Березняк ЮВ Разработка математической модели процессов, протекающих в элементах защиты при дуговых коротких замыканиях в сетях 0,22-0,38 кВ Автореферат

	Березняк Юлия Владимировна
Тема выпускной работы: "Разработка математической модели процессов, протекающих в элементах защиты при дуговых коротких замыканиях в сетях 0,22-0,38 кВ"

Государственной программой обеспечения пожарной безопасности, утвержденной постановлением Кабинета Министров Украини от 3.04.95 № 238, предусмотрено проведение исследований в области разработки моделей и методов по их прогнозированию, а также разработке эффективных способов их предупреждения и ликвидация последствий.

Действующие нормативные документы, в частности ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность», ПУЭ, нормы и правила не всегда позволяют эффективно оценить опасность возгорания в электрических сетях жилых и общественных сооружений.

Электротехнические изделия (кабели, шнуры, проводы и т.д.) относятся к наиболее пожароопасным видам продукции, поскольку в их конструкции используются горючие электроизоляционные материалы. При повреждении таких изделий, которые находятся под напряжением, могут возникать источники пожаров (искры, электрические дуги, разбрызгивание расплавленных металлических частей).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что разработка новых способов защит, которые в комплексе с организационными мероприятиями позволяют обеспечить нормированный уровень пожарной безопасности сети, является актуальной задачей.

Главной целью является исследование динамических процессов, протекающих в датчике реле искрозащиты, при появлении искрообразований в ослабленных (окисленных) контактных соединениях в сети 0,22-0,38 кВ жилых квартир.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать технические условия для разработки устройства защиты с каналом искрозащиты;

- разработать математическую модель датчика реле искрозащиты;

- выявить влияние значения угла коммутации на амплитуду исходного напряжения датчика;

Проведенные исследования позволяют доказать, что сигналы датчика искрозащиты, обусловленные возникновением искрения в нагрузке, можно отличить от случайных возмущений, которые поступают из сети питания, т.е. обоснованно выбирать уставку защиты.

Принципиальная схема базового функционального блока реле искрозащиты с действием на сигнал.

Обзор существующих исследований и разработок

Устройство защитного отключения (УЗО) предназначено для защиты людей от поражения их электрическим током и может быть использовано для обеспечения пожарной безопасности сети.

Наиболее вероятными местами поражения электрическим током в квартирах и домах являются кухня и ванная комната — поскольку здесь обилие электробытовых приборов, наличие естественных заземлителей (водопроводные, газовые трубы) и, зачастую, тесно, повышенная влажность.

Устройство защитного отключения — достаточно сложный прибор и комплектуется элементами, назначение которых — не пропускать в защищаемую сеть напряжение выше установленного уровня. При этом устраняется угроза повреждения электрической сети и приборов от грозовых и коммутационных (например, во время включения и выключения приборов, когда происходит переходный процесс, сопровождающийся скачком напряжения) перенапряжений. Схема действия УЗО достаточно проста: обнаружив наличие токов утечки в защищаемом участке сети, устройство отключает ее. Иногда УЗО даже называют блоком утечки тока. Используют устройства не вместо, а вместе с автоматическими выключателями или с предохранителями, которые защищают их от термических или динамических перегрузок [6].

Принцип действия этого специального прибора основывается на сравнении им проходящих по фазе и по “нулю” токов. Если их разница (утечка тока) выше значения указанного порога срабатывания на УЗО, то дифференциальный автоматический выключатель срабатывает, отключая и фазу, и “нуль”. (В трехфазных УЗО сравниваются суммы токов фаз с “нулем”). Но УЗО может сработать и при выключенном автомате (отключенной фазе), если по “нулю” проходит ток.

Дифференциальный автоматический выключатель подключается к электрической сети таким образом, чтобы поля, наводимые фазой и нейтралью и проходящие через сердечник устройства, были противоположно направлены, вследствие чего они компенсируют друг друга. В случае возникновения утечки величина токов, текущих по нейтрали и по фазе, становится неравной, то есть нарушается баланс компенсации, и в обмотке сердечника начинает течь ток, размер которого оценивает реле разностного тока R. При превышении определенного порога срабатывания реле разрывает цепи.

Принцип работы реле разностного тока построен на законе индукции. В обычном состоянии арматура, которая является приводом расцепителя, удерживается в состоянии равновесия полем постоянного магнита с одной стороны, и пружиной — с другой. В случае возникновения утечки ток, возникающий в катушке тороида, начинает протекать через катушку реле разностного тока и наводит в сердечнике поле. В результате, пружина приводит к срабатыванию расцепителя.

Качественная работа УЗО в первую очередь зависит от высокого качества элементов, входящих в состав изделия, и в первую очередь это касается такой характеристики, как чувствительность реле разностного тока [6].

    Первое устройство защитного отключения было запатентовано германской фирмой RWE (Rheinisch - Westfalisches Elektrizitatswerk AG) в 1928 г. (DRP Nо 552 678 от 08.04.28). Впервые принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты генераторов, линий и трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.

    В 1937 г. фирма Schutzapparategesellschaft Paris & Со. изготовила первое действующее устройство на базе дифференциального трансформатора и поляризованного реле, имевшее чувствительность 0,01 А и быстродействие 0,1 с. В том же году с помощью добровольца - сотрудника фирмы, было проведено испытание УЗО. Эксперимент закончился благополучно, устройство сработало четко, доброволец испытал лишь слабый удар электрическим током, хотя и отказался от участия в дальнейших опытах.

    Все последующие годы, за исключением военных и первых послевоенных, велась интенсивная работа по изучению действия электрического тока на организм человека, разработке электрозащитных средств и в первую очередь - совершенствованию и внедрению У30 .
В 70-х годах, в нашей стране активно велись научно-исследовательские, экспериментальные и опытно-конструкторские работы по созданию и внедрению в широкую практику УЗО. На нескольких предприятиях было освоено производство УЗО, к сожалению, в малых объемах. Большое значение имело осуществленное в 80-е годы оборудование ряда школ страны устройствами УЗОШ (школьное). Это устройство до сих пор производит Гомельский завод "Электроаппаратура". Этот завод выпускает также устройства ЗОУП-25 (для сельскохозяйственного электрооборудования), УЗО-В (устройство разрабатывалось первоначально как УЗО-вилка - для подключения стиральных машин).

    При реконструкции гостиницы "Россия" после печально известного пожара все гостиничные номера были оборудованы отечественными УЗО, изготовленными по специальному заказу одним из оборонных предприятий.

    В 1960-70 гг. во всем мире, в первую очередь в странах Западной Европы, Японии, США началось активное внедрение УЗО в широкую практику. В настоящее время сотни миллионов УЗО успешно, о чем свидетельствует официальная статистика, защищают жизнь и имущество граждан Франции, Германии, Австрии, Австралии и других стран от электропоражений и пожаров.
    УЗО давно стало привычным и обязательным элементом любой электроустановки промышленного или социально-бытового назначения. УЗО является обязательным элементом любого распределительного щита, этими устройствами оборудованы в обязательном порядке все передвижные объекты (жилые домики-прицепы на кемпинговых площадках, торговые фургоны, фургоны общественного питания, малые временные электроустановки наружной установки, например, устраиваемые на площадях на время праздничных гуляний), ангары, гаражи.

     УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключаются электроинструмент или бытовые электроприборы, эксплуатируемые в особоопасных - влажных, пыльных, с проводящими полами и т.п. помещениях.

    Страховые компании при оценке риска, определяющего страховую сумму, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние.

    В настоящее время на каждого жителя указанных стран приходится в среднем по два УЗО. Тем не менее, десятки фирм на протяжении многих лет стабильно, в значительных количествах производят эти устройства самых различных модификаций, постоянно совершенствуя их технические параметры.

     Следует отметить, что термин "устройство защитного отключения - УЗО", принятый в отечественной специальной литературе, наиболее точно определяет назначение данного устройства и его отличие от других коммутационных электрических аппаратов - автоматических выключателей, выключателей нагрузки, магнитных пускателей и т.д. [5].

    Иностранные обозначения УЗО

    В Германии, Австрии - Fehlerstrom-Schutzschalter (Fehlerstrom-Schutzeinrichtung).
Сокращенно: FI-Schutzschalter (F-Fehler - повреждение, неисправность, утечка, I - символ тока в электротехнике, Schutzschalter - защитный выключатель, Schutzeinrichtung - защитное устройство);
    Во Франции - DD - disjoncteur differentiel (дифференциальный выключатель);
    В Великобритании - e.l.c.b. (earth leakage circuit breaker - выключатель тока утечки на землю);
    В США - GICI (Ground Fault Circuit Interrupter- размыкатель тока утечки на землю).
    В настоящее время действует международная классификация УЗО, разработанная международной электротехнической комиссией (МЭК).
Принято общее название - RCD - residual current protective device. Точный перевод - защитное устройство по разностному дифференциальному току [5].

Учитывая такие особенности, УЗО выпускаются в нескольких вариантах [5]:

• тип АС, обозначается символом, предназначен для цепей с синусоидальным током утечки;

• тип А, обозначается символом, предназначен для цепей с синусоидальными и пульсирующими токами утечки;

• тип В, обозначается символами, предназначен для цепей с синусоидальными, пульсирующими и сглаженными постоянными токами утечки.

Однако до последнего времени действующими Правилами устройства электроустановок УЗО рассматриваются только в качестве средства защиты людей от электропоражений. Очевидно, что необходимо расширение концепции функционального назначения УЗО, предусматривающее не только обеспечение электробезопасности людей, но и исключение электро- и -пожароопасного состояния электроустановок.

Разработка реле искрозащиты кафедрой ЭПГ ДонНТУ

Известно, что УЗО содержит трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой защитного отключения. При совместном применении плавких предохранителей, автоматического выключателя и устройства защитного отключения возможна защита электрической сети от КЗ и утечек тока на контур заземления.

Если в защищаемой электрической сети возникает дуговое замыкание через большое переходное сопротивление, при котором ток дуги меньше тока плавкой вставки или уставки автоматического выключателя, устройство защитного отключения в этом случае не сработает, так как сумма токов в окне магнитопровода трансформатора тока равна нулю.

Устройство защитного отключения также не сработает при продолжительном интенсивном искрении и нагреве в ослабленных контактных соединениях защищаемой электрической сети, питающей электроприемник. Между тем известно, что контактное соединение (контакт) в электрической сети, питающей электропотребители, является одним из наиболее важных ее элементов, при нарушении (ослаблении или окислении) которого могут возникнуть аварийные ситуации, сопровождающиеся повреждением электропотребителя, приводящие к пожарам, а при наличии в помещении взрывоопасной среды достаточной концентрации возникновение искры между контактами может привести к взрыву [1].

Для решения этой проблемы необходим переход к новой системе проектирования электрической защиты систем электроснабжения от аварийных режимов, а также проведение массовой ревизии и реконструкция существующей защиты от коротких замыканий электрических сетей напряжением 380/220 В.

С этой целью в Донецком национальном техническом университете действует научное направление в рамках государственной бюджетной работы «Повышение эффективности систем электроснабжения и электропотребления» (Н 27/2000). Так, разработаны новые принципы оценки эффективности электрической защиты, учитывающие время ее срабатывания и пожароопасные последствия к.з., сопровождающихся электрической дугой. В основу их использования положено математическое моделирование процесса функционирования системы электрической защиты с учетом ее времени действия и пережигающего эффекта электрической дуги при коротких замыканиях, и применение аналитических выражений, обеспечивающих возможность компьютерного прогнозирования пожарной опасности коротких замыканий. Предложенная методика позволяет выявить потенциально пожароопасные участки сети, как на этапе ее проектирования, так и в процессе эксплуатации. Для этих участков должны быть изменены параметры или тип защиты от к.з., либо тип или сечение электропроводки, а также использованы устройства защитного отключения.

Для практической реализации результатов математического моделирования процесса функционирования электрической защиты и подбора пожаробезопасного сочетания параметров защиты и электропроводок, с учетом диапазона разброса защитных характеристик и характеристик пережога, разработано реле искрозащиты, которое служит для эффективной электрической и пожарной защиты в системах электроснабжения 0,38/0,22 кВ.

Принцип работы устройства дифференциальной защиты:

a)		Когда изоляция цела, и утечки тока нет, в катушке К1 отсутствует магнитный поток, а на катушке К2 нет э.д.с. Контакты замкнуты, оборудование функционирует нормально.
б)		При нарушении изоляции в катушке К1 появляется магнитный поток...
в)		...на катушку К2 поступает э.д.с., контакты размыкаются, автоматически прекращается подача напряжения на оборудование.

Рис. 1 — Принцип работы выключателя дифференциального тока

Практика эксплуатации электрооборудования показала, что существуют потребители электроэнергии, для которых обычных средств защиты в аварийных ситуациях недостаточно. Прежде всего, речь идет о холодильном, компьютерном и офисном оснащении, расположенном, как правило, в жилых и общественных зданиях, где существует возможность возникновения искровых разрядов в ослабленных контактных соединениях или через поврежденную изоляцию между фазным и нулевым проводом. Из-за постепенного нагрева контактных соединений, на которое не реагируют обычные средства защиты, возможно возникновение пожара. Это в особенности опасно в нерабочее время, при отсутствии работающего персонала [3].

Для борьбы с этим недостатком, который может стать предпосылкой к аварийной ситуации, кафедрой ЭПГ разрабатывается искрозащитное реле, которое должно реагировать на высокочастотные составляющие тока, которые возникают при указанных искровых разрядах [4]. Одним из важнейших элементов такого реле является датчик, реагирующий на появление искровых разрядов.

В данной работе ставиться задача исследования динамических свойств датчика искрозащиты, схема которого приведена на рис. 2. Она содержит:

- эквивалентный генератор, представленный источником напряжения u(t) и внутренним сопротивлением r0, L0;

- резонансный контур r1, L1, C2 ;

- низкочастотный фильтр C3, C4 ;

- сопротивление нагрузки R.

Рис. 2 — Схема замещения датчика реле искрозащиты

Возникновение искрового разряда имитируется скачкообразным изменением сопротивления нагрузки R , что в принципе соответствует действительности, так как искра замыкает собою некоторую часть цепи нагрузки.

Исходя из постановки задачи, технические требования к датчику искрозащиты можно сформулировать следующим образом:

- датчик должен реагировать на все виды возмущений, которые сопровождают искровой разряд;

- реакция датчика на возмущения в защищаемой цепи должна отличаться от его реакции на возмущения, которые приходят из питающей сети;

- исходный сигнал датчика должен быть отстроен от частоты питающего напряжения;

- незначительное собственное потребление электроэнергии.

Предшествующие исследования показали, что датчик, изображенный на рис.2, в основном отвечает этим требованиям, но для конечного ответа необходимо моделирование его динамических свойств.

Разработка математической модели датчика искрозащиты и исследование его динамических свойств

Схема замещения датчика вместе с питающей сетью и цепью нагрузки (рис.2) содержит пять накопителей энергии. Но из них три емкости создают замкнутый круг, вследствие чего напряжение только двух из них является независимым. Это означает, что для математического моделирования схемы достаточно четырех переменных состояния, значения которых полностью и однозначно определяют состояние смоделированной системы рис. в любой момент времени. В качестве последних примем два тока индуктивностей i 0 , i 1 а также напряжения на двух емкостях u c2 , u c3 . Таким образом, схема рис.2 описывается в динамике следующей системой дифференциальных уравнений [2]:

Эта же система уравнений, записанная в символической форме, моделирует установившийся синусоидальный режим исследуемой цепи:

Учитывая то, что исследуемая схема представляет собой систему четвертого порядка, решение однозначно определено только при наличии шестнадцати начальных условий. Четыре из них известны с решения системы (2). Это независимые начальные условия, то есть значение постоянных времени при t = 0. Другие двенадцать должны быть найдены из дополнительной системы уравнений, которая приводится ниже (3). При этом все значения функций в уравнениях рассматриваются в момент коммутации (t =0).

Сущность исследования свойств динамической системы состоит в том, чтобы найти и исследовать решения системы дифференциальных уравнений (1) при заданных начальных условиях. Последние, в свою очередь, могут быть определены в результате анализа установившегося режима до коммутации, для чего необходимо решение системы (2). Такая задача решается только с помощью моделирования на ЭВМ.

Требования, предъявляемые к реле искрозащиты

Основной проблемой при реализации РИЗ является его надежная отстройка от основной гармоники тока нагрузки защищаемого присоединения. Для этого необходимо выполнить следующее условие:

где Iср.50 - первичный ток срабатывания реле на частоте 50 Гц;Im50 - максимальное возможное значение тока нагрузки защищаемого присоединения; k - коэффициент надежности отстройки (k = 2...3).

РИЗ должно надежно срабатывать при наихудших условиях: - общая нагрузка защищаемой сети максимальна (Im50); - имеется устойчивое искрение в цепи питания электроприемника с наименьшей мощностью из всей группы параллельно включенных приемников защищаемой сети, формирующих суммарный ток Im50. В качестве Im50 можно принять стандартный ряд номинальных токов автоматических выключателей - (6,3; 10; 16 и т.д.)А. в качестве электроприемника с наименьшей мощностью можно принять нагрузку лампы накаливания мощностью 40...75 Вт. На рис. 3 представлена структурная схема РИЗ:

Рис. 3 - Структурная схема РИЗ: 1 - Блок-схема РИЗ; 2- фильтр ВЧ; 3- выпрямитель; 4- пороговый элемент; 5 - блок выдержки времени; 6 - измерительный преобразователь тока; 7 - автоматический выключатель; 8 - силовой фильтр НЧ

Фильтр ВЧ должен обеспечивать эффективное подавление составляющей промышленной частоты и незначительное затухание ВЧ компонентов первичного тока. Уставка срабатывания порогового элемента 4 должна выбираться с учетом вышеизложенных требований. Величина выдержки времени Δt должна выбираться из условия надежной отстройки РИЗ от кратковременных коммутационных возмущений - включение (отключение), запуск электродвигателей и т.д. Величину Δt можно принять в пределах 0,2... 1с. В качестве измерительного преобразователя тока 6 целесообразно использовать трансреактор с ферритовым сердечником. Известно [2], что вторичное напряжение трансреактора при согласованной вторичной нагрузке определяется выражением:

где U2 - вторичное напряжение; ω - угловая частота; I1 - первичный ток; K1 - вещественный коэффициент преобразования.

В соответствии с [2] прохождение сигнала через трансреактор способствует подъему амплитудно-частотной характеристики в области ВЧ, увеличивая тем самым степень подавления составляющей промышленной частоты первичного тока. На стадии разработки РИЗ необходимо оптимизировать конструктивные параметры трансреактора с точки зрения достижения максимального соотношения между амплитудами ВЧ компонентов и составляющей промышленной частоты.

Результаты исследований:

В настоящее время (1 июля 2006 г.) в автореферате отображены промежуточные результаты, поскольку магистерская работа находится в состоянии разработки. Окончательные результаты предполагается получить в январе 2007 г. Будет теоретически доказано, что разработанный на кафедре ЭПГ, ДонНТУ датчик искрозащиты позволит исключить пожар в жилых помещениях от ослабленных и опасно нагретых контактных соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработанная программа для исследования математической модели датчика искрозащиты позволит с достаточной для практической цели точностью моделировать процессы, протекающие в сети, как в переходном, так и в установившемся режиме работы.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Смелков Г.И. Пожарная опасность электропроводок при аварийных режимах. – М: Энергоатомиздат, 1984. – 184 с.

2. Казанский В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.

3. Васин А.А., Муха В.П., Чурсинов В.И., Шевченко О.А. Повышение пожарной безопасности электрических сетей 0,38-0,22 кВ // Наук. праці ДонНТУ. Серія: “електротехніка і енергетика”, випуск 41.- Донецьк: ДонНТУ, -2002. с.114-117.

4. Чорноус Є.В., Шевченко О.А. Дослідження динамічних властивостей давача струму реле іскрозахисту // Зб. наук. праць ДонНТУ. Серія: “електротехніка і енергетика”, випуск 28.- Донецьк: ДонНТУ, -2001. с.152-160.

5. http://ploshadka.ru/inform6.html

6. http://www.alvi.zp.ua/index.php?Lev=articles&Id=3

Реферат