Устройство контроля тока утечки в цепи заземления опорной конструкции воздушных линий электропередач
Устройство относится к средствам определения мест повреждений на воздушных линиях электропередач дистанционным способом с функцией определения интегральных токов утечки непосредственно в цепи заземления защищаемой опорной конструкции, для дистанционной оценки степени электрокоррозионных повреждений металлической арматуры в фундаментной части опорных конструкций.
Полезная модель - устройство контроля тока утечки в цепи заземления опорных конструкций воздушных линий электропередач (ЛЭП) относится к области измерений электрических величин и устройствам для испытания электрических свойств и определения места повреждений электрических линий. Кроме основной функции датчика тока для аварийных отключений линий, устройство может использоваться в качестве датчика для оценки электрокоррозионного состояния подземной фундаментной части опорной конструкции по величине измеренного интеграла тока утечки по времени.
В настоящее время наибольшее количество высоковольтных линий электропередач оборудовано традиционными устройствами защит от замыканий на землю, срабатывающими при превышении тока в линии значения установленного расчетного тока уставки защиты. При этом, величину тока измеряют в начале линий на выходах от шин питающих подстанций. Данный способ, даже при наличии нескольких ступеней уставок в зависимости от расстояния до повреждения не позволяет достаточно точно локализовать место повреждения для оперативного устранения повреждения.
В патенте РФ 
2372624 описан способ определения места замыкания на землю и устройство контроля тока и напряжения для его осуществления, основанный на регистрации времени прохождения скачка фазного напряжения устройствами контроля тока и напряжения, число которых на единицу больше числа контролируемых веток, в единой шкале времени, синхронизированной от спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования. Зафиксированные времена передают в диспетчерский центр для совместной обработки, где определяют поврежденную ветку и место повреждения разностно-дальномерным способом для каждой пары времен, зарегистрированных устройствами контроля тока и напряжения. Устройство контроля тока и напряжения в проводе ЛЭП для реализации этого способа содержит питающий и измерительный трансформаторы тока, датчик напряжения, блок питания, микроконтроллер, радиомодем, приемник спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования (патент РФ 2372624). Реализация этого способа и устройства для его осушествления позволяет значительно увеличить точность определения места замыкания на землю до сотен метров (нескольких опор). Недостатком данного способа является его низкая чувствительность к неполным или нестабильным повреждениям изоляции, например частичному пробою, поверхностным утечкам и т.п., не превышающим установленных аварийных значений токов утечки. Таким образом, способ не позволяет фиксировать подобные повреждения, которые происходят без существенного снижения напряжения в линии, но при этом являются источником электромагнитных помех, причиной возникновения пожара, представляют опасность для обслуживающего персонала и других людей, находящихся вблизи поврежденных опор.
Кроме того, длительное протекание неконтролируемых токов утечки вызывает электрокоррозионные повреждения металлических и железобетонных опорных конструкций в подземной части. Опасность этих повреждений заключается в возможности внезапного падения поврежденных конструкций вследствие того, что повреждения развиваются в скрытой от обслуживающего персонала подземной части, на которой сосредоточена основная часть механической нагрузки, воспринимаемой опорой.
Наиболее распространенным и опасным случаем подобных повреждений являются электрокоррозионные повреждения опор контактной сети на железных дорогах, электрифицированных постоянным током, возникающие вследствие неконтролируемой утечки части тягового тока с рельса по цепи заземления опоры. Ток утечки по ним на некоторых участках может достигать до десятков ампер (при пороге опасности 40 мА), вследствие чего длительность процесса разрушения опоры сокращается до нескольких месяцев.
Для предотвращения электрокоррозионных повреждений выполняют ряд технических мероприятий, таких как установка в цепь заземления защитных устройств (искровых промежутков, диодных заземлителей), внедрение систем защит с отключением цепей заземления опор от рельса, увеличение частоты проверок исправности работы технических устройств и другие. Все это уменьшает влияние токов утечки на состояние опор, но не позволяет устранить его полностью.
Существуют экспериментально установленные зависимости относительных годовых потерь металла подземной части опор в процентах от количества прошедшего по арматуре интегрального тока утечки в Ампер-часах. Из литературы (А.Л.Ванштейн, А.В.Павлов «Коррозионные повреждения опор контактной сети»- М.: Транспорт, 1988) известно, что при среднегодовом токе утечки 1 А (интеграл тока по времени 8760 А·ч) относительная годовая потеря металла арматуры опоры типа СКб/13,6 составляет до 45%. При этом, в соответствии с нормативами опасным считается уменьшение сечения арматуры более чем на 20%. Таким образом, для достоверной оценки степени электрокоррозионной опасности для каждой потенциальнооопасной опоры необходимо вести непрерывные измерения тока утечки по ее арматуре, однако в настоящее время устройства, обеспечивающие подобный режим измерений отсутствуют.
Для осуществления непрерывного оперативного контроля тока утечки по цепи заземления защищаемой опорной конструкции предлагается устройство, датчик тока которого включают непосредственно в цепь заземления опоры, функцию измерения интеграла тока утечки, обработки и хранения полученной информации реализуют на базе микропроцессорного устройства (МПУ), а передачу текущей информации осуществляют с использованием блока связи.
На фиг. приведен пример общей функциональной схемы устройства, предлагаемого к использованию для контроля тока утечки в цепи заземления опор 1 контактной сети железных дорог постоянного тока с заземлением поддерживающих конструкций 2 высоковольтных элементов линии 3 на тяговый рельс 4 с установленным для защиты от электрокоррозии искровым промежутком (ИП) 5.
Устройство, представленное на схеме использует в качестве датчика тока потенциальный датчик, подключенный одним электродом (потенциал 
з) к металлическому заземлителю 6, установленному на некотором расчетном расстоянии от фундаментной части опоры по направлению вдоль линии. Вторым электродом (потенциал а) потенциального датчика устройство подключают либо к металлической арматуре 7 самой опоры либо к дополнительному заземлителю, установленному в непосредственной близости от фундаментной части опоры. Расстояния для установки заземлителей зависят от напряжения линии, удельного сопротивления грунта и параметров входного преобразователя устройства.
Возможно использование в устройстве нескольких датчиков различного типа, например шунтовой или электромагнитный, для раздельного контроля утечки по цепи заземления (контроля исправности ИП) и по арматуре опоры при высоком электрическом сопротивлении между ней и заземляемыми конструкциями. В таких случаях используют несколько измерительных каналов с установленным алгоритмом обработки результатов их измерений.
Выходы датчиков тока соединяют через блок защиты и согласования (БЗС) 8 с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9. Выходы АЦП в свою очередь подключают к соответствующим измерительным входам МПУ 10. МПУ соединено с устройством связи 11, представляющем в данном случае радиомодем, обеспечивающим двустороннюю связь данного устройства с внешними контролирующими устройствами 12 и диспетчерским пультом посредством радиоканала. В зависимости от условий установки возможно использование различных других каналов связи, например проводная, оптоволоконная и др. Питание элементов устройства осуществляют от блока автономного электропитания 13 большой емкости, обеспечивающего длительную работу устройства в заданных климатических условиях.
Устройство работает следующим образом. При указанном на схеме подключении датчики устройства в непрерывном режиме контролируют величину разности потенциалов между электродами. Входной сигнал от датчиков поступает на БЗС, выполняющий функции защиты электронной части устройства от внешних перенапряжений и преобразования входного сигнала с целью согласования с измерительной частью устройства. Далее нормированный сигнал поступает на аналоговый вход АЦП, с цифрового выхода которого код, соответствующий величине измеренного сигнала, с программно-заданной периодичностью дискретизации считывается МПУ. Далее измеренные значения обрабатываются в соответствии с установленной программой.
С помощью МПУ вычисляется текущее значение тока утечки в цепи заземления, которое прямо пропорционально величине отклонения от значения стационарной разности потенциалов датчика. По величине этого сигнала выполняется оценка состояния высоковольтной изоляции и исправности защитных устройств.
Если величина измеренного тока обоих датчиков не превышает установленного для устройства уровня шума (ток утечки менее 40 мА), то устройство в порядке установленной периодичности (или по запросу) передает по радиоканалу (непосредственно или путем ретрансляции) на диспетчерский сервер свой идентификационный код и пакет информации о текущем состоянии защищаемого объекта и самого устройства (текущее значение измеренного тока с указанием полярности, сигнал о неисправности защитного устройства, текущие значения интегрального тока утечки, а также сигналы самодиагностики системы).
При обнаружении в цепи заземления тока утечки, превышающего заданное значения уровня помех МПУ формирует на выходе набор информационных сигналов и данных в зависимости от величины и длительности протекания измеренного тока и инициирует передачу информации на диспетчерский пульт с установленной периодичностью.
Кроме измерения тока утечки МПУ выполняет расчет интеграла тока по времени протекания в Ампер-часах (А·ч) или кратных величинах методом арифметического суммирования измеренных величин с умножением на величину измеренного периода времени между последовательными измерениями. Данная величина интеграла сохраняется в памяти устройства и обновляется в каждом цикле измерений. При этом интегрирование токов различного направления выполняют раздельно и в результате получают два значения интеграла - токов анодного и катодного направления.
Превышение измеренной величины тока значения выше заданной аварийной уставки свидетельствует об аварийном повреждении рабочей изоляции поддерживающих конструкций и требует немедленного отключения линии, которое происходит при срабатывании автоматического выключателя на выходе от питающей подстанции. При этом конструкция устройства должна обеспечивать пропуск по цепи заземления полного тока короткого замыкания в течение времени, необходимого для отключения питающего автоматического выключателя без повреждения самого устройства. До отключения аварийного тока устройство выполняет передачу на диспетчерский пульт внеочередного аварийного сигнала с идентификационным кодом, соответствующим номеру поврежденной опоры. При этом, имеется возможность реализации функции, использующей аварийный сигнал в качестве команды автоматического отключения питающих выключателей.
При контроле тока утечки по опорам линий переменного тока выполняют измерение величины выпрямленного тока в цепи заземления с установкой перед АЦП на входе в микропроцессорное устройство дополнительного выпрямительного блока.
Приведенный пример применения устройств в цепях заземлений опор контактной сети железных дорог постоянного тока подтверждает, что их использование позволяет оперативно отключать поврежденные участки линий с информацией о точном месте повреждения. Кроме того, по величине тока утечки устройство позволяет эффективно осуществлять постоянный контроль исправности защитных устройств в цепи заземления с формированием сигнала, указывающего время их выхода из строя.
В отличие от аналогичных устройств, выполняющих функции защиты линий, предлагаемое устройство позволяет осуществлять дополнительную функцию дистанционной оценки потери несущей способности защищаемой опоры в результате электрохимического выноса металла ее арматуры в подземной части по расчетной величине интеграла тока утечки.
Использование данных устройств как самостоятельных датчиков контроля исправности изоляции конструкций от высокого напряжения без цепей заземления на рельс позволит значительно снизить опасность электрокоррозионных повреждений из-за устранения их основной причины - наличия цепи заземления на рельс, по которой и происходит перетекание блуждающих токов на арматуру. Кроме того, при отключении заземлений опор от рельсов возможно значительно увеличить ресурс автоматических выключателей защиты линий, поскольку снизится количество отключений полных токов «металлического» короткого замыкания на рельс, величина которых составляет до десятков килоампер, а ток утечки с высоковольтных элементов на землю через опору ограничен сопротивлением заземления и опоры обычно не превышает 500 А.
Перспективно также использование предлагаемых устройств для защиты разветвленных районных сетей среднего напряжения от 6 до 35 кВ ввиду высокой чувствительности, оперативности и точности определения места повреждения данных устройств по сравнению с существующими.
1. Устройство контроля тока утечки в цепи заземления опорной конструкции воздушных линий электропередач, содержащее датчик тока, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессорное устройство, блок связи, источник питания, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен блок защиты и согласования, а датчик тока включен непосредственно в цепь заземления, при этом выход датчика тока соединен с входом блока защиты и согласования, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход с которого соединен с входом микропроцессорного устройства, осуществляющего измерение интеграла тока утечки, обработку и хранение текущей информации, связанного двусторонним каналом связи с блоком связи, имеющим в свою очередь двусторонний канал связи с внешними контролирующими устройствами, а источником питания элементов устройства служит блок автономного питания большой емкости.
2. Устройство по п.1, отличающееся наличием выпрямительного блока на входе АЦП при использовании устройства для защиты линии переменного тока.
3. Устройство по п.1, отличающееся наличием одного или более дополнительных датчиков для осуществления контроля исправности изоляции между заземляемыми элементами воздушной линии и арматурой опорной конструкции, а также для контроля исправности защитного устройства в цепи заземления или самодиагностики устройства.
