ДонНТУ Портал магистров
Богданов Дмитрий Александрович

Богданов Дмитрий Александрович


Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики


Кафедра электронной техники


Специальность: Электронные системы



Тема выпускной работы:
Обоснование и исследование структуры электронной системы определения поврежденной фазы в промышленных трехфазных сетях с изолированной нейтралью


Научный руководитель: Кочин Александр Евгеньевич

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

1. Актуальность темы

Существующая тенденция к повышению требований по защите человека от поражения электрическим током, сводящаяся, в частности, к снижению допустимой величины напряжения касания [3], требует поиска новых технических решений по охране труда. Одним из таких решений является защитное шунтирование поврежденной фазы, заключающееся в ее автоматическом соединении с заземляющим устройством [4]. Это требует надежной работы устройства выбора поврежденной фазы (УВФ). Из различных схемных решений реализации УВФ наибольшим быстродействием обладают цифровые устройства, основанные на определении аргумента (начальной фазы) потенциала нейтрали относительно земли.

2. Цель и задачи работы

Основной задачей магистерской работы является построение системы определения поврежденной фазы в промышленных сетях с изолированной нейтралью, которая будет предназначена для достоверного и надежного обнаружения фазных касаний с замыканием на землю в шахтных трехфазных сетях напряжением до 1 кВ и выдачи команды на защитное шунтирование поврежденной фазы.
Таким образом основными задачами магистерской работы являются:

  • Анализ характеристик промышленных трехфазных сетей, как объекта исследования;
  • Анализ процессов протекающих при фазных касаниях с замыканием на землю через высокоомную нагрузку (человека);
  • Моделирование этих процессов;
  • Анализ имеющихся методов определения поврежденной фазы, при помощи построенной модели;
  • Построении на основании данных моделирования работоспособного алгоритма определения поврежденной фазы;
  • Натурная апробация системы.

3. Научная новизна

Новизна данной работы заключается в построении метода включающего в себя два основных подхода к определению поврежденной фазы – амплитудного и фазового. Основным достоинством предложенного метода является большее быстродействие, которое достигается за счет того, что наличие повреждения определяется по амплитудным параметрам сети, а собственно поврежденная фаза по фазовым параметрам.

4. Выбор метода решения

4.1 Существующие решения
В известных способах определения поврежденной фазы на землю используются как фазовые, так и амплитудные параметры колебательных сигналов. Использование фазовых параметров обеспечивает более высокую точность обработки сигналов, так как полезная информация извлекается относительно их нулевых переходов, что предотвращает появление ошибок распознавания малых изменений амплитудных параметров за ограниченное время из условий электробезопасности.
Известен способ определения поврежденной фазы сети, реализованный в [6], при котором измеряют (с помощью датчиков) напряжение нулевой последовательности, одно из линейных напряжений сети и разность фаз между ними - начальную фазу напряжения нулевой последовательности, контролируют соответствие (с помощью порогового разделителя сигналов) значения начальной фазы напряжения нулевой последовательности опорным фазовым промежуткам величиною 90o, заданным для каждой фазы сети и включающим в себя значение начальной фазы соответствующего питающего фазного напряжения, и определяют поврежденную фазу сети - фиксируют фазу сети как поврежденную, по обнаруженному соответствию.
Способ обладает низкой чувствительностью к утечкам из-за ограничения опорных фазовых промежутков величиною 90o. Реальная величина области изменения начальной фазы напряжения нулевой последовательности при однофазных опасных утечках в сети может превышать 90o под влиянием естественной несимметрии сопротивлений изоляции в фазах сети. Особенно это проявляется при высокоомных утечках - утечках с сопротивлением, близким к несимметричному сопротивлению изоляции. В результате выхода значения указанной начальной фазы за пределы опорного фазового промежутка поврежденная фаза сети не фиксируется. Для повышения чувствительности к утечкам требуется расширение опорных фазовых промежутков.
В наиболее близком к предлагаемому способе определения поврежденной фазы на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью, реализованном в [7], измеряют напряжение нулевой последовательности (блоком измерения напряжения нулевой последовательности, включенным между искусственной нулевой точкой сети и землей), формируют с задержкой (на элементе задержки) сигнал о появлении опасной утечки на землю по увеличению напряжения нулевой последовательности (выявляемым амплитудным селектором), а также для каждой фазы сети задают опорный фазовый промежуток величиною не более 120o (с помощью формирователей опорных импульсов, названных в оригинале информационными, преобразующих питающие фазные напряжения в импульсы, длительностью которых задаются опорные фазовые промежутки), включающий в себя значение начальной фазы питающего фазного напряжения, контролируют соответствие опорному фазовому промежутку значения начальной фазы напряжения нулевой последовательности (с помощью D-триггера, запоминающего значение опорного импульса по фронту тактового импульса, сформированного из напряжения нулевой последовательности) и определяют поврежденную фазу сети - фиксируют фазу сети как поврежденную, по обнаружению упомянутого соответствия при наличии сигнала о появлении опасной утечки на землю (логическим элементом И, выявляющим совпадение во времени обнаруженного соответствия и сигнала о появлении опасной утечки на землю).
Способ позволяет назначать опорные фазовые промежутки с максимально возможной величиною - 120o, при превышении которой нарушается однозначность определения поврежденной фазы в трехфазной сети. Это обеспечивает требуемую по условиям электробезопасности чувствительность к опасной утечке на землю на фоне возможной естественной несимметрии сопротивлений изоляции в фазах сети. Однако при этом снижается надежность работы способа ввиду ухудшения устойчивости против ошибочного определения поврежденной фазы с высокоомной опасной утечкой на землю. Ухудшение указанной устойчивости обусловлено вынужденно малой величиной задержки формирования сигнала о появлении опасной утечки на землю. Так, задержка является в способе главным средством обеспечения устойчивости против ошибочного определения поврежденной фазы и устойчивости против ложных срабатываний - определения фазы сети как поврежденной под воздействием импульсных помех при отсутствии опасной утечки. Нижняя граница величины задержки определяется условием устойчивости против ложных срабатываний. Верхняя же граница определяется условиями электробезопасности и рассчитывается на основе допустимого времени существования в сети (до защитного шунтирования) тока через человека (с минимальным сопротивлением) за вычетом времени срабатывания исполнительных устройств. Для сетей напряжением 1140 В величина задержки может быть допущена до двух периодов колебаний промышленной частоты. При более высоком напряжении сети задержка, разумеется, должна быть меньше. Появление высокоомных однофазных опасных утечек может сопровождаться переходным процессом с длительностью, превышающей указанную величину задержки. Такой переходный процесс в совокупности с другими помехами непромышленной частоты может "уводить" результат отсчета начальной фазы напряжения нулевой последовательности за границы опорного фазового промежутка, относящегося к поврежденной фазе сети. В итоге соседняя фаза сети ошибочно определяется как поврежденная. Устранение рассмотренного недостатка возможно путем проверки результата определения поврежденной фазы на достоверность. Однако простое повторение операций способа с целью такой проверки неприемлемо из-за дополнительных затрат времени, недопустимых при определении поврежденной фазы сети с низкоомной, наиболее опасной утечкой на землю.

4.2 Предлагаемое решение
Своевременное и безошибочное определение фазы шахтной участковой сети, в которой возникла утечка тока на землю, является важнейшим фактором защиты человека при его попадании под фазное напряжение. В [1] описан быстродействующий способ решения этой задачи. Его сущность основана на гипотезе о синусоидальном изменении потенциала нейтрали uN(t) и заключается в определении его аргумента (начальной фазы) по двум смежным точкам мгновенного значения uN(t1) и uN(t1+ Δt). Если разница по фазе между этими точками Δωt фиксирована и составляет от 10 до 20 градусов, задача сводится к решению системы.

Уравнение (1);                                                                   (1)
Уравнение (2)                                                                    (2)

где UNmax, ψ, – соответственно амплитуда и начальная фаза (аргумент) потенциала нейтрали относительно земли;
Исключив из (1 и 2) амплитуду UNмах, получаем функцию y(ψ) и ее производную y'(ψ):

Уравнение (3);                                                           (3)
Уравнение (4).                                                                      (4)

Из анализа (3) и (4) следует. Во-первых, период обеих функций по ψ составляет π и, следовательно, на интервале 0…2π зависимость (3), в отличие от системы (1, 2), имеет 2 корня, один из которых “лишний“. Его легко установить проверкой в (1) или (2).
Во-вторых, производная y'(ψ) всегда положительна. Следовательно, функция y(ψ) всегда возрастает и в пределах своего периода (0…π) имеет только один корень, который легко выделить, воспользовавшись тем свойством функции (3), что она имеет разрывы второго рода при значениях аргумента ψ, отвечающих условию:

ω∙t1 + Δωt + ψ = 0,  π,  2π  и т. д.                                                            (5)

Недостаток первого варианта заключается в низкой точности определяемого аргумента ψ из-за влияния, прежде всего, динамических составляющих переходного режима, которым сопровождается процесс возникновения утечки, наличием высших гармоник, поперечной несимметрии сети и ряда других факторов. Его основное достоинство: сравнительная простота выделения корней зависимости (4), их определение и проверка.
Второй вариант реализации цифрового УВФ учитывает наличие експоненциальной составляющей переходного процесса при возникновении утечки и основан на предположении, что мгновенное значение потенциала нейтрали меняется по закону:

Закон (6),                         (6)

где α – момент (угол) возникновения утечки;
τ – постоянная времени експоненциальной составляющей.

В отличие от первого варианта решение (6) требует четырех значений потенциала нейтрали, снятых через равные интервалы Δωt. В результате приходим к системе из четырех уравнений (по числу четырех неизвестных  ψ, UNmax, τ, α.):

Закон (7),  (7)
где t1 – момент первого отсчета;
k = 0…3 – точки, определяющие последующие три отсчета.

С формальной точки зрения четыре неизвестных системы (7) можно определить методом Ньютона при использовании матрицы Якоби [5]. Однако, метод Ньютона “работает“ только в пространстве, где вектор корней (ψ, UNmax, τ, α) уже выделен. В системе (7) неизвестные величины могут иметь значения в широких пределах. Например, значение UNmax в зависимости от сопротивления утечки может быть в пределах от 0.1 до 1 от амплитуды номинального фазного напряжения. Значения ψ и α могут быть любыми в пределах периода, причем, момент коммутации α относительно принятой системы отсчета носит случайный характер. Постоянная времени τ, зависящая в основном от сопротивления утечки и суммарной емкости кабельных коммуникаций, находится в пределах от 0.01 до 40 миллисекунд. В этих условиях выделение корней является задачей не менее сложной, чем решение основной системы (7). Фактически это значит, что реализовать второй вариант при помощи простого и быстродействующего алгоритма технически сложно. Более того, даже при его реализации не устраняются его недостатки, связанные с влиянием высших гармоник и различных видов несимметрии сети.
Таким образом, первый вариант цифрового УВФ по простоте реализации и быстродействию является предпочтительным.
Проведенное исследование математической модели УВФ, выпоненной по первому варианту, показало ее устойчивое функционирования как в условиях динамического режима сети и наличия высших гармоник, так и при скачкообразном изменении сопротивления утечки, что характерно при попадании человека под фазное напряжение. Кроме того, высокое быстродействие УВФ позволяет за короткое время (от 5 до 15 мс) получить серию от 8 до 20 результатов значений аргумента потенциала нейтрали ψ. Усредняя полученные результаты, можно определить поврежденную фазу с высокой степенью достверности вне зависимости от интенсивного воздействия помех и искажений реальной сети.
На рис. 1 приведена упрощенная схема алгоритма работы УВФ, в соответствии с выражениями (1…5). Схема содержит:
Блок задания отсчета времени, в функции которого входит слежение за одним из линейных напряжений (в данном случае это uАВ) и момент перехода его через нуль при возрастании задать (обновить) новый отсчет времени.
Блок запуска УВФ. Его основная функция заключается в слежении за величиной потенциала нейтрали, при достижении которым порогового значения Uпр, включить УВФ в работу. Одновременно с этим блокируется обновление начала отсчета времени с тем, чтобы до принятия решения отсчет времени не изменялся. Кроме того, блок продолжает слежение за величиной uN(t) и через каждую четверть периода подтверждает (или не подтверждает) команду на включение УВФ в работу. Это необходимо, чтобы избежать ложных срабатываний защиты при воздействии кратковременных помех в составе потенциала нейтрали при, например, коммутациях в нагрузке.
Блок определения промежуточных результатов является основным решающим звеном, в котором по двум смежным мгновенным значениям uN(t1) и uN(t2) определяется очередной результат аргумента ψ.

Блок Схема УВФ
Рис. 1. Упрощенная схема алгоритма работы УВФ.
Анимация, 18 кадров, 19 секунд, 126 кБ
Рис. 2. Процесс обнаружения поражения человека. Анимация, 18 кадров, 19 секунд, 126 кБ

 

Блок принятия решения анализирует значения ψ, определяет их принадлежность к интервалу, свойственному поврежденной фазе сети, и формирует команду на ее защитное шунтирование. Длительность в принятии решения зависит от интенсивности помех и искажений, вносимых сетью. Например, при небольшом (< 2.5 кОм) сопротивлении утечки, когда переходный процесс весьма скоротечен, а влияние высших гармоник незначительно, решение может быть принято на основании от 5 до 7 промежуточных результатов (≈ 4 мс). В том же случае, когда переходный процесс затягивается до нескольких периодов, что характерно для сопротивления утечки, превышающего 15 кОм, а высшие гармоники вносят свою долю искажений, принятие решения затягивается до получения устойчивой серии от 15 до 20 промежуточных результатов. При этом идентификация поврежденной фазы (принятие решения) может затянуться на время от 17 до 22 мс.
Исследование модели УВФ совместно с динамической моделью сети показало работоспособность предлагаемого способа и его устойчивое функционирование в условиях воздействия не только составляющих переходного режима и высших гармоник в составе потенциала нейтрали, но также при скачкообразном изменении сопротивления утечки, что характерно для сопротивления человека, внезапно оказавшегося под фазным напряжением [2].


ЛИТЕРАТУРА
  1. Чорноус Е.В., Об альтернативном варианте защиты шахтной участковой сети от однофазной утечки // Электричество. ­ 2009. ­ №8. ­ C.33-36.
  2.  Ягудаев Б.М., Шишкин Н.Ф., Назаров В.В. Защита от электропоражения в горной промышленности. – М., Недра, 1982, 152 с.
  3. Научные основы (теория) электробезопасности. /Малиновский А.А., Никонец Л.А., Голубов С.В., Шелех Ю.Л., Радченко В.Н., Никонец А.Л. / Под редакцией Никонца Л.А. – Львов: НВФ „Українські технології”, 2008 р. – 224 с
  4. Шуцкий В.И., Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 152 с.:ил.
  5. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. – М.: “Наука“, – 664 с.:илл.
  6. А.с. СССР N 1379857, H 02 H 3/16, опубл. в 1988, БИ N 9.
  7. А.с. СССР N 943959, H 02 H 3/16, опубл. в 1982, БИ N 26.
  8. Патент на винахід № 10320, УКРПАТЕНТ, H02H3/16, G01R31/08, 12.04.2005.
  9. Патент на изобретение № 2150167, Российская федерация МПК7  H02H3/16, G01R31/08, 10.06.1999. [Электронный ресурс] http://ru-patent.info
  10. Журахівський А.В., Кенс Ю.А., Мединський Р.В., Засідкович Н.Р. Особливості розрахунку напруги зміщення нейтралі трифазних електромереж. \\ Збірник наукових праць Донецького Національного Технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 50: Донецьк: ДонНТУ, 2002. с.(102-106).
  11. В.С. Перхач. Математичні задачі електроенергетики. – Львів.: Видавництво при Львівському Державному Університеті видавничого об`єднання «Вища Школа», 1982. – 378с.
  12. Sri Kolla, Logan Varatharasa. Identifying three-phase induction motor faults using artifical neural networks. \\ISA Transactions, 39, Elsevir.p. 433-439. [Электронный ресурс] http://hinari-gw.who.int