Устройство и способ оценки состояния элементов заземлителей

Основные управляющие сигналы на системы релейных защит и автоматики зависят от состояния элементов заземлителей. При неудовлетворительном их состоянии такие защиты работают некорректно, что приводит к ложным срабатываниям или отсутствию срабатывания при замыканиях на землю, перенапряжениях, скоплении статического электричества и проч. Все это влияет на режимы работы электроустановок и электробезопасность обслуживающего персонала. Таким образом, неисправные заземляющие устройства (ЗУ) являются существенной проблемой, решение которой является актуальной задачей.

Согласно нынешним нормативным документам и стандартам проверка заземлителей предполагает использование большого количества дорогостоящего оборудования. Кроме того, стандарты предусматривают большое количество измерений и визуальных осмотров, что сопряжено с существенными временным и трудовыми затратами. По окончании измерений необходимо провести громоздкие расчеты, что еще больше удорожает диагностику ЗУ.

Согласно методическим указаниям по контролю состояния ЗУ и перечню оборудования для его осуществления [1–4] требуется провести следующие измерения и наблюдения: определить напряжение прикосновения на всей территории подстанции; получить значения напряжений между точкой заземления силового оборудования и точкой подключения ЗУ к нему; зафиксировать импульсный потенциал ЗУ, который возникает при коммутациях силового оборудования и коротких замыканиях на землю; оценить сопротивление контакта между заземляющим проводником и заземляемым силовым оборудованием; визуально оценить степень коррозии элементов ЗУ; определить сопротивление ЗУ. Перечисленные выше мероприятия требуют значительных временных и трудовых затрат, а также применения большого количества дорогостоящих приборов [4, 5].

Способ диагностики заземлителей

Нужно отметить, что одним из факторов, существенно влияющих на все вышеперечисленные параметры, является коррозия, т. е. коррозийность элементов заземлителей, что говорит о фактическом состоянии ЗУ [6, 7]. Коррозия является электрохимическим процессом, на ее развитие влияют множество факторов окружающей среды. Наиболее значимыми факторами являются влажность грунта в месте нахождения заземлителя и токи, протекающие по заземляющим электродам [8–14].

Согласно [15, 16] степень коррозии ЗУ в процентах (y) можно оценить в зависимости от среднегодового значения влажности грунта и токов, протекающих через заземляющие проводники, по уравнению y = 0,1525-0,0205X1 -0,02359X2 + 0,0138X2 -

• - 0,0568 X 2 - 0,08338 X 1 X ₂, %,            (1)

где X ₁ и X ₂ – соответственно значения влажности грунта и значения токов, протекающих через заземляющие проводники, %.

Для определения коррозионного состояния элементов ЗУ по уравнению (1) необходимо определить кодированное значение влажности грунта и токов, протекающих через заземляющие проводники. Переход от физических значений переменных к кодированным осуществляется с помощью уравнения [16, 17]

X = ^X i н ^{- X} i о . 100%,                  (2)

i         X i где Xi – кодированное значение i-го фактора; Xiн – натуральное (физическое) значение i-го фактора; Xi0 – нулевое (центральное) значение i-го фактора; Xi - интервал варьирования i-го фактора в физическом значении.

Устройство для диагностики заземлителей

Нами предложено устройство, которое состоит из микроконтроллера, датчика для измерения влажности грунта (в месте нахождения заземлителя), датчика для измерения токов, протекающих через заземляющий проводник, GSM-модуля для дистанционного мониторинга контролируемых параметров ЗУ [18]. Физическая модель данного устройства была разработана на макетной плате и испытана в полевых условиях. Программное обеспечение данного устройства реализовано на языке C++ и защищено свидетельством на компьютерную программу [19]. Для оценки коррозионного состояния элементов заземлителя необходимо подключить датчик для измерения токов в заземляющий проводник ЗУ и погрузить электроды датчика для измерения влажности грунта в месте нахождения заземлителей. После подключения устройства к источнику питания производится автоматическое измерение значения влажности грунта и токов, протекающих через заземляющий проводник. Передача измеряемых параметров к пункту мониторинга происходит через GSM-сеть. Дальнейшую обработку полученной информации можно осуществить, используя компьютерные программы или вручную, согласно методике [15, 16].

Согласно [20] для оценки степени коррозии элементов заземлителей определяют общую массу металла заземляющих электродов, среднегодовое значение влажности грунта и значения токов, протекающих через заземлители, время нахождения заземляющих устройств в эксплуатации и их сопротивления растеканию тока. Как показано выше, с помощью разработанного нами устройства можно производить дистанционное измерение влажности грунта и значения токов, протекающих по заземлителям, их мониторинг в течение длительного времени.

Для проверки теоретических положений предлагаемого способа оценки состояния элементов ЗУ было изготовлено устройство, физическая модель и элементный состав которого показаны на рис. 1.

После проведения испытательных работ и калибровки контролируемых параметров сформулирован окончательный облик функциональной схемы устройства для оценки состояния элементов заземлителей (рис. 2).

В данной схеме устройства (см. рис. 2) для оценки состояния элементов заземлителей приводятся основные ее элементы и последовательность их соединения. Устройство работает следующим образом. Сигнал с датчика тока 5, который бесконтактно подключается к заземляющему проводнику 1, поступает в микроконтроллер 4 (в данном устройстве использован микроконтроллер Atmega328P-PU). К нему же приходит сигнал с датчика влажности грунта 6, электроды которого погружаются в землю в месте расположения заземлителей. В микроконтроллере 4 осуществляется предварительная цифровая обработка информации, которая затем передается через GSM-модуль в автоматизированные системы диагностики и диспетчеризации. Питание всех элементов осуществляется от источника постоянного тока 3, который подключают к источнику оперативного тока подстанции.

Рис. 1. Физическая модель устройства для оценки состояния элементов заземлителей: 1 – заземляющий проводник; 2 – заземлители; 3 – источник выпрямленного тока; 4 – микроконтроллер Atmega328P-PU;

5 – датчик для измерения тока; 6 – датчик для измерения влажности грунта; 7 – GSM-модуль

Fig. 1. A model of a device for assessing the condition of grounding elements: 1 – grounding conductor; 2 – grounding conductors; 3 – rectified current source; 4 – Atmega328P-PU microcontroller; 5 – sensor for measuring current; 6 – sensor for measuring soil moisture; 7 – GSM module

Рис. 2. Функциональная схема устройства для оценки состояния элементов заземлителей Fig. 2. A functional diagram of the device for assessing the condition of grounding elements

Заключение и выводы

Предлагаемый способ диагностики заземлителей и устройство, которое позволяет его реализовать на практике, снижают объем временных и трудовых затрат, а также исключают применение различных видов дорогостоящих приборов при оценке состояния элементов ЗУ. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Задача разработки способа диагностики заземлителей в режиме реального времени актуальна в связи со значительным прогрессом в области цифровой вычислительной техники и развитием надежных способов беспроводной передачи данных, а также в силу значительного увеличения

• 2.    Предложен способ оценки степени коррозии заземлителей в функции влажности грунта и тока, который по ним протекает. Алгоритм, который реализует способ, защищен свидетельством на компьютерную программу.

• 3.    Предложено недорогое устройство, реализующее функции сбора, первичной обработки и передачи информации о состоянии заземлителей в реальном времени в автоматизированные системы диагностики и диспетчеризации.

• 4.    Предлагаемое решение позволяет снизить материальные и временные затраты на диагностику заземлителей.

публикаций по диагностике оборудования по состоянию, а не по регламенту.