Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние и тенденции развития средств защиты от токов утечки в промышленных электроустановках ii
Анализ устройств защитного отключения для сетей с
заземленной нейтралью 12
Анализ устройств непрерывного контроля изоляции 17
Влияние высших гармоник в электрической сети с
вентильными преобразователями на условия электро безопасности . ''?' 24
Исследование входных сигналов устройств защитного отключения в электрических сетях промышленных
предприятий 36
Состояние развития средств защиты от несинусоидальных токов утечки в сетях с вентильными преобразова телями 55
Выводы 59
Глава 2. Анализ режимов работы трансформаторов тока в схемах защитного отключения и контроля изоляции сетей с вентильными преобразова телями 61
Характеристики режимов работы трансформаторов тока в схемах УЗО и УНКИ. Выбор метода расчета 61
Схема замещения и метод расчета нелинейного трансформатора тока по основной частоте 64
Оценка условий передачи составляющей основной частоты при наличии постоянной составляющей во входном сигнале ТТ 67
Выводы 76
Глава 3. Исследование функционирования устройств защитного отключения в сетях с вентильными преобразователями 77
Анализ условий электробезопасности в сетях с вентильными преобразователями 77
Анализ формы входного сигнала УЗО, реагирующего на ток нулевой последовательности, в сети с вентильным
преобразователем 84
Исследование влияния постоянной составляющей входного сигнала на функционирование УЗО 95
Исследование влияния частотной характеристики УЗО на уставку по несинусоидальному току утечки ІОІ
Экспериментальные исследования функционирования УЗО при несинусоидальных входных сигналах в сети с вен тильным преобразователем 106
Выводы 120
Глава 4. Разработка способов защиты от токов утечки в электроустановках с вентильными преобра зователями 122
Принципы построения защиты от токов утечки в сетях с вентильными преобразователями 122
Разработка способа непрерывного контроля и измере ния сопротивления изоляции в сети с заземленной нейтралью, основанного на использовании третьих гармоник токов и напряжений нулевой последовательности 125
Обоснование частотных характеристик устройств для защиты от токов утечки 133
4.4. Разработка способа защиты от несинусоидальных токов утечки в сети с неуправляемым вентильным преобразователем 140
4.5. Разработка способа защиты от несинусоидальных токов утечки в сети с управляемым вентильным преобразователем 146
4.6. Разработка комбинированного устройства для защиты от несинусоидальных токов утечки 158
4.7. Выводы 169
Заключение 1?1
Литература
- Анализ устройств непрерывного контроля изоляции
- Схема замещения и метод расчета нелинейного трансформатора тока по основной частоте
- Исследование влияния постоянной составляющей входного сигнала на функционирование УЗО
- Разработка способа непрерывного контроля и измере ния сопротивления изоляции в сети с заземленной нейтралью, основанного на использовании третьих гармоник токов и напряжений нулевой последовательности
Введение к работе
"Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990г.", принятые ХХУІ съездом КПСС, предусматривают дальнейшее "улучшение охраны труца и техники безопасности" и "создание наиболее благоприятных условий для высокопроизводительного труца" [i] . В условиях непрерывного роста электровооруженности труца и расширения областей применения электрической энергии решение этой важной народнохозяйственной задачи неразрывно связано с созданием эффективных средств защиты от поражения электрическим током.
Благодаря существующей системе организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от поражения электрическим током, уровень электротравматизма имеет устойчивую тенденцию к снижению, однако, число электротравм в стране все еще остается значительным, а в отдельных отраслях наблюдается рост электротравматизма [2J . Для защиты людей от поражения током используется комплекс защитных мер, применение которых регламентируется Правилами устройства электроустановок [ 3] . В настоящее время созданы и нашли практическое применение устройства защитного отключения (УЗО), устройства непрерывного контроля изоляции (УНКИ) и другие автоматические средства защиты в электроустановках промышленной частоты напряжением до 1000 В, применение которых уменьшает опасность электропоражения [4,5,6] . Однако эффективность традиционных средств защиты существенно снижается в сетях с силовыми вентильными преобразователями (ВП), широко используемых для создания оптимальных условий потребления электрической энергии [7] . Это обусловлено появлением участков сети с преобразованным напряжением, гальванически связанных с питающей сетью основной промышленной частоты; возможностью возникновения постоянной составляющей в сети переменного тока; появлением в сети высших гармоник. Указанные факторы изменяют характер токов утечки, тока, протекающего через тело человека, входных сигналов средств защиты и, как следствие, влияют на эффективность этих средств и условия электробезопасности. Известны работы по исследованию некоторых из этих факторов в сетях с изолированной нейтралью и контактных сетях [8-17], однако существенное влияние режима нейтрали сети на опасность электропоражения и функционирование средств защиты не позволяет использовать результаты этих исследований при решении вопросов электробезопасности для сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В, применяемой в большинстве отраслей народного хозяйства.
Изложенное выше свидетельствует об актуальности работ по исследованию условий электробезопасности, а также эффективности известных средств защиты с целью уточнения области их применения в сетях с заземленной нейтралью с ВП и создания специальных принципов построения средств защиты электроустановок с ВП, число которых постоянно увеличивается. В настоящее время утке около 70% вырабатываемой электроэнергии потребляется в СССР промышленными предприятиями, имеющими приемники электрической энергии как переменного, так и постоянного тока. При этом на постоянном токе потребляется примерно 25-30% электроэнергии [7] .
Наблюдается тенденция к повышению удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном или на переменном токе при частоте, отличной от основной промышленной частоты. Интенсивно разрабатываются и внедряются мощные преобразовательные устройства на базе силовых полупроводниковых вентилей, предназначенные для использования в электротехнологических установках, электроприводе, на транспорте и т.д. Предполагается дальнейшее расширение областей применения преобразовательных устройств, в том числе в электроэнергетике - для создания оптимальных условий генерирования, передачи и распределения электрической энергии [7 J . Поэтому важной и актуальной, но в то же время практически неизученной научной задачей является исследование и разработка средств защиты от утечек тока для сетей с ВП.
Работа выполнена на кафедре охраны труда МЭИ в соответствии с , заданием 0.74.08.01.03 "создать и освоить в производстве унифицированный ряд устройств защитного отключения для сетей с заземленной нейтралью с учетом норм допустимых токов воздействия на организм человека и различных эксплуатационных условий" Программы работ по решению научно-технической проблемы 0.74.08., утвержденным Постановлением Госкомитета СССР по науке и технике и Президиума ВЦСПС №19-9/434 от 17 декабря 1976г.
Цель работы - обеспечение безопасности электроустановок с вентильными преобразователями напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью путем разработки новых способов и средств защиты от токов утечки и повышение эффективности функционирования У30, реагирующих на ток нулевой последовательности.
Поставленная цель определила следующие основные задачи исследования:
комплексное исследование процессов функционирования УЗО, реагирующих на ток нулевой последовательности, с учетом несинусоидальности токов утечки в электрических сетях с ВП;
анализ характерных режимов работы датчиков У30 при несинусоидальных входных сигналах с постоянной составляющей;
разработка принципов построения средств защиты от несинусоидальных токов утечки в сетях с заземленной нейтралью, имеющих ВП;
разработка новых способов и средств защиты от токов утечки в сетях с неуправляемыми и управляемыми ВП.
Сформулированные в работе научные положения и полученные результаты основываются на проведенных теоретических исследованиях, использующих аппарат теории электрических цепей, аналитические и графоаналитические расчеты с привлечением средств вычислительной техники, метод гармонической линеаризации нелинейных элементов. Основные положения диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и производственных условиях.
Научные положения, защищаемые автором диссертации:
методические принципы оценки условий электробезопасности и принципы построения средств защиты от несинусоидальных токов утечки в сетях с вентильными преобразователями;
обоснование частотных характеристик и определение зависимостей уставок срабатывания устройств защитного отключения с трансформатором тока нулевой последовательности при несинусоидальных входных сигналах, позволяющие повысить эффективность устройств защиты от электропоражения;
принцип построения устройств непрерывного контроля изоляции в электрических сетях с заземленной нейтралью, основанный на измерении третьей гармоники напряжения и тока утечки, позволяющий повысить безопасность электроустановок.
Научную новизну определяют следующие результаты работы:
теоретически установлена и экспериментально подтверждена зависимость изменения уставки УЗО, реагирующих на ток нулевой последовательности, от постоянной составляющей и высших гармоник входного сигнала;
разработаны принципы построения средств защиты от несину - 9 соидальных токов утечки для сетей с ВП;
предложены два новых способа защиты от токов утечки в сетях с ВП и разработаны соответствующие функциональные схемы УЗО,реагирующих на основную гармонику и постоянную составляющую входного сигнала;
получены аналитические выражения для передаточной функции входного сигнала УЗО с автоматическим регулированием уставки при изменении напряжения сети с управляемым ВП;
разработан новый принцип построения УНКИ электроустановок с ВП на участке сети переменного тока с заземленной нейтралью, основанный на измерении третьей гармоники напряжения и тока утечки.
Работа имеет практическую ценность. Результаты диссертационной работы позволили:
разработать методику оценки условий электробезопасности электроустановок с ВП, позволяющую определить требования к характеристикам автоматических средств защиты на стадии их проектирования;
уточнить область применения существующих УЗО в сетях с заземленной нейтралью;
обосновать требования к частотным характеристикам УЗО, обеспечивающим правильное их функционирование в сетях с ВП;
установить влияние параметров и режимов работы сети с ВП на функционирование УЗО;
разработать методику проектирования средств защиты от несинусоидальных токов утечки в сетях с ВП;
разработать методику определения уставки УЗО, реагирующих на несинусоидальный ток, и рекомендации по повышению эффективности их функционирования в сетях с ВП.
Реализация результатов работы. Рекомендации по частотным характеристикам УЗО при несинусоидальных входных сигналах использованы во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-кон-структорском и технологическом институте релестроения (г.Чебоксары) при разработке реле утечки для сетей с заземленной нейтралью.
Разработанное устройство для защиты от несинусоидальных токов утечки внедрено для опытной эксплуатации на предприятии "Полимерфото" Минхимпрома СССР.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на П и Ш Всесоюзных научно-технических конференциях "Электробезопасность на горнорудных предприятиях черной металлургии СССР" (Днепропетровск, 1979, 1982); на Московской городской конференции молодых ученых и специалистов "Повышение надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования", посвященной ХХУІ съезду КПСС (Москва, 1980); на Юбилейной научно-технической конференции МЭИ (Москва, 1980); на ІУ Всесоюзной межвузовской конференции "Проблемы охраны труца" (Каунас, 1982).
Основные положения диссертации изложены в II печатных работах, в том числе в авторском свидетельстве на изобретение. По результатам работы получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства (заявлено 04.04.83г., №3604178/07).
Социальный эффект применения разработанных средств защиты от несинусоидальных токов утечки и рекомендаций по повышению их эффективности заключается в улучшении условий электробезопасности при эксплуатации электроустановок с вентильными преобразователями.
Анализ устройств непрерывного контроля изоляции
В электроустановках, в которых защитное отключение не может быть использовано из-за требования непрерывности электроснабжения, эффективной мерой защиты от токов утечки является непрерывный контроль изоляции.
Известно [8J , что в сетях с ВП высшие гармоники и постоянная составляющая тока и напряжения влияют на работу устройств контроля изоляции. Вопросы, связанные с влиянием ВП на функционирование УНКИ в сети с изолированной нейтралью, рассмотрены в [8 - 12]
Влияние бесконтактного коммутатора, составленного из трех тиристоров и трех неуправляемых вентилей, на работу реле утечки с использованием вентильной схемы контроля изоляции показано в [8] . Указанное влияние может проявляться в снижении или повышении чувствительности реле вследствие образования элементами бесконтактного коммутационного аппарата источников постоянного выпрямленного тока, которые действуют в той же цепи, что и реле утечки.
В [9] отмечается, что для защиты комбинированных сетей переменного и постоянного тока, служащих для зарядки аккумуляторных батарей руцничных аккумуляторных электровозов, реле утечки типа РУВ-2 и УАКИ оказались непригодными, так как они, буцучи основанными на применении постоянного оперативного тока, подвергались влиянию постоянного тока, обусловливаемого заряжаемыми батареями или выпрямителями, имеющихся в зарядных устройствах.
Постоянная составляющая в контролируемой сети переменного тока может либо вывести УНКИ из строя, либо привести к неправильным показаниям прибора или несрабатываниям УНКИ при возникновении замыкания на землю [l0] .
В [II,12] дается оценка возможных погрешностей измерения сопротивления изоляции в гальванически связанных цепях переменного и постоянного токов наиболее часто применяющимися устройствами контроля (содержащими вспомогательный источник измерительного постоянного напряжения или вентильную схему). При неравномерном изменении сопротивления изоляции полюсов цепей постоянного тока в кривой напряжения между фазами сети переменного тока и землей (корпусом) появляется постоянная составляющая, которая может достигать половины среднего значения рабочего напряжения цепей постоянного тока. Показано, что существующие приборы контроля изоляции сетей переменного тока нельзя использовать для измерений, если сеть содержит непосредственно подключенные полупроводниковые преобразователи напряжения для питания силовых потребителей.
В [13,22,23] анализируется влияние тиристорного выпрямителя на токи утечки в сети с изолированной нейтралью. Показано влияние параметров сети и выпрямителя на значение и форму кривой тока утечки. Серийно выпускаемые УНКИ для сетей с изолированной нейтралью неприменимы в сетях с заземленной нейтралью, так как измерительная цепь шунтируется рабочим заземлением питающего трансформатора.
В последние годы проводятся поиски и исследования для создания УНКИ сетей с заземленной нейтралью. Предложен ряд способов и устройств, реализующих принцип непрерывного контроля изоляции [24-31] . Рассмотрим влияние ВП на функционирование УНКИ в сети с заземленной нейтралью на примере устройств, в измерительной цепи которых используются постоянный оперативный ток постороннего источника [26] , выпрямленный ток контролируемой сети [24] , выпрямленный ток постороннего источника непромышленной частоты [27].
Принципиальные схемы этих устройств и сети с ВП приведены на рис.1.2 (а,б,в), где Е - источник постоянного напряжения; Ииъи - сопротивление измерительной цепи; А - миллиамперметр; Ro » RB І RC сопротивления изоляции фаз относительно земли; Zн - сопротивление нагрузки; В - статический преобразователь напряжения, собранный по трехфазной мостовой схеме выпрямления; /7_, R+ - сопротивления изоляции полюсов относительно земли.
Шунтирующее действие малого сопротивления рабочего заземления устраняется включением между нейтральной точкой источника питания и заземляющим устройством элемента с большим сопротивлением для тока измерительной цепи: емкости (рис.1.2а), резонансного LС контура (рис.1.2-б), выпрямителя (рис.1.2 в). При этом нейтраль трансформатора остается заземленной для тока промышленной частоты, но изолируется для тока измерительной цепи, что позволяет осуществить контроль изоляции УНКИ, предназначенными для сетей с изолированной нейтралью (рис. 1.2 а,б).
Схема замещения и метод расчета нелинейного трансформатора тока по основной частоте
С целью оценки погрешностей функционирования УЗО в реальных условиях эксплуатации при наличии в сети вентильных преобразователей рассмотрим режим работы ТТНП с подмагничиванием постоянной (в общем случае апериодической) составляющей входного сигнала Li0L » обусловленной утечкой выпрямленного тока или режимом работы ВП. При этом замкнутая система (рис.2.1,6) находится в режиме несимметричных вынужденных колебаний при наличии двух воздействий [94] , для которого нелинейное дифференциальное уравнение (2.1) принимает вид [86] ZHWUO +іаа)+Р ог ha)=Z#WVr fJ (2.4) где LQ - периодическая составляющая тока намагничивания; LQQ - апериодическая (постоянная) составляющая тока намагничивания.
Метод расчета несимметричного режима нелинейной системы при двух внешних воздействиях изложен в [94] , а его особенности при расчете нелинейного трансформатора тока рассмотрены в [86,87] . Произведем гармоническую линеаризацию характеристики намагничивания /SQ ( tDa , ID ). В данном случае на входе нелинейного элемента имеется помимо периодического сигнала CD медленно меняющийся сигнал lQa и на основании применения общих методов гармонической линеаризации нелинейностей при наличии двух воздействий [94] получим линеаризованное уравнение ветви намагничивания трансформатора тока - 68 где Cj,(l0)LDQ) , fy (T0 iDO) - коэффициенты гармонической линеаризации j
Коэффициент ft (ho І 1 о) характеризует зависимость постоянной составляющей потокосцепления от действующих одновременно I апериодического воздействия 1р0 и периодического воздействия с амплитудой Т0 . Указанное определяется несимметричным режимом работы нелинейного ТТ, вызванным наличием составляющей LDQ . Коэффициенты (lD} 1оа) и (ID) L0CL) зависят так-же и от составляющей с0о на входе нелинейного элемента. Для ТТ с ПХН аналогичной идеальной релейной характеристике нелинейного элемента [94J (рис.2.2,а) имеем % О», То) = — ь -f; (2.9) ҐЛ, Loo)=jf0 l/ -fffi $ ,(І ioQ 0 (2Л0)
С учетом линеаризации в соответствии с выражением (2.5) основное уравнение 2.4 с целью решения разделяется на два взаимно зависимых дифференциальных уравнения [94,87]. - 69 %H (fi) W +p% (loQ ID) = ZH(p)hQ С2 11) - для воздействия в виде апериодической составляющей; - для воздействия в виде периодической составляющей Li с частотой СО0 , откуда имеем для периодической составляющей при p=JcoD г [J+ JWo 9-( toe) V? (т ьоя)] _ j lpl ZH(J4) Г1 (2.12)
Так как коэффициенты (р0 , О, , а , входящие в уравнения (2.II) и (2.12), зависят одновременно от значений 10 и Соси , являющихся решениями этих уравнений, расчет установившегося и переходного несимметричных (с подмагничиванием) режимов трансформаторов по первой гармонике производится путем совместного решения уравнений (2.II) и (2.12) аналитическим или графическим путем. Рассмотрим расчет установившихся несимметричных режимов с подмагничиванием ( LfQ CO/?st ) трансформаторов с прямоугольной характеристикой намагничивания.
При расчете установившегося несимметричного режима с подмагничиванием с наличием на входе ТТ с ПХН периодической составляющей с амплитудой 11 и постоянной составляющей уравнение (2.12) для периодических составляющих в ТТ при подстановке в него значений Q и а из (2.10) примет вид 0 jrzH j») У vt) J e (2ЛЗ) - 70 или в относительных удельных величинах
Исследование влияния постоянной составляющей входного сигнала на функционирование УЗО
УЗО, реагирующее на ТИП, срабатывает при достижении ЭДС, наводимой во вторичной обмотке этим током, значения соответствующего уставке Iy . Постоянная составляющая 10 входного сигнала УЗО в сети с ВП, протекающая по первичным обмоткам ТТНП, не трансформируется во вторичную обмотку, но создает нес-компенсированный постоянный магнитный поток, насыщающий магни-топровод ТТНП.
При подмагничивании ТТНП постоянным током значение ЭДС во вторичной обмотке зависит от значения 1Q /93,99-102J . В схемах защитного отключения ТТНП работают с малой напряженностью магнитного поля, с малой индукцией, на начальном участке кривой намагничивания B=J(hi) [93,98] , поэтому изменение потока происходит по частному гистерезисному циклу. При подмагничивании магнитопровода током JQ рабочая точка смещается и изменение потока также происходит по частному гистерезисному циклу, но индукция колеблется в меньших пределах, что объясняется явлением гистерезиса и магнитной вязкости, приводящей к дополнительному запаздыванию во времени изменения магнитного потока 99] . В результате эффективная ЭДС и мощность во вторичной цепи при подмагничивании током I оказываются меньше, чем при отсутствии подмагничивания. Как следствие, возможно изменение уставки УЗО. С целью определить влияние составляющей Та входного сигнала в сети с ВП на функционирование УЗО были исследованы используемые в устройствах магнитопроводы тороидальной формы (рис. 3.11). На рис. 3.12 приведена экспериментальная зависимость вторичного напряжения ІТц (среднее значение) от составляющих входного сигнала 11 и JQ для одного из образцов с параметрами: d = 50 мм; D = 60 мм; h = 15 мм; Wg = 900; W/ =1; RH = 2,4 кОм, где d - внутренний диаметр; D - наружный диаметр; /? - высота магнитопровода (материал - пермаллой 79НМ); W , \V/ - количество вторичных и первичных витков; Цц - нагрузка вторичной цепи. Магнитопровод с указанными параметрами используется в датчике реле утечки РУД-05 УЗ исполнениєм на номинальный ток до 100 А с уставками по току основной частоты Jfу = 30,100, 300 мА.
При активном характере нагрузки вторичной цепи ( Сн= 0), как следует из зависимости Цг- 41 ,- ), составляющая IQ входного сигнала приводит к снижению выходного напряжения датчика (см. рис. 3.12) и, следовательно, к повышению уставки УЗО. На рис. 3.13 (кривые 1,2) приведена расчетная зависимость относительного изменения уставки УЗО с подобным датчиком: 1;г Г(?п) » где Т ф-І/е /ііи \ Т/сп значение составляющей входного сигнала Ii , вызывающей срабатывание УЗО.
Анализ экспериментальной зависимости Ці= ,І0) при активно-емкостном характере нагрузки вторичной цепи ( Сн =0) выявил области значений тока 7Q , вызывающих как повышение, так и снижение выходного напряжения . На рис. 3.13 (кривые 3,4) приведена расчетная зависимость 11Ср =Р(10)щм RH = 2,4 кОм, Cff = 2,2 мкФ, иллюстрирующая снижение уставки УЗО с ростом IQ . Следует отметить, что диапазон значений тока 10 вызывающих снижение уставки УЗО расширяется с возрастанием Сн
Анализ аналогичных зависимостей, полученных для датчиков УЗО с различными геометрическими размерами, количеством витков и нагрузкой вторичной цепи, подтвердил, что влияние постоянного тока на функционирование УЗО в сети с ВП зависит от параметров датчика и значений составляющих IQ , Ii , входного сигнала.
На рис. 3.14 приведена экспериментальная характеристика срабатывания реле утечки РУД-05 УЗ, полученная при подмагничи-вании датчика постоянным током. Нагрузка вторичной цепи датчика имеет активно-емкостный характер, поэтому наблюдаются области снижения и повышения уставки реле.
Разработка способа непрерывного контроля и измере ния сопротивления изоляции в сети с заземленной нейтралью, основанного на использовании третьих гармоник токов и напряжений нулевой последовательности
Результаты теоретического и экспериментального исследования, изложенные в предыдущих главах, показыват, что существующие средства защиты от токов утечки (УЗО и УНКИ) не применимы в сетях с ВП, и, вместе с тем, могут служить основой для разработки защиты от токов утечки в сетях с ВП. Полученные результаты позволяют предложить следующие способы построения схем защиты от токов утечки различной формы:
а)гальваническая развязка участков сети разного рода токов и применение на участке напряжением основной промышленной частоты одного из известных устройств, а на участке с преобразованным напряжением - специально разработанного для этой цели устройства. Такой способ требует установки согласующего (разделительного) трансформатора и экономически оправдан в тех случаях, когда установка трансформатора обусловлена принципом построения схемы вентильного преобразователя.
б)при непосредственном присоединении вентильного преобразователя к сети (в настоящее время наблюдается тенденция выполнения вентильных преобразователей без согласующего трансформатора) участки разного рода токов оказываются гальванически связанными. В этом случае возможны два пути решения вопроса: применение специально разработанного комбинированного устройства, общего для обоих участков сети с ВП, с двумя независимыми уставками по токам утечки, соответственно основной промышленной частоты и преобразованному; применение на пред- и послевключенных участках сети с ВП устройств различного типа. При этом известные устройства, предназначенные для сетей с напряжением основной промышленной частоты, нуждаются в коррекции их частотных характеристик (частотным фильтром в тракте преобразования входного сигнала, снижающего уровень высших гармоник) и выборе рационального режима работы ТТНП, исключающего влияние подмагничивания постоянной составляющей Т0 входного сигнала на уставку устройства. Для защиты от утечек преобразованного тока необходима разработка нового устройства.
Таким образом, независимо от схемы включения вентильного преобразователя в сеть осуществление защиты от токов утечки в электроустановках с ВП связано с разработкой новых способов и устройств для их реализации.
Несинусоидальность токов утечки обусловливает необходимость классификации полезных сигналов и сигналов помехи с учетом значений их амплитуд и частот и обоснования на этой основе оптимальных частотных характеристик разрабатываемых устройств.
Анализ уровней и гармонического состава токов утечки позволил : обосновать возможность использования третьих гармоник тока и напряжения нулевой последовательности для контроля симметричных изменений и измерения сопротивления изоляции на участке трехфазного тока сети с заземленной нейтралью; предложить метод обеспечения устойчивого функционирования известных устройств для защиты от токов утечки при несинусоидальных входных сигналах; предложить способы защиты от несинусоидальных токов утечки, основанные на использовании постоянной и гармонических составляющих этих токов в электроустановках с неуправляемым и управляемым вентильными преобразователями.
С учетом многообразия типов вентильных преобразователей указанные способы рассмотрены в 4.3-4.5 применительно к трехфазной сети с неуправляемым и управляемым выпрямителем; собранным по мостовой схеме, однако общий подход к построению схем защиты от утечек несинусоидального тока распространяется и на другие типы вентильных преобразователей. Основные этапы разработки защиты включают: анализ гармонического состава несинусоидального тока утечки и определение зависимостей значений амплитуд и частот гармонических составляющих от параметров и режимов работы ВП; обоснование и выбор измеряемой гармонической или постоянной составляющей (составляющих) тока утечки и частотной характеристики устройства, обеспечивающих селективность защиты; определение зависимости между значениями входного сигнала устройства, избранной гармонической составляющей, на которую реагирует устройство, и полного тока утечки; расчет уставки устройства на частоте выбранной гармоники, исходя из критериев электробеэопасности для несинусоидальных форм тока (или критериев пожаро- и взрывобезопасности) с учетом установленной зависимости между значениями входного сигнала и полного тока утечки; для управляемого ВП (дополнительно) - определение зависимости между значениями параметра регулирования, выбранной гармонической составляющей, полного тока утечки; реализация в устройстве автоматического регулирования уставки при изменении на пряжения сети.
На основании предложенного алгоритма построения защиты от несинусоидальных токов утечки в 4.4, 4.5 разработаны новые способы и соответствующие им функциональные схемы УЗО, реагирующих на основную гармонику 1 и постоянную составляющую IQ входного сигнала. В 4.6 разработана принципиальная электрическая схема комбинированного УЗО, реагирующего на постоянную и отдельные гармоники входного сигнала.
