ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение.

Развитие электрификации и автоматизации различных отраслей народного хозяйства способствовало становлению современного высокомеханизированного производства, в условиях которого взаимодействие многих категорий работников с электроустановками стало повседневным.

В условиях массового использования электроустановок большое значение приобретают вопросы защиты обслуживающего персонала и других лиц, связанных с эксплуатацией электроустановок, от поражения током.

Обеспечение электробезопасности является сложной проблемой, зависящей от выполнения комплекса технических и организационных защитных мероприятий, предписываемых действующими правилами и нормами. При решении этой задачи необходимо одновременно решать другую – обеспечение бесперебойности электроснабжения.

Для решения этой задачи широко используется защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок, суть которого заключается в автоматическом искусственном заземлении поврежденной фазы. Устройство выбора поврежденной фазы – один из блоков системы необходимой для обеспечения электробезопасности и бесперебойности электроснабжения. Устройство является той «интеллектуальной» частью системы, которая определяет поврежденную фазу и принимает решение об отключении именно поврежденной фазы.

1. Актуальность.

Обеспечение электробезопасности электроустановок является важной и ответственной задачей. Актуальность данной задачи не может вызывать сомнений. Для устройств защиты ставятся высокие требования по быстродействию и надежности. Неправильная работа, несвоевременная реакция таких систем может привести к гибели человека. Защитные системы должны развиваться и совершенствоваться с развитием электроники, новых методов и принципов. В информационный век, век цифровой электроники, подобные системы должны приобретать черты интеллектуальных систем. Высокое быстродействие защитных систем может уменьшить ущерб нанесенный человеку попавшего под напряжение электроустановки, надежность срабатывания, хорошая устойчивость – уменьшить количество ложных срабатываний, а значит не мешать производственному процессу.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты.

Цель работы – разработать и исследовать быстродействующую систему идентификации поврежденной фазы.

Требования к данной системе противоречивы. С одной стороны необходимо максимальное быстродействие (человек под напряжением). С другой стороны, случайное шунтирование неповрежденной, здоровой фазы до срабатывания защитного отключения недопустимо. Это определяет задачи исследования:

  1. Разработать алгоритм, реализующий быстродействующий способ определения поврежденной фазы;
  2. Разработать математическую модель алгоритма;
  3. Исследовать пределы надежной работоспособности алгоритма;
  4. Исследовать и свести к минимуму влияние дестабилизирующих факторов;
  5. Выполнить опытный образец системы и провести ее экспериментальное исследование в лабораторных условиях.

Объект исследования: трёхфазная электрическая сеть с изолированной нейтралью.

Предмет исследования: быстродействующий и надежный метод определения поврежденной фазы.

3. Обзор исследований и разработок.

Устройства выбора поврежденной фазы (УВФ) являются одним из самых ответственных блоков систем защитного шунтирования. Вследствие высокой функциональной ответственности УВФ принципы их построения и схемы реализации разработаны наиболее полно по сравнению с другими блоками устройств защитного шунтирования. В настоящее время разработана классификация УВФ [1] по виду величин, на которые реагируют измерительные органы:

В современные методы идентификации поврежденной фазы огромный вклад внес Seppo Hanninen, Helsinki University of Technology [2]. Предложенный им метод обладает высокой чувствительностью и пригоден для определения высокоомных замыканий. Метод основан на анализе переходных процессов, возникающих при повреждении фазы, также реализована возможность локализации места повреждения на анализе волновых процессов в сети.

В Донецком национальном техническом университете темой определения поврежденной фазы в сетях с изолированной нейтралью занимается Черноус Е.В. Он является автором множества статей, им предложен метод быстрого определения поврежденной фазы в сетях с изолированной нейтралью.

4. Текущие результаты работы

На момент написания данной статьи был разработан аналитический метод определения фазы. Целью являлось повышение быстродействия системы идентификации поврежденной фазы путем замены итерационных методов решения на аналитическое решение.

Известный быстродействующий способ определения поврежденной фазы с утечкой тока на землю [Патент UA на КМ № 51307, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, опубл. 12.07.2010] , сущность котрого заключается в следующем:

  1. Поврежденная фаза определяется путем сопоставления аргумента (начальной фазы) потенциала нейтрали φ с опорными фазовими интервалами.
  2. В моменты времени t и t+Δt, выполняется определение двух мгновенных значений потенциала нейстрали u1 и u2. После проверки условий.

    Формула 1

    необходимой для во избежание значительных погрешностей определения в области, где потенциал нейтрали близок к нулю, его аргумент φ, как промежуточный результат, вычисляется путем решения системы уравнений:

    Формула 2

    где u1, u2, Umax, φ, Δωt – соответственно мгноевенные значения , амплитуда, начальная фаза (аргумент) потенциала нейтрали относительно земли и фиксированная разница фазы, которая находится в пределах от 10 до 20 градусов.

  3. Система (2,3) приводится к уравнению:

    Формула 3

    которое в пределах периода 0…2π имеет два корня, один из которых посторонний. После выделения интервала, который имеет один корень, уравнение (4) решается любым итерационным методом. Из двух возможных корней φ1 и φ2 = φ1+π, вибирается тот, который соответствует условию:

    Формула 4

    где uNQ – мгновенное расчетное значение амплитуды потенциала нейтрали в системе (2, 3) для данной виборки данных u1 и u2.
  4. Промежуточные вычисления φ следуют один за другим м частотой вот 0.9 до 2.5 кГц, а решение на срабатывание защиты (защитное шунтирование) принимается на основании серии из нескольких последовательных промежуточных результатов, которые находятся в пределах одного и того же опорного фазового интервала.
  5. Значение опорних фазових интервалов Δφоп при условии, что система отсчета определяется моментом перехода через ноль линейного напряжения uАВ при его возрастании (т.е. при положительной производной) определяются выражением:

    Формула 5

    где і = –1, 0, 1 определяет опорные интервалы для фаз В, А, С соответственно:

    Формула 6

Недостаток указаного способа заключается в том, что для решения уравнения (4) необходимо выделить интервал, в котором находится только один корень, после чего осуществить поиск этого корня, применяя один из итерационних методов (метод половинного деления, например). Однако, именно при выполнении итераций тратиться больше всего времени на определение очередного промежуточного результата, что не только уменьшает быстродействие, но и лишает способ каких-либо надежд на его повышение.

Цель данного предложения заключается в следующем, чтобы, избежав итераций при решении системы (2, 3), не только существенно повысить быстродействие способа, но и за то же время получить больше промежуточных результатов. Последнее в условиях возмущений и помех со стороны сети, где протекает интенсивный динамический режим, повышает надежность определения поврежденной фазы.

Цель достигается следующим. Уравнение (4) представляется в виде:

Формула 7

где a = u1/u2.

Составные выражения (8) изображаются векторами на комплексной плоскости, которые вращаются с постоянной угловой скоростью ω (т.е. комплексными функциями времени или просто комплексами):

Формула 8

В выражениях (9) и (10) комплекс В является единичным по модулю, а его текущая фаза α=ωt+φ состоит из начальной фазы потенциала нейтрали φ и угла ωt, связанного с системой отсчета. Комплекс А опережает комплекс В на фиксированый угол ωΔt, а его модуль а за половину периода монотонно меняется от минус до плюс бесконечности. Однако, как следует из (8), мнимые части этих комплексов в любой момент времени одинаковы, а значит их разница (вектор С) содержит только действительную составляющую:

Формула 9

Геометрическая интерпретация комплексов (9), (10) и (11) приведена на рис.1, где отрезками а, в, с, создающие замкнутый треугольник, изображены модули комплексов А, В, С соответственно, а углы этого треугольника непосредственно связаны с аргументами этих же комплексов.

Рисунок 1 – Геометрическая интерпретация комплексов

Рисунок 1 – Геометрическая интерпретация комплексов

Рисунок 2 – Анимация основных положений комплексов влияющих на выбор решения. Основные параметры анимации: количество кадров – 6; объем — 55.6 КВ; количество циклов повторения — 5

Рисунок 2 – Анимация основных положений комплексов влияющих на выбор решения. Основные параметры анимации: количество кадров – 6; объем — 55.6 КВ; количество циклов повторения — 5

Кроме того, как следует из (11), сторона с параллельна действительной оси. Это позволяет модуль с определить, применив к отрезкам а, в и фиксированного угла между ними ωΔt теорему косинусов, используя только арифметический корень:

Формула 10

С формальной точки зрения аргумент ωt+φ вектора В, в состав которого входит и начальная фаза потенциала нейтрали φ, можно определить применив к этому же треугольнику а, в, с (рис. 1) теорему синусов:

Формула 11

однако, представив (13) в виде

Формула 12

приходим к противоречию. В то время как левая часть уравнения (14) с течением времени линейно растет, ее правая часть (арксинус) вследствие неоднозначности этой функции и наличия посторонних корней этому условию не отвечает.

Результаты анализа поведения правой части уравнения (14) и ее составляющих в функции времени в пределах одного периода приведены на рисунке 3 А, В, С.

Рисунок 3 – Поведение правой части уравнения (14).

Рисунок 3 – Поведение правой части уравнения (14).

На рис. 3 А обозначено:

u(t), u(t+Δt), – мгновенные значения потенциала нейтрали, считываемые через фиксированные моменты времени Δt (в данном исследовании через одну двадцать четвёртую периода, т.е. через 150);

а(t) – отношение мгновенных значений u(t)/u(t+Δt);

с(t) – текущее значение отрезка с согласно (12);

На рис. 3 B обозначено:

d(t) – текущее значение аргумента арксинуса (14), пропорциональное отношению а(t)/с(t);

β(t) – текущее основное значения арксинуса (14).

На рис. 2 С обозначено:

d'(t) – текущее значение скорректированного аргумента арксинуса (14);

β'(t) – текущее скорректированное значение арксинуса, отвечающий текущему значению вектора В;

φ(t) – текущее значение аргумента потенциала нейтрали, полученного на основе скорректированного значения β'(t).

Для нормального функционирования уравнения (14) и его соответствия условиям данной задачи необходимо, чтобы правая часть (арксинус), так же как и левая, представляла собой линейно возрастающую функцию. Но это возможно только тогда, когда аргумент арксинуса (14) также возрастает монотонно и, к тому же, по синусоидальному закону. Однако, функция d(t), приведенная на рис. 2В, этому условию не отвечает. Она имеет интервалы монотонного снижения, в результате чего функция β(t), что представляет собой правую часть уравнения (14) также интервалы монотонного уменьшения (рис. 2В). Последнее не соответствует условиям поставленной задачи.

Функцию d(t) можно скорректировать таким образом, чтобы она, оставаясь синусоидальной, была монотонно возрастающей. Для этого необходимо и достаточно изменить ее знак в тех интервалах, где функция уменьшается (имеет отрицательную производную), симметрично отразив ее относительно горизонтальной оси. Скорректированная таким образом функция d'(t) и соответствующее ей значение β'(t), как это следует из рис. 2С, полностью соответствует условиям поставленной задачи.

Анализ показывает, что простой признаком для определения момента изменения знака d(t) следует считать изменение ее монотонности и, в частности, изменение во времени знака ее первой производной. Именно эта особенность положена в основу предлагаемого способа. Его функционирование при определении очередного промежуточного значения φі заключается в следующем:

  1. Запоминается предыдущее значение функции d(tі-1).
  2. Считывается очередная пара мгновенных значений u1 и u2, проверяемых при условии (1), при невыполнении которого считанные данные игнорируются и п.2 повторяется.
  3. Согласно (12) исчисляется третья сторона треугольника с.
  4. Вычисляется значение d(tі), входящее в состав (14) и проверяется условие b(tі) > b(tі-1), при невыполнении которой знак функции d(t) меняется на противоположное, т.е. функция d(t) превращается (корректируется) в функцию d'(t).
  5. Согласно (14) вычисляется аргумент φ, который уточняется условием (5) и приводится к основному интервалу.
  6. Полученное значение φ сопоставляется с опорными фазовыми интервалами.

Анализ показывает, что решение системы двух трансцендентных уравнений (2, 3) без применения итерационных методов позволяет не менее чем в три раза уменьшить время поиска корней. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить время идентификации поврежденной фазы, а в случае значительных помех или искажений от сети за то же время увеличить количество промежуточных результатов и, таким образом, повысить надежность принятия решения на определение поврежденной фазы.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года.

Список использованной литературы

1. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок./ Шуцкий В. И., Жидков В. О., Ильин Ю. Н. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 152 с.:ил.
2. Электронная библиотека Aalto University [электронный ресурс] – режим доступа:
http://lib.tkk.fi/Diss/2001/isbn9513859614/isbn9513859614.pdf
3. Об оценке электробезопасности сети с изолированной нейтралью –Чорноус Е. В., Ковалев А. П., Чорноус В. П. // Электричество. ­ 2006. ­ №5. ­ C
4. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях – Дзюбан В. С. – М., Недра, 1982. 152 с.
5. Заявка Патент UA на корисну модель № 51307, Україна, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПОШКОДЖЕНОЇ ФАЗИ З ВИТОКОМ НА ЗЕМЛЮ В ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ З ІЗОЛЬОВАНОЮ НЕЙТРАЛЛЮ, Чорноус Є.В., -u201000703, опубл. 12.07.2010, бюл. № 13.
6. Об альтернативном варианте защиты шахтной участковой сети от однофазной утечки // Чeрноус Е.В., – Электричество. – 2009.  – №8. – C.33 – 36.
7. О динамических свойствах быстродействующего алгоритма выбора поврежденной фазы сети с изолированной нейтралью //Чeрноус Е.В., – Наукові праці Донецького національного технічного університету № 10(180), 2011
8. Быстродействующий способ определения повреждений фазы шахтной участковой сети //Чeрноус Е.В., Богданов Д.А. – Кафедра гірничої електротехніки і автоматики ім.Р.М.Лейбова. 10-я международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов: Поиск молодых". Тезисы доклада. .
9. ГОСТ 12.1.038 – 82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов. Издательство стандартов, 1983
10.Научные основы (теория) электробезопасности.// Малиновский А.А., Никонец Л.А., Голубов С.В. , 2008 – 224с.