Синтез метода и средств удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

• АННОТАЦИЯ
• Введение
• 1. Аналитический обзор методов и средств измерения сопротивлений заземлений
• 1.1 Методы измерения сопротивлений заземлений
• 1.2 Приборы для измерения сопротивлений заземлений
• 1.3 Проблемы измерения сопротивлений заземлений малыми токами на низкой частоте
• 1.4 Проблемы измерения сопротивлений заземлений импульсными токами большой энергии
• 1.5 Задачи дипломной работы
• 2. Аналитический обзор существующих методов измерения высокого напряжения и больших токов
• 2.1 Существующие методы измерения высоких напряжений
• 2.2 Ещё один метод измерения высокого напряжения
• 2.3 Существующие методы измерения токов
• 3. Разработка метода измерения сопротивлений заземлений с использованием реальных молниевых токов
• 3.1 Постановка задачи
• 3.2 Описание предлагаемого метода
• 3.3 Анализ предлагаемого метода
• 3.4 Разработка структурной схемы измерительного датчика
• 3.5 Выводы
• 4. Разработка схемных решений по реализации предлагаемого метода
• 4.1 Выбор датчика тока
• 4.2 Разработка схемотехники основных узлов структурной схемы
• 4.6 Выводы
• 5. Определение срока окупаемости внедряемой системы удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей
• 5.1 Вычисление затрат РЦС на ежегодные измерения сопротивления заземлений
• 5.2 Вычисление затрат на сборку и установку прибора для осуществления удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей
• 5.3 Вычисление затрат на обслуживание прибора для осуществления удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей
• 5.4 Определение срока окупаемости проекта
• 5.5 Выводы
• 6. Охрана труда при работе в электроустановках
• 6.1 Введение
• 6.2 Классификация вредных и опасных факторов производственной среды
• 6.3 Вредные физические факторы производственной среды
• 6.4 Опасные факторы производственной среды
• 6.5 Организационно-технические мероприятия обеспечения безопасности условий труда при обслуживании электроустановок
• 6.6 Методика расчета защитного зануления и защитного отключения
• 6.7 Расчет защитного заземления НУП станции Катозеро
• 6.8 Выводы
• 7. Выбор мер защиты рабочих и служащих объекта ст. Чупа, загрязненного радиоактивными веществами
• 7.1 Исходные данные
• 7.2 Определение ожидаемых доз облучения людей в начальном периоде радиационной аварии
• 7.3 Выбор и разработка мер защиты производственного персонала
• 7.4 Выводы
• Заключение
• Список литературных источников

АННОТАЦИЯ

В данном дипломном проекте рассмотрены существующие на настоящий момент времени методы и средства измерения сопротивлений заземлителей; определен теоретический подход к мониторингу сопротивления заземлителя с использованием реальных молниевых токов; рассмотрено возможное схемотехническое решение задачи построения системы удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей.

В проекте содержатся следующие разделы: основная часть, технико-экономическое обоснование, а также разделы, посвященные охране труда и безопасности жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях.

Пояснительная записка содержит 116 страниц, 39 рисунка и 21 таблицу.

Введение

В настоящей дипломной работе рассматриваются вопросы синтеза метода и средств удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей, в том числе и заземлителей устройств связи. В ходе работы над проектом планируется проанализировать существующие методы измерения сопротивлений заземлителей, определить возможные отрицательные моменты, присущие им с точки зрения проектирования системы автоматизированного контроля, и, возможно, предложить новый вариант построения измерительного устройства.

Следует заметить, что в настоящее время сопротивление заземлителя, как таковое, можно измерить и без использования реальных молниевых токов. Однако, на данный момент не существует статистических сведений, позволяющих построить импульсную характеристику заземлителя. А практическое применение у этой характеристики, как будет показано ниже, безусловно имеет место, и важность этих сведений нельзя отрицать.

Сама идея удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей направлена не столько на осуществление контроля над устройствами связевого хозяйства и повышение надёжности работы последних путём повышения числа замеров сопротивления на каждый год, сколько на собрание статистической информации о поведении измеряемой физической величины при действии на заземлитель импульсными токами большой величины. Эти сведения в дальнейшем могут поспособствовать лучшему пониманию искровых процессов, возникающих в грунте вокруг вертикального заземлителя при действии на него импульсных токов большой величины, что в свою очередь позволит более верно выбирать системы грозозащиты оборудования, тем самым позволяя повысить надёжность работы защищаемых заземлителем устройств.

1. Аналитический обзор методов и средств измерения сопротивлений заземлений

Под термином «заземление» подразумевается преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности). Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ - преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Заземление используется для установки и поддержания потенциала подключенной цепи или оборудования максимально близким к потенциалу земли. Цепь заземления образована проводником, зажимом или соединением, с помощью которого проводник подключен к электроду, электродом и грунтом вокруг электрода. Заземлитель или заземляющее устройство может быть подключено к главной заземляющей шине. Главная заземляющая шина - шина, являющаяся частью заземляющего устройства электроустановки до 1 кВ и предназначенная для присоединения нескольких проводников с целью заземления и уравнивания потенциалов.

Уравнивание потенциалов - электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов.

Защитное уравнивание потенциалов - уравнивание потенциалов, выполняемое в целях электробезопасности.

Заземление широко используется с целью электрической защиты в случае повреждения изоляции электрооборудования.

Низкое сопротивление цепи заземления обеспечивает стекание тока пробоя на землю и быстрое срабатывание защитных аппаратов. В результате постороннее напряжение как можно быстрее устраняется, чтобы не подвергать его воздействию персонал и оборудование.

Чтобы наилучшим образом фиксировать опорный потенциал аппаратуры в целях ее защиты от статического электричества и ограничить уровень напряжения на корпусе оборудования для защиты персонала, идеальное сопротивление цепи заземления должно быть равно нулю, что в действительности не возможно, так как это сопротивление зависит от многих факторов.

В общем случае, заземляющий штырь может рассматриваться как составная часть заземляющего контура. Его сопротивление определяется следующими компонентами:

сопротивление металла штыря и сопротивление контакта проводника со штырем;

Обычно заземляющий штырь выполняется из хорошо проводящего металла (металлический электрод из уголка или трубы без какого-либо покрытия, а также электроды из меди) и клеммой соответствующего качества (чаще всего вместо клеммы соединения выполняют методом сварки), поэтому сопротивлением штыря и его контакта с проводником можно пренебречь.

сопротивление контакта штыря с грунтом;

Сопротивлением контакта электрода с грунтом можно пренебречь, если электрод плотно вбит и на его поверхности нет краски, масла и подобных веществ.

сопротивление поверхности земли протекающему току, иначе говоря, сопротивление земли, которое часто является самым важным из перечисленных слагаемых.

Можно представить, что электрод окружен концентрическими слоями грунта одинаковой толщины. Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В конечном счете, вклад сопротивления удаленных слоев в сопротивление поверхности грунта становится незначительным. Теоретически сопротивление земли можно определить общей формулой (формула (1.1)).

R = с•L / S (1.1)

В формуле (1.1) приняты следующие условные обозначения:

R - сопротивление, Ом;

с - среднее удельное сопротивление грунта, Ом•м;

L - глубина заземления электрода, м;

S - площадь поперечного сечения электрода, м².

При вычислении сопротивления земли удельное сопротивление грунта считают неизменным, хотя это редко встречается в практике. Формулы сопротивления земли для систем электродов очень сложны и при этом зачастую позволяют вычислять сопротивление лишь приблизительно. Наиболее часто используется формула сопротивления заземления для случая одного электрода, полученная профессором Дуайтом из Массачусетского технологического института (формула (1.2)).

R = с/(2•р•L)Ч(Ln(4•L) - 1)/r (1.2)

В формуле (1.2) приняты следующие условные обозначения:

R - сопротивление заземления штыря, Ом;

L - глубина заземления электрода, м;

r - радиус электрода, м;

с - среднее удельное сопротивление грунта, Ом•м.

Влияние размера электродов: увеличение диаметра штыря уменьшает сопротивление заземления незначительно. Удвоение диаметра снижает сопротивление меньше, чем на 10 %. Влияние глубины залегания электродов: сопротивление заземления уменьшается с увеличением глубины. Теоретически при удвоении глубины сопротивление уменьшается на 40 %. Предпочтительно для использования в качестве заземления естественных заземлителей.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;

металлические трубы водопровода, проложенные в земле;

обсадные трубы буровых скважин;

металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, закладные части затворов и тому подобное;

рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами;

другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения;

металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле.

Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух. Алюминиевые оболочки кабелей использовать в качестве заземлителей не допускается. Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводов канализации и центрального отопления. Указанные ограничения не исключают необходимости присоединения таких трубопроводов к заземляющему устройству с целью уравнивания потенциалов.

Не следует использовать в качестве заземлителей железобетонные конструкции зданий и сооружений с предварительно напряженной арматурой, однако это ограничение не распространяется на опоры ВЛ и опорные конструкции ОРУ.

Возможность использования естественных заземлителей по условию плотности протекающих по ним токов, необходимость сварки арматурных стержней железобетонных фундаментов и конструкций, приварки анкерных болтов стальных колонн к арматурным стержням железобетонных фундамен-тов, а также возможность использования фундаментов в сильноагрессивных средах должны быть определены соответствующим расчётом, который в контексте настоящей работы не рассматривается.

Минимальный диаметр стального штыря равен 5/8 дюйма (1,59 см), а медного или покрытого медью стального штыря - равен 1/2 дюйма (1,27 см) (NEC 1987, 250-83-2).

На практике минимальный диаметр 3-х метрового штыря заземления равен:

1/2 дюйма (1,27 см) для обычного грунта;

5/8 дюйма (1,59 см) для сырого грунта;

3/4 дюйма (1,91 см) для твердого грунта или для штыря длиннее 3-х метров.

Приведенная выше формула Дуайта (формула 1.2) показывает, что сопротивление заземления зависит не только от глубины и площади поверхности электрода, но и от удельного сопротивления грунта.

Оно является главным фактором, который определяет сопротивление заземления и глубину заземления штыря, которая потребуется для обеспечения малого сопротивления. Удельное сопротивление грунта сильно изменяется в зависимости от района земного шара и времени года. Оно в значительной степени зависит от содержания в почве электропроводящих минералов и электролитов в виде воды с растворенными в ней и солями. Замечено, например, что сухая почва, не содержащая растворимых солей, имеет высокое сопротивление.

Кроме того, удельное сопротивление грунта сильно зависит от температуры и содержания влаги, поэтому разумно считать, что сопротивление устройства заземления будет зависеть от времени года. Поскольку стабильность температуры почвы и содержания в ней влаги улучшается по мере удаления от поверхности, то система заземления будет эффективна в любое время, если штырь вбит на значительную глубину. Как показывает практика, отличные результаты получаются, когда штырь достигает уровня подземных вод.

1.1 Методы измерения сопротивлений заземлений

В настоящее время можно выделить три основных способа измерения сопротивления заземления. О них и пойдёт речь в данном разделе. Постараемся рассмотреть их по возможности детально, и указать характерные плюсы и минусы каждой из рассмотренных нами концепций.

Прежде всего приходит в голову так называемый традиционно применяемый способ, на практике получивший название «метод амперметра и вольтметра».

На практике сопротивление заземляющего устройства чаще измеряют по методу амперметра и вольтметра, суть которого понятна из рисунка 1.1. Заключается она в следующем. Через заземлитель «З» заземляющего устройства и вспомогательный токовый электрод «Т» пропускают электрический ток через амперметр «1» от специального источника измерительного электрического тока (генератора) «2». Возникающее при этом электрическое напряжение на заземляющем устройстве измеряют вольтметром «3», включенным между заземляющим устройством и вспомогательным потенциальным электродом «П».



Рис. 1.1 Метод амперметра и вольтметра

Устройство для осуществления указанного способа измерения содержит амперметр «1», источник измерительного электрического тока (генератор) «2» и вольтметр «3», а также вспомогательные токовый «Т» и потенциальный «П» электроды. Кроме того, оно содержит две катушки с длинными проводами, одну из которых используют для соединения амперметра и источника измерительного тока с токовым электродом, а вторую для соединения вольтметра с потенциальным электродом. Перед проведением измерений электроды забивают в землю, а после измерений их извлекают из земли. Размещать электроды следует на достаточно большом расстоянии как от заземлителя «З» заземляющего устройства, так и друг от друга. Искомая величина определима по закону Ома для участка цепи.

Для данной концепции характерны наглядность и простота в применении, однако существуют и очевидные недостатки данного метода. В числе недостатков в контексте данной дипломной работы хотелось бы выделить следующие моменты:

– Электроды (потенциальный и токовый) должны располагаться на максимально большом расстоянии от заземляющего устройства (теоретически, расстояния должны стремиться к бесконечности).

– Между электродами и заземляющим устройством не должно быть металлических коммуникаций.

Если учесть, что ни то, ни другое ограничение не могут быть удовлетворены, особенно в городских условиях, этот метод даёт результат с большой погрешностью.

Рассмотрим теперь второй из широкоприменяемых методов измерения сопротивления заземлений. Он получил название «Метод с применением калиброванного резистора с водяным охлаждением».

Структурная схема установки показана на рисунке 1.2.

Ток на заземляющее устройство подают через калиброванный резистор с водяным охлаждением непосредственно от фазного провода электрической сети напряжением до 1000 В так, как это показано на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Метод с применением калиброванного резистора

На нем цифрой «1» показаны фазные провода L1, L2 и L3, цифрой «2» - защитный провод PE, «3» - вольтметр, «4» - выключатель, «5» - калиброванный резистор с водяным охлаждением, «6» - земля, «7» - заземлитель заземляющего устройства.

Ток, проходящий через заземляющее устройство, определяют по сопротивлению калиброванного резистора и напряжению на нем как частное от деления напряжения на сопротивление. Напряжение на заземляющем устройстве определяют по фазному напряжению электрической сети и напряжению на калиброванном резисторе как разность между фазным напряжением и напряжением на калиброванном резисторе, а искомое сопротивление заземляющего устройства определяют по формуле (1.3):

R_зу = R_кр Ч (U_ф - U_кр) / U_кр. (1.3)

В формуле (1.3) приняты следующие условные обозначения:

R_кр - сопротивление калиброванного резистора;

U_ф - фазное напряжение электрической сети;

U_кр - напряжение на калиброванном резисторе.

Необходимость в водяном охлаждении резистора «5» продиктована тем, что выделяемая на нем мощность составляет сотни ватт и если не применять водяное охлаждение, то выделяемая мощность будет целиком расходоваться на нагрев данного резистора, вследствие чего он попросту сгорит. Данное обстоятельство представляет собой достаточно ощутимый минус массогабаритным показателям конструкции, что не позволяет допустить использование этой концепции при построении системы мониторинга, для которой размеры датчика предпочтительно миниатюрны.

Вместе с тем, следует отметить, что этот метод достаточно точный: погрешность не более плюс 10%, т.е. позволяет делать замеры с запасом "на безопасность". Из-за отсутствия токового электрода, при измерении сопротивления заземления на результат ни как не влияют металлические коммуникации.

Наконец последний, но не по значению, из рассматриваемых в данном обзоре методов, - это наиболее современный метод, получивший название «Безэлектродного метода измерения сопротивлений заземлений». Название это было выбрано не случайно, так как в данной концепции предполагается измерение без разрыва заземляющего проводника.

Этот новый уникальный метод исключает необходимость отключения параллельных систем заземления и поиска удобных точек для установки дополнительных электродов заземления. Это позволяет существенно сэкономить время и дает возможность пользователям, а именно, подрядчикам, обслуживающему персоналу промышленных установок и электромонтерам коммунальных служб, выполнять измерения в местах, где невозможно применение других методов, например, внутри зданий или на опорах линий электропередач. Более того, данный вид измерения практически незаменим при наших погодных условиях (особенно зимой), когда вбить штырь в землю просто не представляется возможным.

Рис. 1.3 Принцип действия безэлектродного метода

Любое заземляющее устройство в электрической системе, имеющее множество точек соединения с землёй, может быть схематически представлено в виде электрической цепи, состоящей из ряда простых контуров (рисунки 1.3 и 1.4). Когда испытательное напряжение Е посредством специального трансформатора прикладывается к заземляющему стержню (проводник с сопротивлением R_x), то по цепи начинает протекать результирующий ток I. Результирующий ток I улавливается приёмной катушкой.

Рис. 1.4 Принципиальная схема

Внутренний фильтр прибора (настроенный на частоту прилагаемого испытательного напряжения) отсекает все токи, кроме результирующего тока I, величина которого может быть определена по формуле (1.4):

I = Е / R_{контура}. (1.4)

формуле (1.4) приняты следующие условные обозначения:

I - величина результирующего тока, А;

E - электродвижущая сила генератора, В;

R_{контура} - сопротивление контура, Ом.

Зная величину Е (задаётся генератором) и I (измеряется) можно вычислить R_{контура} (эта величина и отображается на экране прибора). Фактически, сопротивление контура R_{контура} складывается из следующих величин:

R_x - искомое значение;

R_земли (величина, значение которой обычно гораздо меньше 1 Ома);

R1 / R2 / … / Rn (пренебрежимо малое значение: случай параллельного соединения ряда низкоомных цепей (заземлителей));

R_{соединительной шины} (величина, значение которой, обычно гораздо меньше 1 Ома).

Таким образом,

R_{контура} = R_x + R_земли + (R1 | R2 |…| Rn) + (R_{соединительной шины}),

Или другими словами, приблизительно:

R_{контура} ? R_x.

1.2 Приборы для измерения сопротивлений заземлений

Измерение сопротивления заземляющих устройств и удельного сопротивления грунта производится с использованием измерителей сопротивления заземления М416, Ф4103.

Приведём краткое описание приборов для измерения сопротивления заземляющих устройств и удельного сопротивления грунта.

Измерители заземления М416 предназначены для измерения сопротивления заземляющих устройств, активных сопротивлений и могут быть использованы для определения удельного сопротивления грунта (с). Диапазон измерения прибора от 0,1 до 1000 Ом и имеет четыре поддиапазона измерения: 0,1…10 Ом, 0,5…50 Ом, 2,0…200 Ом, 100…1000 Ом. Источником питания служат три соединенные последовательно сухие гальванические элемента напряжением по 1,5 В. Общий вид лицевой панели прибора приведёна на рисунке 1.5.

Порядок проведения измерения сопротивления контура защитного заземления прибором М416 изложен ниже.

1. Установить элементы питания в измеритель заземления.

2. Установить переключатель в положение «Контроль 5 Щ», нажать кнопку и вращением ручки «реохорд» добиться установки стрелки индикатора в нулевую отметку шкалы.

Рис. 1.5 Прибор М416. Лицевая панель (фото).

3. Подключить соединительные провода к прибору, как показано на рисунке 1.6.

4. Углубить дополнительные вспомогательные электроды (заземлитель и зонд) по схеме в соответствии с рисунком 1.6 на глубину 0,5 м и подключить к ним соединительные провода.

Рис. 1.6 Подключение прибора М416 для измерения сопротивления контура заземления

5. Переключатель установить в положение «Х1».

6. Нажать кнопку и вращая ручку «реохорда» приблизить стрелку индикатора к нулю.

7. Результат измерения умножить на множитель.

Измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1 предназначен для измерения сопротивления заземляющих устройств, удельного сопротивления

Рис. 1.7 Прибор Ф4103-М1. Внешний вид (фото)

грунтов и активных сопротивлений как при наличии помех, так и без них с диапазоном измерений от 0 … 0,3 Ом до 0 … 15 Ком (10 диапазонов). Прибор Ф4103 является безопасным.

При работе с измерителем в сетях с напряжением выше 36 В необходимо выполнять требования безопасности, установленные для таких сетей Классы точности измерительного прибора Ф4103 - 2,5 и 4 (в зависимости от диапазона измерения).

Питание прибора осуществляется от 9 элементов типа R20 или RL20. Частота оперативного тока - 265-310 Гц. Время установления рабочего режима - не более 10 секунд. Время установления показаний в положении "ИЗМ I" - не более 6 секунд, в положении "ИЗМII" - не более 30 секунд. Продолжительность непрерывной работы не ограничена. Норма средней наработки на отказ - 7250 часов. Средний срок службы - 10 лет Условия эксплуатации - от минус 25° С до плюс 55° С. Габаритные размеры, мм - 305х125х155. Масса не более - 2,2 кг. Внешний вид прибора изображен на рисунке 1.7.

Рис. 1.8 Подключение прибора Ф4103-М1 для измерения сопротивления контура заземления: а - схема подключения; б - контур заземления.

Перед проведением измерений измерителем Ф4103 необходимо, по возможности, уменьшить количество факторов, вызывающих дополнительную погрешность, например, устанавливать измеритель практически горизонтально, вдали от мощных электрических полей, использовать источники питания 12 ± 0,25 В, индуктивную составляющую учитывать только для контуров, сопротивление которых меньше 0,5 Ом, определять наличие помех и так далее. Помехи переменного тока выявляются по качаниям стрелки при вращении ручки ПДСТ в режиме "ИЗМI". Помехи импульсного (скачкообразного) характера и высокочастотные радиопомехи выявляются по постоянным непериодическим колебаниям стрелки.

Порядок проведения измерения сопротивления контура защитного заземления.

1. Установить элементы питания в измеритель заземления.

2. Установить переключатель в положение «Контроль 5 Щ», нажать кнопку и вращением ручки «реохорд» добиться установки стрелки индикатора в нулевую отметку шкалы.

3. Подключить соединительные провода к прибору, как показано на рисунке 1.8.

4. Углубить дополнительные вспомогательные электроды (заземлитель и зонд) по схеме, в соответствии с рисунком, на глубину 0,5 м и подключить к ним соединительные провода.

5. Переключатель установить в положение «Х1».

6. Нажать кнопку и вращая ручку «реохорда» приблизить стрелку индикатора к нулю.

7. Результат измерения умножить на множитель.

1.3 Проблемы измерения сопротивлений заземлений малыми токами на низкой частоте

В данном разделе дипломного проекта речь пойдет о проблеме, присущей всем без исключения методам измерения сопротивления заземлений, используемым в широкой практике. Прежде всего, определим сами методы измерения сопротивлений заземлений малыми токами на низкой частоте как общее название для методов, не использующих молниевые токи как источник измерительного сигнала. Исходя из этих соображений, можно постулировать ряд фактов.

Первый из них, это, несомненно, невозможность учета нелинейности измеряемого сопротивления. Под нелинейностью здесь понимается наличие индуктивной и емкостной составляющих, которые присущи любому реально существующему сопротивлению, в том числе - и сопротивлению заземлителя. На постоянном токе относительно низкого напряжения данный аспект выявить, безусловно, не удастся. Однако, как известно из курса Теоретических Основ Электротехники, на определенных частотах данная составляющая является едва ли не определяющей в конечном измеряемом сопротивлении проводника. Таким образом, разумно было бы утверждать, что физически невозможный учет емкостной и, прежде всего, индуктивной составляющей является серьезным недостатком для метода измерения сопротивления заземлений.

Вторым, немаловажным на взгляд разработчика данного проекта, минусом рассматриваемых методов измерения сопротивлений заземлителей является невозможность контроля переходных сопротивлений в металлосвязи. Рассмотрим простой пример. Допустим, что заземлитель приварен к шине металлосвязи не добросовестно. Контакт, безусловно, есть. И на вид разница тоже не ощутима. Согласно законам физики, переходное сопротивление будет столь мало, что даже прибор, основанный на измерении малыми токами низкой частоты, ощутимого дефекта не выявит. Действительно, ситуация маловероятна, однако она возможна. Продолжим рассмотрение. Под действием эрозии в последующее время именно сварной шов, как уязвимое место, подвергнется наибольшему воздействию. Отсюда велика вероятность того, что сварное соединение превратится в весьма хлипкую конструкцию, а переходное сопротивление этой конструкции импульсным токам большой частоты, к коим, например, можно отнести молниевый ток, возрастет до неприличия. И вновь прибор, проводящий измерения малым током на низкой частоте не воспримет серьезных нарушений. Как следствие можно предположить, что первая же молния, «принятая» в этот заземлитель, вызовет очень сильный нагрев, приводящий к мгновенному разрушению сварного соединения. Если принять во внимание немалую вероятность того, что данное разрушение произойдет в самой первой серии молниевых импульсов, то возрастет вероятность ухудшения характеристик заземлителя и грозозащиты вообще во время грозы. Иными словами, молния частично будет попадать в защищаемые установки, что, практически неминуемо, приведет к их полному или частичному выходу из строя. Автор данного текста на личном примере убедился в том, сколь сильное действие способна оказать молния, пусть и косвенно - посредством наведенного напряжения, на цифровую электронную технику. И действие это весьма и весьма впечатляет. Хотелось бы отметить тот факт, что электронные платы, которые попали ко мне на восстановление тогда, были снабжены гальванической развязкой, которая, по идее, должна была бы их спасти. Но в процессе ремонта, анализируя характер нанесенных повреждений, я пришел к выводу, что именно эта гальваническая развязка и добила всю схему. Молни-евый ток является очень мощным источником энергии. И такую энергию нельзя пускать в электронные схемы ни напрямую, ни частично, ни даже в виде наводок, появляющихся в соответствии с законом электромагнитной индукции. Именно поэтому очень важно контролировать переходные сопротивления металлосвязи, чтобы иметь возможность своевременно заметить назревающий дефект и оперативно и адекватно среагировать на выявленное изменение.

Безусловно, данные аспекты представляют рассмотренные методы не в лучшем свете. Но, тем не менее, они продолжают с успехом широко применяться в практике. Дело в том, что все эти минусы не отменяют и главных плюсов рассматриваемых методов. Это, во-первых, простота в эксплуатации. Во-вторых, безопасность обслуживающего персонала в процессе измерений. В-третьих, хорошие массогабаритные показатели, относительная компактность измерительного прибора. Все это, безусловно, оправдывает использование методов измерения малыми токами на низкой частоте на производстве и в практике.

1.4 Проблемы измерения сопротивлений заземлений импульсными токами большой энергии

Говоря о проблемах измерения сопротивлений заземлений импульсными токами большой энергии, прежде всего, хотелось бы уточнить: насколько большая эта энергия, о которой идет речь. Исследуя разные источники в процессе составления данного материала, автор пришел к выводу о неоднозначности оценки реальных молниевых процессов разными специалистами. Построенная придерживаясь рекомендации «ITU 1XC - Per IEC 61000 - 4 - 2 Level 4», форма грозового импульса, который также называют импульсом 8/20 мкс, изображена на рисунке 1.9.

Рис. 1.9 Форма «стандартного» грозового импульса

По рисунку 1.9 видно, что в первые 8 мкс происходит нарастание напряжения по практически линейной зависимости до 90 % от полной амплитуды. Затем, ко времени в 20 мкс, происходит спад напряжения до 50 % от полной амплитуды. В целом считается, что несмотря на то, что длительность реальных грозовых разрядов может достигать 250 мкс, реальной поражающей способностью обладает именно часть импульса, ограниченная временем нарастания 8 мкс и временем спада 20 мкс. Однако значение тока недаром указано в процентах. В разных источниках приводится разная статистика. Особенно пестрит значениями Интернет, где группы энтузиастов из разных стран приводят различные, якобы измеренные сводные таблицы данных по напряжению и току молнии. Приведем в этом тексте наиболее общие данные. Согласно статистике, средний ток молниевых импульсов равен 30 … 40 кА. Однако, ток молнии может достигать 500 кА, и, по данным рассмотренных источников, это не предел.

На мой взгляд, очевидно, что столь значительная величина тока опасна для человека. Поэтому ощутимым минусом способов измерения, основанных на применении молниевых токов является, безусловно, высокая опасность использования столь мощных источников энергии. При несоблюдении техники безопасности, в случае поражения человека молнией, возможен целый ряд реакций. Дело в том, что молния непредсказуема. Нельзя с уверенностью утверждать смертельного исхода, хотя он наиболее вероятен. Однако зарегестрирован ряд весьма интересных случаев, когда молния, поразив человека, не оставляла на нем никаких повреждений, но растворяла при этом его одежду, личные вещи. Известно также о людях, которых молния оставила калеками.

Молниевый ток, будучи импульсным по своей природе, способен показать физические дефекты соединений металлосвязи, о которых достаточно подробно говорилось выше. В то же время, не стоит упускать из поля зрения мощность этого тока. При действии столь сильного тока сварное соединение, подвергшееся разрушительному действию внешних факторов, и обладающее вследствие этого большим переходным сопротивлением, будет попросту разрушено. Но, как уже упоминалось ранее, методика оценки сопротивлений, основанная на молниевых токах, позволяет выявить ухудшение сопротивления своевременно, чтобы можно было предотвратить весьма плачевные последствия, подобные тем, что были описаны выше.

1.5 Задачи дипломной работы

Введем в рассмотрение современную, применяемую на железнодорожном транспорте концепцию измерения сопротивлений заземляющих устройств. В соответствии с инструкцией ЦШ-4669, электромеханик (ШН) связи раз в год должен осуществлять измерение сопротивления заземлителя при помощи прибора М-416, описание которого может быть найдено ранее. Однако на практике, как это ни прискорбно, среди механиков существует тенденция данные измерения не проводить, довольствуясь лишь вписыванием в протокол измерений приблизительных значений «из головы». Для восстановления требуемого положения вещей недостаточно просто выявить недобросовестных электромехаников и показательно наказать последних, поскольку рано или поздно ситуация может повториться и даже усугубиться. Требуется исключить из процесса измерения человеческий фактор.

В связи с необходимостью исключения человеческого фактора возникла идея о переведении процесса измерения сопротивления заземлителя в автоматический режим. Это позволит не только сэкономить средства за счет исключения данной измерительной работы из списка исполняемых электромеханиками, но и повысить верность получаемых данных, что в свою очередь должно привести к повышению надёжности работы устройств связи, уменьшению числа отказов, и сокращению времени простоя каналов до приемлемых значений.

В контексте данной дипломной работы будет произведено рассмотрение одного из возможных устройств для осуществления удалённого мониторинга сопротивлений заземлений. В качестве источника энергии для предлагаемой конструкции был выбран реальный молниевый ток, использование которого в данной ситуации является наиболее целесообразным, поскольку во-первых этот источник энергии можно отнести к мощным и неисчерпаемым, а во-вторых с учетом ныне существующей периодичности измерений, данный источник, теоретически, должен появляться по меньшей мере не реже чем раз в год. Таким образом, энергопотребление всего устройства можно будет свести к минимуму, реализовав пребывание измерительного прибора в ждущем режиме вплоть до появления грозового разряда.

Разрабатываемое в данной дипломной работе устройство призвано использовать реальные молниевые токи для контроля сопротивлений заземлителя аппаратуры, что позволит помимо всего прочего, собрать, безусловно, необходимые и важные, статистические сведения, и производить относительно постоянный контроль измеряемой величины.

Изложим предъявляемые к разрабатываемому устройству требования, дальнейший учёт которых является ключевой задачей процесса разработки.

Во-первых, процесс установки устройства измерения не должен вызывать затруднений и требовать дополнительного обучения персонала. Это требование можно обосновать, в том числе и экономической подоплёкой. Дело в том, что дополнительное образование персонала будет требовать ощутимых финансовых вливаний, что в конечном итоге пагубно повлияет на общий срок окупаемости проекта. Кроме того, при соответствующей проработке способа установки измерительных датчиков удастся добиться такой концепции, которая позволит не разрывать существующих трасс заземления.

Во-вторых, требуется добиться наилучшей точности производимых измерений. Это, с учетом произведенного ранее обзора, например, может быть достигнуто исключением влияния близрасположенных металлических конструкций. Исключение влияния металлических конструкций, в свою очередь, может быть реализовано путем исключения токового электрода.

В-третьих, имеет смысл отказаться от методов измерения, реализуемых при помощи относительно крупных по массогабаритным показателям измерителей, так как это приведет к неоправданному увеличению упомянутых показателей в конечной конструкции, что, в свою очередь, усложнит процесс монтажа, приведя нас в несоответствие с первым из выведенных требований.

В-четвертых, поскольку решено использовать для измерения молниевый ток, требуется разработать (или выбрать оптимальный из существующих) датчики, как для измерения тока, так и для измерения напряжения, поскольку ни тот ни другой параметры в данной ситуации заведомо известными считаться не могут. Однако, при удачном построении конечной схемы устройства, это обстоятельство положительно скажется на результате, поскольку мы будем иметь возможность контроля сопротивления заземлений на различных по характеристикам импульсных измерительных токах, что характерно.

Однако, как можно судить по приведенному ранее обзору ныне существующих методов измерения сопротивления заземлений, ни один из представленных методов не может быть, без соответствующей доработки, применен при реализации разрабатываемого устройства, так как ни один из них не удовлетворяет всем из перечисленных параметров. Соответствующей доработке и посвящен данный дипломный проект.

2. Аналитический обзор существующих методов измерения высокого напряжения и больших токов

2.1 Существующие методы измерения высоких напряжений

В соответствии с поставленными выше задачами дипломной работы, данный раздел посвящен непосредственно обзору существующих методов измерения высокого напряжения, с целью выявления характерных для них положительных и отрицательных моментов в контексте рассматриваемого технологического решения.

Приступим к рассмотрению существующих методов измерения с метода, основанного на физическом явлении фотоэффекта. Данное явление применено при построении прибора, получившего название клидонограф.

Клидонограф - это простейшее устройство для измерения максимальных значений напряжения и его полярности. Конструкция клидонографа схематически изображена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 Схема устройства клидонографа

На рисунке 2.1 приняты следующие условные обозначения:

1. Верхний игольчатый электрод.

2. Фоточувствительный материал.

3. Нижний плоский металлический электрод.

Принцип измерения заключается в следующем. При приложении напряжения к электродам, с игольчатого электрода разливаются поверхностные разряды, которые действуют на эмульсионный слой фотопластинки, расположенной эмульсией в сторону иглы «1». На фотографии отображаются следы, образующие собой так называемые фигуры Лихтенберга (рисунок 2.2).

Рис. 2.2 Клидонограммы. Положительная (а) и отрицательная (б) полярность волны.

Диаметр этих фигур зависит от максимального значения напряжения и от полярности. При положительной полярности иглы, фигура представляет собой относительно небольшое число сильно искривлённых длинных каналов, при отрицательной полярности, наоборот, содержит большое число практически прямолинейных каналов меньшей длины.

Градуировка прибора производится для определения зависимости диаметра фигур Лихтенберга от величины и полярности воздействующего напряжения. Пропорциональность диаметра фигуры величине напряжения обычно сохраняется до 15 - 20 кВ. При большей величине приложенного напряжения обычно развиваются скользящие разряды, пропорциональность нарушается и может наступить перекрытие фоточувствительной пластинки по поверхности. Для измерения более высоких напряжений необходимо использовать делители напряжения. Погрешность измерения перенапряжений клиндографами может достигать 10 … 20 %.

Делители напряжения

Делители применяются для расширения пределов измерений высокого напряжения. Делители позволяют расширить диапазон измеряемых величин практически без ограничения по амплитуде постоянных, переменных и импульсных напряжений. Делители подразделяются на омические, емкостные и комбинированные. Их принципиальные схемы показаны на рисунке 2.3.

Рис. 2.3 Принципиальные схемы делителей напряжения: омического (а), емкостного (б) и комбинированного (в)

Часть делителя, параллельно которой подключен измерительный прибор, называют низковольтной, другую - высоковольтной. Сигнал, снятый с низковольтной части делителя, пропорционален измеряемой величине напряжения и подаётся по коаксиальному кабелю к измерительному устройству. Однако даже при использовании коаксиального кабеля возникают помехи за счёт переходных процессов.

Коэффициент деления делителя напряжения называется отношение воздействующего напряжения u₁ к падению напряжения u₂ на низковольтном плече делителя (формула (2.1)):

(2.1)

Омические делители могут применяться в цепях выпрямленного, переменного и импульсного напряжений. В качестве резисторов используются проволочные и непроволочные материалы. При изготовлении проволочных резисторов используются материалы с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом, к которым относятся нихром, манганин и константан. С целью уменьшения индуктивности делителя проволока наматывается бифилярно. Для снижения погрешности коэффициента деления, вызываемой короной, резисторы могут погружаться в трансформаторное масло. Это увеличивает сопротивление изоляции и теплоёмкость делителя. Однако, из-за большей, чем у воздуха, диэлектрической проницаемости масла снижается точность измерения по причине влияния паразитных емкостей делителя по отношению к заземлённым частям. Из-за влияния паразитных емкостей на переменном токе такие делители напряжения используют до 100 кВ. Резисторы композиционного типа (КЛВ-10, КЛВ-35) применяют тогда, когда не требуется высокой точности измерений.

Для измерения высоких напряжений промышленной частоты чаще используются емкостные делители напряжения, которые дешевле омических и имеют разные размеры. Важным их достоинством является незначительное влияние на коэффициент деления паразитных емкостей, ничтожно малое потребление активной энергии, минимальный тангенс угла диэлектрических потерь и малая индуктивность.

В емкостных делителях напряжения часто используют конденсаторы К15У с керамическими диэлектриками, имеющими высокую электрическую прочность.

Для фиксации импульсных напряжений могут быть использованы делители всех типов, однако при применении омических делителей погрешность измерения значительно выше. Она обусловлена большей индуктивностью резисторов и большим влиянием паразитных емкостей.

Теоретически, возможно применение добавочных резисторов.

Высокое постоянное напряжение можно измерить стрелочным прибором - микроамперметром, при этом последовательно с ним должна быть включена цепочка высокоомных резисторов R (рисунок 2.4).

Рис. 2.4 Схемы измерения высокого напряжения с помощью микроамперметра и низковольтного электростатического вольтметра.

Величина добавочных сопротивлений подсчитывается по формуле (2.2):

(2.2)

В формуле (2.2) приняты следующие условные обозначения:

U - максимальное напряжение, для которого разрабатывается регистрирующий прибор;

I_пр - максимальный ток микроамперметра;

R_пр - внутреннее сопротивление микроамперметра.

Сопротивление добавочного резистора выбирается таким, чтобы при полном измеряемом напряжении через прибор протекал ток порядка сотен микроампер. Цепочка из резисторов наматывается на бакелитовый цилиндр, который помещается в трансформаторное масло для устранения искрений, увеличения напряжения перекрытия по поверхности и обеспечения лучшего и равномерного теплоотвода.

Падение напряжения на приборе можно не учитывать ввиду его (прибора) малого сопротивления. Если для измерения использовать операционный усилитель, то эта погрешность сводится к минимуму. При высоких требованиях к точности измерений необходимо учитывать температурный коэффициент сопротивления резисторов.

Параллельно измерительному прибору рекомендуется подключать газовый разрядник, который защитит прибор от повреждения при перекрытии по поверхности добавочного резистора. При этом защитное действие разрядника возрастёт, если его подключить не параллельно, а к отводу от добавочного резистора, как это показано на рисунке 2.4. В таком случае при перекрытии добавочного резистора напряжение на разряднике возрастает до значения, равного пробивному напряжению, гораздо раньше.

Несколько большую точность можно получить, применяя вместо микроамперметра электростатический вольтметр. Величина измеренного напряжения в этом случае:

U_изм = U_в Ч K_д, где K_д = R_общ / R₂.

Применение добавочных резисторов или делителей напряжения в сочетании с микроамперметрами и электростатическими вольтметрами даёт достаточную точность при измерении постоянных напряжений, но при измерении переменных напряжений возникает угловая погрешность. Для уменьшения погрешности резисторы помещают внутрь экрана и подключают его параллельно высокоомным резисторам.

Следует отметить, что при измерениях постоянного напряжения с пульсациями и применении прибора магнитоэлектрической системы измеряется среднее арифметическое значение, а при использовании электростатического вольтметра - действующее значение.

Следующий из рассматриваемых методов построен на основе принципиально иного измерительного прибора. Он, единственный в своём роде, измеряющий напрямую напряжение, не прибегая к косвенным методикам.

Вольтметры используются для измерения установившихся или периодически меняющихся напряжений. Для измерения высоких напряжений (до 10 кВ) могут применяться вольтметры электромагнитной и электродинамической систем с делителями напряжения. Более высокие напряжения измеряют с помощью электростатических вольтметров.

Принцип прямого измерения высокого напряжения у электростатических вольтметров основан на перемещении подвижной части механическими силами электрического поля F (формула (2.3)):

(2.3)

В формуле (2.3) приняты следующие условные обозначения:

- энергия электростатического поля вольтметра;

- обобщённая координата.

При изменении координаты изменяется ёмкость системы, а следовательно и сила электрического поля. В зависимости от способа изменения емкости, электростатические вольтметры подразделяются на две группы:

- вольтметры с поступательным движением активной части.

- вольтметры с вращательным движением подвижной части.

Электростатические вольтметры регистрируют действующее значение переменного напряжения. При измерении постоянного напряжения его показания не зависят от полярности. Так как собственная ёмкость вольтметра составляет всего 5 … 50 пФ, а сопротивление утечки превышает 10¹³ Щ, подключение электростатического вольтметра не влияет на маломощные источники питания.

Ещё один из существующих методов основан на применении шаровых измерительных разрядников.

Шаровой разрядник - это устройство для измерения максимальных значений переменного, постоянного и импульсного напряжений. Конструкция разрядника представлена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5 Конструкция шарового измерительного разрядника

Принцип измерения высокого напряжения с применением шарового разрядника основан на том, что в слабо неравномерном электрическом поле в воздухе между двумя металлическими шарами разряд возникает при строго определённом напряжении с малым разбросом и малым запаздыванием.

Разрядное напряжение зависит от расстояния между шарами, диаметра шаров и способа их включения. Перед измерением необходимо произвести очистку поверхности шаров, и привести в рабочее состояние искровой промежуток путём нескольких предварительных разрядов. Рекомендуется эти предварительные разряды производить до тех пор, пока не установится малый разброс в показаниях контрольного вольтметра и испытательного трансформатора. Величина напряжения, при котором произошёл разряд между шарами, определяется по специальным таблицам. Разрядные напряжения в воздухе зависят от давления, влажности, температуры. Поэтому стандартные таблицы соответствуют нормальным атмосферным условиям. Влияние влажности воздуха на разрядное напряжение в однородном электрическом поле при обычном ее изменении практически очень мало, и таблицы это не учитывают. Для измерения высоких напряжений необходимо применять шары большого диаметра.

2.2 Ещё один метод измерения высокого напряжения

Рассмотрим ещё один, потенциально реализуемый метод измерения высокого напряжения. Данный метод пока существует только на бумаге, и только в данном документе. Аналогов в различных источниках автор данного материала не обнаружил. Для реализации необходимы ещё расчёты и эксперименты, однако сама идея бесконтактного измерения высокого напряжения кажется мне весьма интересной, и я бы хотел упомянуть об этой разработке в данном проекте.

Принцип, заложенный в основу метода, поясняется рисунком 2.6. Фактически, измерения происходят в бесконтактном режиме.



Рис. 2.6 Структурная схема измерения напряжения в соответствии с законом Джоуля-Ленца

Полной картины по напряжению мы таким образом получить не можем, однако можем (теоретически допускаю такой вариант) оценить максимальное значение. На рисунке 2.6 приняты следующие условные обозначения: