Спосіб захисту кабельної мережі від струмів витоку з компенсацією ємнісних складових і пристрій для здійснення способу

Изобретение относится к средствам защиты электрических кабельных сетей от повреждения изоляции, в том числе от пожаров, которые могут возникнуть при недопустимых токах утечки в изоляции. Для обеспечения безопасности эксплуатации электрических кабельных сетей широко применяются различные способы и устройства, которые производят отключение сети при превышении током утечки заданной величины. При этом существенной проблемой является учет емкостных составляющих токов утечек, которые определяются техническими характеристиками кабеля, протяженностью и разветвленностью сети, ее конфигурацией. Емкостные токи утечек могут достигать значительных величин, так как емкость электрических сетей может равняться единицам микрофарад. Например, емкость большинства шахтных участковых электрических сетей изменяется в пределах 0,3 - 3,0мкФ (Дзюбан B.C. Аппараты защиты от токов утечки в ша хтных электрических сетях. - М.: Недра, 1982. - С.5). Проблема заключается не столько в наличии емкостных токов утечек, сколько в изменении их величины при нормальной эксплуатации электрической сети в результате изменения ее емкостного сопротивления. Особенно это проявляется, когда работы носят передвижной характер, требуют систематического перемещения электрооборудования и подключения различных групп электрооборудования в результате чего изменяется протяженность и конфигурация электрической кабельной сети, а значит ее емкость и емкостные токи утечек. Следовательно, в реальных условиях системы защиты электрических кабельных сетей должны контролировать емкость сети и автоматически учитывать или компенсировать емкостные токи утечек. В противном случае система защиты становится неэффективной, потому, что даже при постоянной протяженности сети уста вку защиты необходимо загрублять на величину емкостных токов. Одним из известных способов решения указанной проблемы является контроль токов утечек с компенсацией их емкостной составляющей. В идеальном случае компенсация емкостной составляющей позволяет объективно контролировать состояние электрической кабельной сети и отклонения от нормы по величине токов утечек. Так, известен способ защиты кабельной сети от токов утечек с компенсацией емкостных составляющи х, согласно которому контролируют состояние изоляции кабельной сети по величине токов утечек и при возникновении опасных значений этих токов отключают сеть (Лейбов P.M. Утечки в шахтны х электрических сетях. М.: Углете хиздат, 1952. - С.145). Компенсацию емкостных составляющи х токов утечек по этому способу осуществляют п утем включения параллельно емкости фаз индуктивности в виде трехстержневого дросселя. При таком способе соединения образуется контур, внутри которого замыкаются емкостные токи утечек, не оказывая влияния на работу устройств защиты. При равенстве индуктивного сопротивления каждого стержня дросселя XL, емкостному сопротивлению фазы сети XC емкостные составляющие компенсируются полностью. Общими признаками аналога с заявляемым способом являются контроль состояния изоляции кабельной сети по величине токов утечек и отключение сети при возникновении опасных значений этих токов. Известно устройство защиты кабельной сети от утечек типа РУВ (Лейбов P.M. Утечки в шахтны х электрических сетях. - М.: Углете хиздат, 1952. - С.226), включающее измерительное устройство, соединенное с токопроводящими элементами кабельной сети, выход которого соединен с устройством отключения сети. Измерительное устройство состоит из питающего схему трансформатора, двух компенсирующих дросселей, электромагнитного реле, сигнальных ламп и вводных устройств подключения. Общими признаками аналога с заявляемым устройством являются измерительное устройство, соединенное с токопроводящими элементами кабельной сети, выход которого соединен с устройством отключения сети. При использовании описанных выше способа и устройства для защиты кабельной сети практически, никогда не удается обеспечить полную компенсацию емкостных утечек даже при постоянных длине и конфигурации сети, так как дроссель выпускается с постоянной индуктивностью и даже изменения индуктивности переключением отпаек обмоток дросселя изменяет индуктивность большими ступенями, поскольку имеется всего четыре отпайки. При изменении длины или конфигурации сети неизбежно нарушается компенсация емкостных составляющи х утечек, что ухудшает точность компенсации. Кроме этого способ и устройство характеризуются сложностью, так как требуют применения дополнительных средств для компенсации емкостных утечек и не обеспечивают достаточной надежности защиты сети. В качестве прототипа для заявляемого способа выбран известный способ защиты кабельной сети от токов утечек (Дзюбан B.C. Аппараты защиты от токов утечки в ша хтны х электрических сетях. - М.: Недра, 1982. - С.115). Сущность способа по прототипу заключается в том, что непрерывно контролируют состояние изоляции кабельной сети по токам утечки и при возникновении опасных значений этих токов отключают сеть, при этом емкостные составляющие токов утечек компенсируют с использованием автоматически регулируемого дросселя, который подключают к контролируемой сети. Для точной компенсации емкостных составляющих непрерывно измеряют фактическую емкость защищаемой сети, в соответствии со значением измеренной емкости автоматически изменяют величину индуктивности компенсирующего дросселя для выполнения условия XL = XC, при котором обеспечивается полная компенсация емкостных составляющи х. Общими признаками прототипа с заявляемым способом является контроль состояния изоляции кабельной сети по величине токов утечек и отключение сети при возникновении опасных значений этих токов. Известно устройство для реализации этого способа АЗАК-380 (Дзюбан B.C. Аппараты защиты от токов утечек в шахтных электрических сетях. - М.: Недра, 1982. - С.116), которое выбрано в качестве прототипа для заявляемого устройства, аппарат защиты кабельной сети от токов утечки типа АЗАК-380, включает измерительное устройство, соединенное с токопроводящими элементами кабельной сети, выход которого соединен с устройством отключения сети, блока автоматической компенсации емкостных составляющих токов утечки с компенсирующим дросселем узла измерения фактической емкости контролируемой сети, элементы присоединения, настройки и сигнализации. Работа устройства заключается в том, что непрерывно измеряется емкость сети под рабочим напряжением. В соответствии с измеренной емкостью автоматически настраивается компенсирующий дроссель на индуктивность, необходимую для компенсации емкостных утечек. Непрерывно измеряются токи утечки на землю в изоляции и при появлении опасных значений этих токов сеть отключается. Общими признаками прототипа с заявляемым устройством является измерительное устройство, соединенное с токопроводящими элементами кабельной сети, выход которого соединен с устройством отключения сети. Способ и устройство, выбранные в качестве прототипов, требуют применения дополнительных технических средств для измерения емкости кабельной сети и компенсации емкостных составляющих токов утечек. Это усложняет защиту кабельной сети и снижает надежность защиты. В основу изобретения поставлена задача создания способа защиты кабельной сети от токов утечек с компенсацией емкостных составляющи х и устройства для осуществления способа, которые обеспечивали бы автоматическую компенсацию емкостных составляющи х токов утечек без применения дополнительных средств компенсации этих токов и за счет этого достигалась бы возможность упрощения конструкции и повышение надежности технических средств защиты кабельной сети. Поставленная задача достигается тем, что в способе защиты кабельной сети от токов утечек с компенсацией емкостных составляющих, заключающемся в том, что контролируют состояние изоляции кабельной сети по величине токов утечек и при возникновении опасных значений этих токов отключает сеть, согласно изобретению токопроводящие элементы кабельной сети разделяют на две группы с выделением распределенной емкости контролируемой изоляции в каждой группе, указанные распределенные емкости подключают к входам измерительного дифференциального устройства, балансируют измерительное дифференциальное устройство после подключения к нему распределенных емкостей, а о возникновении опасных значений токов утечек судят по величине разбалансировки измерительного дифференциального устройства. Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве защиты кабельной сети от токов утечек с компенсацией емкостных составляющих, включающем измерительное устройство, соединенное с токопроводящими элементами кабельной сети, выход которого соединен с устройством отключения сети, согласно изобретению измерительное устройство выполнено в виде дифференциального измерительного блока со средствами его балансировки, один из входов которого соединен с токопроводящими элементами кабельной сети, образующими распределенную емкость контролируемой изоляции, одной группы токопроводящих жил, а другой вход соединен с токопроводящими элементами, образующими распределенную емкость контролируемой изоляции другой гр уппы токопроводящих жил. Перечисленные признаки составляют сущность заявляемых способа и устройства. Целесообразным, с точки зрения заявителя, при реализации способа является: использование в качестве токопроводящих элементов кабельной сети индивидуальных экранов токопроводящих жил и токопроводящих жил; распределение токопроводящих элементов кабельной сети выполнить путем объединения фазовых жил и их индивидуальных экранов в фазовую гр уппу, а н улевой жилы и ее индивидуального экрана в нулевую гр уппу. При реализации устройства целесообразно: в качестве дифференциального измерительного блока применить емкостный измерительный мост, в смежные плечи которого включить токопроводящие элементы кабельной сети, образующие две распределенные емкости контролируемой изоляции двух гр упп токопроводящих жил, в противоположные плечи моста, включить сосредоточенные емкости, величины которых выбрать из условий баланса емкостного измерительного моста, одну из диагоналей емкостного измерительного моста подключить к источнику переменного напряжения, а другую диагональ - к устройству отключения сети; в качестве дифференциального измерительного блока применить измерительный мост с дифференциальным трансформатором, в смежные плечи которого включить токопроводящие элементы кабельной сети, образующие две распределенные емкости контролируемой изоляции двух гр упп токопроводящих жил, противоположные плечи моста образовать последовательно соединенными дифференциальными обмотками дифференциального трансформатора, первичную обмотку дифференциального трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, а устройство отключения сети своим входом подключить в измерительную диагональ моста. Указанные особенности реализации устройства не являются обязательными, а только предпочтительными вариантами и не исключают другого исполнения в пределах сущности изобретения. Заявляемые способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом, обеспечивают достижение единой технической задачи - автоматический учет изменений емкости кабельной сети при контроле токов утечек без дополнительных средств компенсации емкостных составляющих токов утечек - не противоречат требованиям единства изобретения, так как одно из изобретений направлено на реализацию другого. При разработке изобретения учтена следующая особенность кабельной сети. При изменении длины кабельной сети или ее конфигурации, например, в результате разветвления при подключении дополнительных энергопотребителей, изменяется распределенная емкость контролируемой изоляции, например, изоляции токопроводящих жил по отношению к их индивидуальным экранам. При увеличении длины кабеля, а значит и длины каждой из токопроводящих жил распределенная емкость, образованная токопроводящей жилой, ее индивидуальным экраном и изоляцией между токопроводящей жилой и ее экраном увеличивается. При разветвлении кабеля распределенная емкость также увеличивается в результате параллельного соединения распределенных емкостей ветвей кабеля. Характерной особенностью при этом является то, что в любом случае изменение длины кабеля или конфигурации кабельной сети распределенные емкости контролируемой изоляции токопроводящих жил изменяются пропорционально. То есть, если токопроводящие жилы и их индивидуальные экраны разделить на две группы, выделить в каждой группе распределенные емкости контролируемой изоляции, например, путем параллельного соединения распределенных емкостей изоляции каждой токопроводящей жилы, то полученные таким образом распределенные емкости каждой группы токопроводящих жил будут изменяться пропорционально при изменении длины кабеля или конфигурации кабельной сети. Если указанные распределенные емкости подключить к входам дифференциального измерительного устройства и сбалансировать это устройство с подключенными распределенными емкостями, то изменение длины кабеля или конфигурации кабельной сети не будет вызывать разбалансировку измерительного устройства, так как подключенные ко входам устройства распределенные емкости будут изменяться пропорционально. Другими словами, измерительное устройство не будет реагировать на изменения емкостных составляющи х токов утечек, вызванных изменениями распределенных емкостей контролируемой изоляции кабельной сети при нормальном состоянии изоляции каждой контролируемой токопроводящей жилы. И только повреждение изоляции любой токопроводящей жилы выводит дифференциальное измерительное устройство из состояния баланса, что является сигналом для отключения сети. Таким образом, заявляемые способ и устройство для его реализации обеспечивают защиту кабельной сети, контролируя токи утечек с автоматической компенсацией емкостных составляющи х токов утечек без применения дополнительных средств компенсации этих токов, что позволяет выполнить защиту кабельной сети простыми и надежными схемными решениями. Из вышеприведенного следует, что признаки, составляющие сущность изобретения, находятся в причинноследственной связи с достигаемым техническим результатом. Для более полного раскрытия сущности изобретения приводятся примеры его конкретного выполнения со ссылками на чертежи, на которых представлено: фиг.1 - схема устройства защиты трехфазной кабельной сети с использованием измерительного моста с дифференциальным трансформатором; фиг.2 - схема устройства защиты однофазной двухпроводной кабельной сети с использованием емкостного моста. Сущность заявляемого способа, используемого в двух приведенных схемах, заключается в том, что токопроводящие элементы кабельной сети разделяют на две группы с выделением распределенной емкости контролируемой изоляции. Выделенные распределенные емкости контролируемой изоляции в каждой группе подключают к входам измерительного дифференциального устройства, после этого балансируют дифференциальное устройство, а напряжение, возникающее на выходе дифференциального устройства, вследствие возникновения утечек тока в изоляции подают на устройство отключения сети. При возникновении опасной утечки в изоляции сеть автоматически отключают. В схеме на фиг.1 первая (фазовая) группа элементов с распределенной емкостью образована фазовыми жилами 1, изоляцией 2, этих жил 1 индивидуальными экранами 3, соединенными между собой. Фазовые жилы 1 соединены между собой в трансформаторе 4. Вторая (нулевая) группа образована нулевой (заземленной) жилой 5, изоляцией 6 и индивидуальным экраном 7. Фазовая группа соединена с первой обмоткой 8, дифференциального трансформатора 9. Нулевая группа соединена с обмоткой 10 этого же трансформатора 9, балансировка измерительного моста осуществляется переключением отпаек обмотки 8 и обмотки 10, дифференциального трансформатора 9. К выходу измерительного моста, т.е. в измерительную диагональ, включено устройство отключения сети 11, которое состоит из релейного узла 12 и коммутационного аппарата 13. Первичная обмотка 14 дифференциального трансформатора 9 включена к источнику переменного напряжения. Для питания дифференциального устройства может быть использовано напряжение промышленной и непромышленной частоты. При использовании питания напряжением повышенной частоты может быть повышена чувствительность и точность работы устройства защиты. Пробные изменения длины кабеля от 40м до 95м не нарушали баланс дифференциального устройства. При включении симметричной нагрузки Zн и несимметричной по фазам нагрузки R н, также не приводили к разбалансировке дифференциального устройства. При включении искусственной утечки тока, в виде резистора с номинальным сопротивлением 10кОм к токопроводящей жиле 1 и экрану 3 возникал дисбаланс измерительного блока, что приводило к появлению в измерительной диагонали напряжения. Это напряжение подавалось в устройство отключения 11 контролируемой сети и сеть отключалась. В устройстве защиты однофазной сети, схема которого показана на фиг.2, в качестве измерительного дифференциального устройства использован емкостный мост. Два плеча этого моста образованы сосредоточенными емкостями в виде конденсаторов C1 и C2. Два других смежных плеча образованы распределенными емкостями: фазовой CФ и нулевой C0. Распределенная емкость CФ образована фазовой жилой 15, изоляцией 16 и экраном 17. Распределенная емкость C0 образована нулевой (заземленной) жилой 18, изоляцией 19 и экраном 20. В измерительную диагональ включено устройство отключения 21 контролируемой сети. Мост балансируется емкостью C1. Испытания в виде изменения нагрузки и длины кабеля показали, что изменение нагрузки Pн от 10 Ватт до 500 Ватт не приводило к разбалансировке моста. При изменении длины сети от 22 до 41 метра равновесие моста также не нарушалось. При включении искусственной утечки; в виде резистора с номинальным сопротивлением 10кОм и жиле 15 и экрану 17 или жилы 18 и экрану 20, измерительный мост разбалансировался, напряжение разбалансировки поступало в устройство отключения 21. Сеть с искусственно поврежденной изоляцией автоматически отключалась. Изменение температуры окружающей среды не оказывали влияния на точность работы устройства защиты. Проведенные испытания подтвердили работоспособность приведенных на фиг.1 и 2 устройств защиты.