякин А.И., Кашолкин Б.И., Электробезопасность и противопожарная защита в электроустановках, М:Энергия, 1980.

81. Сидоров А.И. Основы электробезопасности: Учебное пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001.

82. Найфельд М.Р. Схемы защитного отключения по токам утечки и однофазного замыкания. Промышленная энергетика, 1968, №1.

83. Манойлов В. Е. Электричество и человек. 3-е изд., перераб и доп. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.

84. Сидоров А.И. Повышение надежности сельских электрических сетей с помощью устройства компенсации токов однофазного замыкания на землю. -Дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1984.

85. Романцов Д. С. Электротравматизм на производстве причины и следствия - Промышленная энергетика, 1992, №11.

86. Цапенко Е.Ф., Аракелян М.К., "Электробезопасность бытовых сетей. -Промышленная энергетика, 1979, №3.

87. Щуцкий В.И., Белюстин О.Н., Буралков А.А. "Защитное отключение электроустановок потребителей", М:Энергоатомиздат, 1994.

88. Основы промышленной электроники/ Под ред. В. Г. Герасимова. 3-е изд., перераб. и доп. -М. Высшая школа, 1986.

89. Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техники релейной защиты. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

90. Справочная книга радиолюбителя-конструктора/ Под ред. Н. И. Чистякова. М.: Радио и связь, 1990.

91. П. Хоровиц, У Хилл. Искусство схемотехники/ Перевод с англ. под ред. М. В. Гальперина. 2-е изд., стереотипное. - М.: Мир, 1984.

92. Соболев В. Г. Электрическая изоляция рудничного электрооборудования. М.: Недра, 1982.

93. Дзюбан В. С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях. М.: Недра, 1982.