Богданов Дмитро Олександрович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики
Кафедра електронної техніки
Спеціальність: Електронні системи

Тема випускної роботи:
Обгрунтування та дослідження структури електронної системи визначення пошкодженої фази в промислових трифазних мережах з ізольованою нейтраллю

Науковий керівник: Кочин Олександр Євгенович

Реферат по темі магістерської роботи

1. Актуальність теми

Існуюча тенденція до підвищення вимог щодо захисту людини від ураження електричним струмом, що зводиться, зокрема, до зниження допустимої величини напруги дотику [3], вимагає пошуку нових технічних рішень з охорони праці. Одним із таких рішень є захисне шунтування ушкодженої фази, яка полягає у її автоматичному поєднанні з заземлювальним пристроєм [4]. Це вимагає надійної роботи пристрою вибору пошкодженої фази (УВФ). З різних схемних рішень реалізації УВФ найбільшим швидкодією володіють цифрові пристрої, засновані на визначенні аргументу (початкової фази) потенціалу нейтралі відносно землі.

2. Мета і завдання роботи

Основним завданням магістерської роботи є побудова системи визначення пошкодженої фази в промислових мережах з ізольованою нейтраллю, яка буде призначена для достовірного і надійного виявлення фазних торкань з замиканням на землю в шахтних трифазних мережах напругою до 1 кВ і видачі команди на захисну шунтування ушкодженої фази.

Таким чином основними завданнями магістерської роботи є:
Аналіз характеристик промислових трифазних мереж, як об'єкта дослідження;
Аналіз процесів протікають при фазних торкання з замиканням на землю через високоомних навантаження (людини);
Моделювання цих процесів;
Аналіз існуючих методів визначення пошкодженої фази, за допомогою побудованої моделі;
Побудові на підставі даних моделювання працездатного алгоритму визначення пошкодженої фази;
Натурна апробація системи.

3. Наукова новизна

Новизна даної роботи полягає в побудові методу включає в себе два основні підходи до визначення пошкодженої фази - амплітудного та фазового. Основною перевагою запропонованого методу є більшу швидкодію, що досягається за рахунок того, що наявність пошкодження визначається за амплітудних параметрам мережі, а власне пошкоджена фаза по фазовим параметрами.

4. Вибір методу розв'язання

4.1 Існуючі рішення

У відомих способах визначення ушкодженої фази на землю використовуються як фазові, так і амплітудні параметри коливальних сигналів. Використання фазових параметрів забезпечує більш високу точність обробки сигналів, так як корисна інформація витягується щодо їх нульових переходів, що запобігає появі помилок розпізнавання малих змін амплітудних параметрів за обмежений час з умов електробезпеки.

Відомий спосіб визначення пошкодженої фази мережі, реалізований в [6], при якому вимірюють (за допомогою датчиків) напруга нульової послідовності, одне з лінійних напруг мережі і різниця фаз між ними - початкову фазу напруги нульової послідовності, контролюють відповідність (за допомогою порогового роздільник сигналів ) значення початкової фази напруги нульової послідовності опорним фазовим проміжкам завбільшки 90o, заданим для кожної фази мережі і включає в себе значення початкової фази відповідного живильного фазної напруги, і визначають пошкоджену фазу мережі - фіксують фазу мережі як пошкоджену, по виявленому відповідності.

Спосіб має низьку чутливістю до витокам через обмеження опорних фазових проміжків завбільшки 90o. Реальна величина області зміни початкової фази напруги нульової послідовності при однофазних небезпечних витоках в мережі може перевищувати 90o під впливом природної несиметрії опорів ізоляції у фазах мережі. Особливо це проявляється при високоомних витоках - витоках з опором, близьким до несиметричного опору ізоляції. В результаті виходу значення зазначеної початкової фази за межі опорного фазового проміжку пошкоджена фаза мережі не фіксується. Для підвищення чутливості до витокам потрібне розширення опорних фазових проміжків.

У найбільш близькому до пропонованого способі визначення ушкодженої фази на землю у трифазній мережі з ізольованою нейтраллю, реалізованому в [7], вимірюють напругу нульової послідовності (блоком виміру напруги нульової послідовності, включеним між штучної нульовою точкою мережі і землею), формують з затримкою (на елементі затримки) сигнал про появу небезпечної витоку на землю за збільшення напруги нульової послідовності (що виявляються амплітудних селектором), а також для кожної фази мережі задають опорний фазовий проміжок завбільшки не більше 120o (за допомогою формувачів опорних імпульсів, названих в оригіналі інформаційними, що перетворюють живлять фазні напруги в імпульси, тривалістю яких задаються опорні фазові проміжки), що включає в себе значення початкової фази живлячої фазної напруги, контролюють відповідність опорного фазового проміжку значення початкової фази напруги нульової послідовності (за допомогою D-тригера, запам'ятовуючого значення опорного імпульсу по фронту тактового імпульсу, сформованого з напруги нульової послідовності) і визначають пошкоджену фазу мережі - фіксують фазу мережі як пошкоджену, з виявлення згаданого відповідності при наявності сигналу про появу небезпечної витоку на землю (логічним елементом І, виявляють збіг у часі виявленого відповідності та сигналу про появу небезпечної витоку на землю) .

Спосіб дозволяє призначати опорні фазові проміжки з максимально можливою завбільшки - 120o, при перевищенні якої порушується однозначність визначення ушкодженої фази в трифазній мережі. Це забезпечує необхідну за умовами електробезпеки чутливість до небезпечної витоку на землю на тлі можливої природної несиметрії опорів ізоляції у фазах мережі. Однак при цьому знижується надійність роботи способу зважаючи на погіршення стійкості проти помилкового визначення пошкодженої фази з високоомний небезпечної витоком на землю. Погіршення зазначеної стійкості обумовлено вимушено малою величиною затримки формування сигналу про появу небезпечної витоку на землю. Так, затримка є в способі головним засобом забезпечення стійкості проти помилкового визначення ушкодженої фази і стійкості проти помилкових спрацьовувань - визначення фази мережі як пошкодженої під впливом імпульсних перешкод при відсутності небезпечної витоку. Нижня межа величини затримки визначається умовою стійкості проти помилкових спрацьовувань. Верхня ж межа визначається умовами електробезпеки і розраховується на основі допустимого часу існування в мережі (до захисного шунтування) струму через людину (з мінімальним опором) за вирахуванням часу спрацьовування виконавчих пристроїв. Для мереж напругою 1140 В величина затримки може бути допущена до двох періодів коливань промислової частоти. При більш високій напрузі мережі затримка, зрозуміло, повинна бути менше. Поява високоомних однофазних небезпечних витоків може супроводжуватися перехідним процесом з тривалістю, що перевищує зазначену величину затримки. Такий перехідний процес в сукупності з іншими перешкодами непромислової частоти може "відводити" результат відліку початкової фази напруги нульової послідовності за кордону опорного фазового проміжку, що відноситься до пошкодженої фазі мережі. У результаті сусідня фаза мережі помилково визначається як пошкоджена. Усунення розглянутого нестачі можливо шляхом перевірки результату визначення ушкодженої фази на достовірність. Однак просте повторення операцій способу з метою такої перевірки неприйнятно з-за додаткових витрат часу, неприпустимих при визначенні ушкодженої фази мережі з низькоомний, найбільш небезпечною витоком на землю.

4.2 Пропоноване рішення

Своєчасне і безпомилкове визначення фази шахтної дільничної мережі, у якій виникла витік струму на землю, є найважливішим чинником захисту людини при його попаданні під фазну напругу. В [1] описаний швидкодіючий спосіб вирішення цього завдання. Його сутність заснована на гіпотезі про синусоїдальній зміну потенціалу нейтралі u N (t) і полягає у визначенні його аргументу (початкової фази) за двома суміжних точкам миттєвого значення u N (t 1) і u N (t 1 + Δt). Якщо різниця по фазі між цими точками Δωt фіксована і складає від 10 до 20 градусів, задача зводиться до розв'язання системи.

;                                                                   (1)
                                                                    (2)

де U Nmax, ψ, - відповідно амплітуда і початкова фаза (аргумент) потенціалу нейтралі відносно землі;

Виключивши з (1 і 2) амплітуду U Nмах, отримуємо функцію y (ψ) і її похідну y '(ψ):

;                                                           (3)
.                                                                      (4)

З аналізу (3) і (4) випливає. По-перше, період обох функцій по ψ становить π і, отже, на інтервалі 0 ... 2π залежність (3), на відміну від системи (1, 2), має 2 кореня, один з яких "зайвий". Його легко встановити перевіркою в (1) або (2).

По-друге, похідна y '(ψ) завжди позитивна. Отже, функція y (ψ) завжди зростає і в межах свого періоду (0 ... π) має тільки один корінь, який легко виділити, скориставшись тим властивістю функції (3), що вона має розриви другого роду при значеннях аргументу ψ, що відповідають умові:

Недолік першого варіанту полягає в низькій точності визначається аргументу ψ через вплив, перш за все, динамічних складових перехідного режиму, яким супроводжується процес виникнення витоку, наявністю вищих гармонік, поперечної несиметрії мережі і ряду інших чинників. Його основне достоїнство: порівняльна простота виділення коренів залежно (4), їх визначення і перевірка.

Другий варіант реалізації цифрового УВФ враховує наявність експоненціальной складовою перехідного процесу при виникненні витоку і заснований на припущенні, що миттєве значення потенціалу нейтралі змінюється за законом:

,                         (6)

де α - момент (кут) виникнення витоку;

τ - постійна часу експоненціальной складової.

На відміну від першого варіанту рішення (6) вимагає чотирьох значень потенціалу нейтралі, знятих через рівні інтервали Δωt. В результаті приходимо до системи з чотирьох рівнянь (по числу чотирьох невідомих ψ, U Nmax, τ, α.):

<div align="center"><img src="index_clip_image012.gif" alt="Закон (7)" width="503" height="48" />,  (7)</div> , (7)

де t 1 - момент першого відліку;

k = 0 ... 3 - точки, що визначають наступні три відліку.

З формальної точки зору чотири невідомих системи (7) можна визначити методом Ньютона при використанні матриці Якобі [5]. Проте, метод Ньютона "працює" тільки в просторі, де вектор коренів (ψ, U Nmax, τ, α) вже виділено. У системі (7) невідомі величини можуть мати значення в широких межах. Наприклад, значення U Nmax залежно від опору витоку може бути в межах від 0.1 до 1 від амплітуди номінального фазної напруги. Значення ψ і α можуть бути будь-якими в межах періоду, причому, момент комутації α щодо прийнятої системи відліку носить випадковий характер. Постійна часу τ, що залежить в основному від опору витоку і сумарною ємності кабельних комунікацій, знаходиться в межах від 0.01 до 40 мілісекунд. У цих умовах виділення коренів є завданням не менш складною, ніж рішення основної системи (7). Фактично це означає, що реалізувати другий варіант за допомогою простого і швидкодіючого алгоритму технічно складно. Більш того, навіть при його реалізації не усуваються його недоліки, пов'язані з впливом вищих гармонік і різних видів несиметрії мережі.

Таким чином, перший варіант цифрового УВФ по простоті реалізації та швидкодії це найбільш прийнятний.

Проведене дослідження математичної моделі УВФ, випоненной за першим варіантом, показало її стійке функціонування як в умовах динамічного режиму мережі і наявності вищих гармонік, так і при стрибкоподібному зміні опору витоку, що характерно при попаданні людини під фазну напругу. Крім того, висока швидкодія УВФ дозволяє за короткий час (від 5 до 15 мс) отримати серію від 8 до 20 результатів значень аргументу потенціалу нейтралі ψ. Усереднюючи отримані результати, можна визначити пошкоджену фазу з високим ступенем достверності незалежно від інтенсивного впливу перешкод і спотворень реальній мережі.

На рис. 1 приведена спрощена схема алгоритму роботи УВФ, відповідно до виразами (1 ... 5). Схема містить:

Блок завдання відліку часу, в функції якого входить стеження за одним з лінійних напруг (в даному випадку це u АВ) та момент переходу його через нуль при зростанні задати (оновити) новий відлік часу.

Блок запуску УВФ. Його основна функція полягає в спостереженні за величиною потенціалу нейтралі, при досягненні яких порогового значення U пр, включити УВФ в роботу. Одночасно з цим блокується оновлення початку відліку часу з тим, щоб до ухвалення рішення відлік часу не змінювався. Крім того, блок продовжує спостереження за величиною u N (t) і через кожну чверть періоду підтверджує (або не підтверджує) команду на включення УВФ в роботу. Це необхідно, щоб уникнути помилкових спрацьовувань захисту при дії короткочасних перешкод у складі потенціалу нейтралі при, наприклад, комутація у навантаженні.

Блок визначення проміжних результатів є основним вирішальною ланкою, в якому з двох суміжних миттєвим значенням u N (t 1) і u N (t 2) визначається черговий результат аргументу ψ.

Рис. 1. Спрощена схема алгоритму роботи УВФ.

Рис. 2. Процес визначення ураження людини. Анiмацiя, 18 кадров, 19 секунд, 126 кБ

Блок прийняття рішення аналізує значення ψ, визначає їх приналежність до інтервалу, властивому пошкодженої фазі мережі, і формує команду на її захисне шунтування. Тривалість у прийнятті рішення залежить від інтенсивності перешкод і спотворень, що вносяться мережею. Наприклад, при невеликому (<2.5 кОм) опорі витоку, коли перехідний процес вельми швидкоплинний, а вплив вищих гармонік незначно, рішення може бути ухвалене на підставі від 5 до 7 проміжних результатів (≈ 4 мс). У тому ж випадку, коли перехідний процес затягується до кількох періодів, що характерно для опору витоку, що перевищує 15 кОм, а вищі гармоніки вносять свою частку спотворень, ухвалення рішення затягується до одержання стійкої серії від 15 до 20 проміжних результатів. При цьому ідентифікація ушкодженої фази (прийняття рішення) може затягнутися на час від 17 до 22 мс.

Дослідження моделі УВФ спільно з динамічною моделлю мережі показало працездатність запропонованого способу та його стійке функціонування в умовах дії не лише складових перехідного режиму та вищих гармонік у складі потенціалу нейтралі, але також при стрибкоподібному зміні опору витоку, що характерно для опору людини, раптово опинився під фазним напругою [2].

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