В электроустановках с разветвленными распределительными сетями при суммарном активном сопротивлении изоляции, превышающем критическое, не всегда обеспечивается безопасность прикосновения к фазным проводам из-за значительных емкостных проводимостей изоляции.
Как показали измерения, при емкости сети 0,3 мкФ на фазу и активном сопротивлении изоляции 45 кОм ток через сопротивление утечки в одной фазе, равное расчетному сопротивлению человека (Rут=1 кОм), составляет примерно 230 мА [Л. 17]. При компенсации емкостных утечек посредством индуктивного сопротивления, настроенного в резонанс с емкостью сети относительно земли, ток поражения при прикосновении человека к одной из фаз определяется только суммарным активным сопротивлением изоляции и высшими гармоническими составляющими.
Наибольшее распространение в сетях высокого напряжения получила схема компенсации методом включения катушки индуктивности в нейтраль источника питания (рис. 2-21, а) либо в искусственно создаваемую нулевую точку (рис. 2-21,б). Однако следует рассматривать как одну из возможных схем также и пофазную компенсацию (рис. 2-21,в). Поскольку вопрос о компенсации емкостных токов утечки по условиям безопасности в сетях напряжением до 1 000 В до настоящего времени не исследован, остановимся на нем подробнее. При включении индуктивности в нейтраль ток через сопротивление утечки Rут=1 кОм определяется выражением (1-17)
Величины проводимостей, определяющих ток поражения, характеризуются параметрами сети и компенсирующего устройства:
где r, r0 — суммарные активные сопротивления изоляции и компенсирующего устройства; С — суммарная емкость изоляции сети; L0 — индуктивность компенсирующего устройства.
Очевидно, что условием полной компенсации является сведение к минимуму Iз при заданных значениях r и С сети.
Для определения влияния параметров компенсирующего устройства на качество компенсации находим экстремумы функции Iз. Запишем модуль функции |I|:
Следовательно, для заданного значения индуктивности компенсатора, определяемой из условия компенсации емкости сети по (2-12), ток поражения будет минимальным при максимальном значении активного сопротивления изоляции. Активное сопротивление компенсатора должно быть минимальным, если оно меньше индуктивного; в противном случае активное сопротивление компенсатора необходимо выбирать максимальным. Соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями компенсатора определяется величиной емкости сети и конструктивными особенностями компенсатора. В зависимости от их соотношения сопротивление заземлителя должно быть минимальным либо максимальным (посредством заземлителя компенсатор связывается с землей).
Практический интерес представляет зависимость тока поражения Iз от сопротивления изоляции R при некоторых фиксированных значениях активного сопротивления компенсатора R0 и емкости сети. По расчетам таких зависимостей для некоторых фиксированных значений параметров построены графики на рис. 2-25. Из графиков видно, что при одном и том же значении активного сопротивления R0 и полной компенсации меньших токов поражения можно добиться в сетях с меньшей емкостью, т. е. ток поражения зависит от емкости сети даже при ее полной компенсации. Это вывод, имеющий практическое значение, можно сделать и при изучении выражения для тока поражения (2-5). При полной компенсации ток поражения будет определяться зависимостью
(2-15)
В выражение (2-15) в скрытой форме входит емкость сети, определяющая значение L0, от которого зависит величина g0 формулы (2-6).
При пофазной компенсации (рис. 2-21, в) появляется возможность компенсировать несимметричные емкостные сопротивления изоляции. Однако при этом возможны стойкие смещения нейтрали в нормальном режиме:
(2-16)
Рис. 2-24. Область определения активного сопротивления компенсатора.
где Un — фазные напряжения; Υп — проводимости фаз относительно земли.
При использовании в электроустановке устройства компенсации проводимости фаз относительно земли будут различными:
где Сп, rп — емкость и активное сопротивление изоляции фаз относительно земли; Ln — индуктивность компенсирующих дросселей.
Очевидно, что при наличии несимметрии в емкостях изоляции фаз значения проводимости фаз относительно земли будут различными и напряжение смещения будет отличаться от нуля. Однако при небольших нарушениях симметрии искажение симметрии питающих напряжений будет незначительным и не отразится на работе электрооборудования.
Для дальнейшей оценки схемы пофазной компенсации найдем зависимость тока поражения Iз от параметров изоляции сети и компенсирующего устройства. Величину этого тока определяют, исходя из схемы поражения (рис. 2-21,а):
в котором величины g0, b0 определяются суммарной индуктивностью и активным сопротивлением всех дросселей по (2-6).
Для сравнения эффективности пофазной компенсации с компенсацией включением дросселя в нейтраль достаточно сравнить выражения для тока Iз через расчетное сопротивление утечки при полной компенсации емкости сети. При пофазной компенсации:
(2-21)
Сравниваем выражения (2-15) и (2-21). Так как в выражение (2-21) g0 входит утроенной величиной в числитель и знаменатель, судить о величине тока Iз можно только по изменению величины g0 при первой и второй схемах компенсации.
Для дальнейших рассуждений необходимо учесть, что дроссели при пофазной компенсации имеют то же суммарное индуктивное сопротивление, что и дроссель в нейтрали, и, следовательно, суммарное значение b0 меньше. Следовательно, для получения одних и тех же значений g0 по (2-6) при пофазной компенсации необходимо обеспечить такие же значения активного сопротивления в цепи компенсации, что и при компенсации включением дросселя в нейтраль.
Если учесть, что активное сопротивление дросселей при пофазной компенсации меньше, следует ожидать, что из двух способов пофазная компенсация имеет несущественное преимущество с точки зрения уменьшения тока поражения. Однако при пофазной компенсации необходимо использовать три дросселя, что повышает стоимость компенсатора. Таким образом, применение пофазной компенсации целесообразно лишь в сравнительно редких случаях резко выраженной несимметрии емкостных проводимостей изоляции.
Прибор непрерывного контроля изоляции с компенсацией емкостных токов утечки. Сочетание непрерывного контроля изоляции с компенсацией емкостных токов утечки является основным методом обеспечения электробезопасности в некоторых видах передвижных электроустановок. Как правило, высокие требования к надежности электроснабжения не допускают устраивать защитное отключение от однофазных замыканий и прикосновений к фазным проводам, а высокие требования к мобильности исключают возможность сооружения заземляющих устройств с низким сопротивлением растеканию в такого рода электроустановках.
Учитывая, что наибольшими достоинствами непрерывного контроля обладает метод наложения постоянного оперативного тока, при применении которого, как правило, используются дроссели в качестве элементов с большим сопротивлением току контролируемой сети, возникла идея совместить в одном дросселе функции контроля и компенсации емкостных токов утечки.
Рис. 2-26. Принципиальная схема прибора УИКС-1.
На этом принципе в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики был разработан прибор непрерывного контроля изоляции с компенсацией емкостных токов утечки УИКС-1. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 2-26. Для непрерывного контроля изоляции используется постоянный оперативный ток, получаемый посредством состоящего из четырех диодов Д226В выпрямителя В2, питающегося от контролируемой сети через трансформатор Тр. Величина сопротивления изоляции контролируется, по килоомметру mA.
При появлении тока утечки, вызванного повреждением изоляции или прикосновением человека к токоведущим элементам, оперативный ток проходит по цепи: плюс выпрямителя В2, килоомметр (переключатель П стоит в положении «Работа»), обмотка реле Р, рабочая обмотка дросселя Др, источник питания сети, сопротивления изоляции сети относительно земли, заземлитель R01 минус выпрямителя. При снижении сопротивления изоляции до критического значения оперативный ток возрастает до величины, вызывающей срабатывание реле Р и промежуточного реле РП. Перекидной контакт промежуточного реле отключает сигнал «Норма» (лампа Л1) и загорается сигнал «Авария» (лампа Л2).
После устранения или ремонта поврежденного участка и восстановления сопротивления изоляции до уровня 50 кОм и выше сигнал аварийного состояния автоматически отключается. Если же сопротивление изоляции находится в диапазоне между rкр и 50 кОм, сигнал аварийного состояния можно отключить нажатием и отпусканием кнопки Кн.
Килоомметр имеет две шкалы. При уровне изоляции, превышающем критический, включена шкала с пределами ∞ — 15 кОм. При появлении аварийного сигнала измерительное сопротивление R3 шунтируется сопротивлением R4 и уровень изоляции определяется по шкале с пределами 25—0 кОм.
Проверка работоспособности прибора осуществляется установкой переключателя П в положение «Проверка». При этом измерительная цепь замыкается на землю через сопротивление R5, равное 15 кОм, и должен включиться сигнал «Авария».
Компенсация емкостной составляющей тока утечки осуществляется дросселем насыщения Др, включенным между нейтралью источника и землей через разделительный конденсатор С1 емкостью 50 мкФ. Дроссель позволяет компенсировать емкостные токи утечки при изменении емкости изоляции электроустановки в диапазоне 0,1—1,0 мкФ посредством изменения тока подмагничивания дросселя регулировочным сопротивлением Для настройки компенсатора переключатель П ставится в положение «Настройка». При этом одна из фаз электроустановки замыкается на землю через сопротивление R6, равное расчетному сопротивлению человека. Вращая ручку регулировочного сопротивления R1, добиваются минимального тока через сопротивление R6, регистрируемого индикатором настройки, в роли которого в таком положении переключателя используется килоомметр. После настройки компенсатора переключатель П переводится в положение «Работа».
Прибор позволяет осуществлять непрерывный контроль изоляции и компенсацию емкостных токов утечки в электроустановках напряжением 230 и 400 В при частоте 50 Гц. При этом ток через сопротивление утечки 1 кОм не превышает 40 мА при снижении активного сопротивления изоляции до 8 и 15 кОм соответственно.
Расчет позволил определить наименее надежные элементы и выявить степень надежности прибора. Вероятность безотказной работы прибора в течение 72 ч=0,9975. Необходимо повысить надежность схемы непрерывного контроля изоляции, в которой наименьшей надежностью обладают сигнальные лампы и измерительный прибор (килоомметр).