Предварительные сведения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ
УСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является ознакомление студентов с устройством контролю изоляции, а также закрепление знаний по теме «Режимы работы нейтрали в электрических сетях».

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В связи с тем, что лабораторные работы иногда выполняются до того, как соответствующий материал прочитан в курсе лекций, раздел «Предварительные сведения» настоящей инструкции дан в объеме, обеспечивающем минимально необходимые сведения.

2.1 Режимы работы нейтрали и необходимость контроля изоляции

Как известно, трехфазные электрические сети можно подразделить на сети с большими токами замыкания на землю и сети с малыми токами замыкания на землю.

К первым относятся сети с эффективно заземленной нейтралью 110 кВ и выше. Замыкание на землю одной из фаз таких сетей является коротким замыканием и автоматически отключается релейной защитой. Поэтому, в этих сетях не предусматриваются устройства непрерывно контролирующие во время работы состояние изоляции токоведущих частей всех фаз относительно земли.

Ко второму типу сетей относятся сети с незаземленной или изолированной и резонансно-заземленной или компенсированной нейтралью. С такими нейтралями работают сети от 3 до 35 кВ включительно. Однополюсное замыкание на землю в этих сетях не является коротким. Оно сопровождается протеканием малого емкостного тока I_С, так как сопротивление емкостей относительно земли велики. Если величина этого тока больше 10 А при 35 кВ, 15 А при 20 кК, 20 А при 10 кВ, 30 А при 6 кВ и более 5 А в цепях генераторов, то от изолированной нейтрали переходят к компенсированной, включая между нейтралью и землей дугогасительную катушку, индуктивность которой выбирается так, чтобы было примерное равенство индуктивного тока I_L противоположно направленному I_С.

При номинальном напряжении меньшем 1000 В в основном применяется глухозаземленная нейтраль.

При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной и ком­пенсированной нейтралью, треугольник линейных напряжений и_АВ, и_вс, и_СА не искажаясь, перемещается на величину фазного напряжения поврежденной фазы и_с (рис. 2.1). Линейные напряжения после повреждения и'_АВ, и'_BC, и'_СА. Поэтому потребитель может продолжать работу. Но длительная работа с повреждением нецелесообразна, т.к. может пробиться изоляция другой фазы с протеканием уже большего тока двухполюсного короткого замыкания и немедленным отключением установки релейной защитой. Поэтому работа с однополюсным замыканием на землю разрешается не более 2-х часов (по ПУЭ).

Сети с изолированной и компенсированной нейтралью снабжаются устройствами, непрерывно контролирующими изоляцию во время работы, со звуковой и световой сигнализацией, немедленно действующей при повреждении. Это необходимо для того, чтобы как можно скорее отыскать место повреждения и вывести эту цепь в ремонт, после обеспечения потребителя по другой цепи.

Таким образом, сравнивая режимы нейтрали. Нужно отметить, что надежность электроснабжения при изолированной и компенсированной нейтрали выше, но изоляция дороже, чем при глухозаземленной, т.к. она должна быть рассчитана на большее, линейное, напряжение. При изолированной и компенсированной нейтрали требуется устройство контроля изоляции, но зато трансформаторы тока для защиты от короткого замыкания устанавливаются в 2-х фазах, а не в 3-х, как при глухозаземленной нейтрали.

Рисунок 2.1 - Напряжения в нормальном режиме: фазные U_А, U_B, U_c

и линейные U_АВ, U_BC, U_АС; и после пробоя изоляции фазы С на землю:

фазные и'_А, и'_B и линейные и'_АВ, и'_BC, и'_СА

Кроме того, при изолированной и компенсированной нейтрали меньше стоимость заземляющих устройств, т.к. они рассчитаны на меньший ток. Меньше также стоимость разрядников для защиты от перенапряжений и меньше влияние на линии связи, потому, что меньше токи нулевой последовательности.

2.2 Устройства контроля изоляции

При напряжении до 1000 В может быть применена простая схема контроля изоляции, состоящая из 3-х вольтметров, включенных между каждой из фаз и землей. При нормальном состоянии изоляции, каждый из вольметров показывает фазное напряжение. При полном пробое изоляции одной из фаз ее вольтметр покажет нулевое напряжение, а два других - линейное. При частичном пробое вольтметр поврежденной фазы покажет напряжение между нулевым и фазным (в зависимости от степени повреждения), а вольтметры здоровых фаз - между фазным и линейным.

На высоком напряжении принцип работы схемы контроля изоляции такой же, но каждый из 3-х вольтметров включен между фазой и землей через свой однофазный измерительный трансформатор напряжения TV (рис. 2.2). Вторичные обмотки TV соединены в звезду и заземлены.

Рисунок 2.2 - Схема контроля изоляции с тремя однофазными трансформаторами напряжения

Для того чтобы привлечь внимание дежурного персонала к показаниям вольтметров при поврежденной изоляции служит схема с тремя однофазными трансформаторами напряжения, у которой, как и у предыдущей схемы, первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные соединены по схеме разомкнутого треугольника (рис. 2.3).

Из векторных диаграмм видно, что при исправной изоляции всех трех фаз на обмотку реле напряжения KV, включенную в рассечку треугольника вторичных обмоток однофазных трансформаторов напряжения, при идеальных трансформаторах напряжения и полной симметрии первичной сети подается напряжение, равное нулю, т.к. в этом случае конец вектора U_C должен попасть точно в начало вектора U_А, Однако, всегда имеется некоторая несимметрия первичной трехфазной сети, а главное - кривая намагничивания сердечников трансформаторов напряжения не совсем линейна, из-за чего вторичные напряжения трансформаторов напряжения имеют форму отличающуюся от синусоидальной за счет появления в основном третьей гармоники. Поэтому на реле подается небольшое напряжение небаланса – U _нб

Рисунок 2.3 - Схема сигнализации о нарушении изоляции

При повреждении изоляции одной из фаз контролируемой сети высокого напряжения, например, фазы С, на первичные обмотки вместо симметричной звезды фазных напряжений и_А, и_B, и_C подаются увеличившиеся в раз напряжения и'_А и и'_B, угол между которыми уменьшился со 120° до 60° (рис. 2.4 б) напряжение и'_C = 0 при полном пробое. Рассматривая треугольник a', b', c', легко показать что напряжение, подаваемое на реле, увеличится .

Реле срабатывает и своими контактами включит сигнализацию.

а)

б)

Рисунок 2.4 - Векторные диаграммы напряжения первичных U_A,U_B,U_C
и вторичных u_a, u_b, u_c обмоток ТН схемы, приведенной на рис. 2.3:
а) - нормальный режим, б) - полное однополюсное замыкание на землю

Сигнализация тем чувствительней, чем меньше уставка реле. Но для исключения ложной работы при отсутствии повреждения изоляции необходимо отстроиться от напряжения небаланса и уставку реле рассчитывают по выражению

где - коэффициент надежности.

Трехфазный трансформатор напряжения также можно использовать для контроля изоляции и сигнализации о ее нарушении при изолированной и компенсированной нейтрали, если добавить четвертый стержень или для магнитной симметрии четвертый и пятый (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема контроля и сигнализации на трехфазном пятистержневом трансформаторе напряжения

В нормальном режиме, когда повреждения изоляции нет, добавочные стержни не нужны, т.к. сумму трех симметричных трехфазных потоков основных стержней равна нулю. Но при однополюсном замыкании по дополнительным стержням с небольшим магнитным сопротивлением замыкается поток нулевой последовательности, вследствие чего показания вольтметра будут правильными и повреждения пятистержневого трансформатора напряжения не произойдет.