ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Электрические сети могут быть с заземленной или изолированной нейтралью. Сети 6, 10 и 35 кВ работают с изолированной нейтралью трансформаторов. Сети 660, 380 и 220 В могут быть как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Даже при хорошей изоляции токоведущих частей сети от земли, у проводников есть связь с землей. Изоляция токоведущих частей имеет определенное сопротивление по отношению к земле, обычно выражаемое в мегомах, то есть через изоляцию проводников и землю проходит ток, но в нормальных условиях изоляции этот ток небольшой, и называется током утечки. Еще одна связь образуется емкостью проводников сети по отношению к земле. Фазы сети и землю можно представить как две обкладки конденсатора. В воздушных линиях проводник и земля — это обкладки конденсатора, а воздух между ними — диэлектрик. В кабельных линиях обкладками конденсатора являются жила кабеля и металлическая оболочка, соединенная с землей, а диэлектриком — изоляция. Переменное напряжение приводит к возникновению и прохождению через конденсаторы переменных токов. Эти токи называют емкостными, в исправной сети равномерно распределены по длине проводов и в каждом отдельном участке также замыкаются через землю. Чем больше длина сети, тем большую величину имеют токи утечки и емкостные токи. Пробой фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью опасен, тем что емкостные токи могут стать достаточно большими и опасными. Например при пробое изоляции одной из фаз на землю на незаземленном корпусе прибора может возникнуть напряжение, равное напряжению фазы, и при прикосновении ток через поврежденную изоляцию проходит через землю, человека и с помощью емкостных токов замыкается на фазу, то есть возникает замкнутая цепь, в которой протекают большие токи, которые являются смертельными.

1. Актуальность темы

Устройства защиты от пробоя фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью в том числе и через высокоомную нагрузку (человека) имеют большое значение, так как позволяют предотвратить аварийную ситуацию и спасти жизнь человеку а также уменьшить риск повреждения оборудования. Существует большое количество различных устройств и методов для защиты от пробоя на землю но все они работают не идеально и имеют свои достоинства и недостатки, то есть разработка новых средств защиты является актуальной.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью магистерской работы является разработка системы определения поврежденной фазы в промышленных сетях с изолированной нейтралью, которая будет предназначена для достоверного обнаружения замыканий на землю в шахтных трехфазных сетях напряжением до 1 кВ.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ характеристик промышленных трехфазных сетей, как объекта исследования.
  2. Анализ процессов протекающих при замыкании на землю через высокоомную нагрузку и низкоомную нагрузку.
  3. Моделирование процессов, протекающих при замыкании на землю.
  4. Анализ имеющихся методов определения поврежденной фазы при помощи построенной модели.
  5. Построение на основании данных моделирования работоспособного алгоритма определения поврежденной фазы.

Объект исследования: трехфазная электрическая цепь с изолированной нейтралью.

Предмет исследования: контроль параметров трехфазной цепи с изолированной нейтралью.

3. Обзор исследований и разработок

Современные методы определения пробоя фазы на землю используют различные подходы и дают близкие результаты. С каждым годом количество разработок и методов, применяемых в производстве, растет.

3.1 Обзор международных источников

Значительный вклад в разработку современных методов определения замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью сделал Seppo Hanninen, Helsinki University of Technology [10]. Им разработан метод надежного определения высокоомных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, а также определение места повреждения сети. Основной идеей является анализ переходных процессов, возникающих при пробое фазы, анализ переходного процесса основывается на классических методах расчета дифференциальных уравнениях, а также волновых и методах нейронных сетей для оценки расстояния до короткого замыкания.

3.2 Обзор национальных источников

На национальном уровне разработкой новых методов контроля и управления параметрами изоляции распределительных сетей занимаются в Национальном горном университете (НГУ). Ф.П. Шкрабецом, Д.В. Цыпленковым, А.И. Ковалевым, М.С. Кириченко написана работа «Параметры изоляции распределительных сетей: контроль и управление» [4] в которой описывается новый метод определения и контроля параметров изоляции,позволяющий проводить измерения без отключения линии. Определение проводимости изоляции относительно земли в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью предлагается осуществлять методом, основанном на искусственном получении напряжения нулевой последовательности с помощью включения дополнительной активной проводимости в одну из фаз электрической сети.

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете вопросом определения пробоя фазы на землю в сетях с изолированной нейталью занимаются Черноус Е.В. «О динамических свойствах быстродействующего алгоритма выбора поврежденной фазы сети с изолированной нейтралью» [2] описан быстродействующий способ и алгоритм выбора (идентификации) поврежденной фазы сети с изолированной нейтралью, а также исследована устойчивость работы алгоритма определения поврежденной фазы в сети с изолированной нейтралью в условиях воздействия помех и искажений реальной сети, обусловленных ее динамическим режимом при возникновении утечки, а также высшими гармониками в составе потенциала нейтрали.

Черноусом Е.В. Богдановым Д.А. разработан новый способ определения поврежденной фазы в сети с изолированной нейтралью, описанный в работе «быстродействующий способ определения поврежденной фазы шахтной участковой сети» [3] Сущность метода основана на гипотезе о синусоидальном изменении потенциала нейтрали и заключается в определении его аргумента (начальной фазы) по двум смежным точкам мгновенного значения.

Также вопросами управления режимом нейтрали при замыкании на землю занимались Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва. В их работе «Управление режимом нейтрали 6 кВ при замыкании фазы на землю» [5] предлагается техническое решение по повышению надежности функционирования электрооборудования сетей 6 – 10 кВ при дуговых замыканиях фазы на землю. Суть технического решения заключается в автоматическом шунтировании поврежденной фазы и перевод сети в режим искусственного глухого замыкания на землю, также предлагается схема реализации этого решения.

Также Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Коваленко Е.В., Маслова А.И., в работе «Математическое моделирование переходных процессов в распределительных сетях 6 – 10 кВ» [6] разработана математическая модель системы электроснабжения напряжением 6 – 10 кВ, особенностью которой является использование дискретных моделей ее элементов. Дискретная модель обеспечивает высокую численную устойчивость решения систем дифференциальных уравнений и может быть рекомендована для анализа перенапряжений и поведения устройств релейной защиты электрических сетей при глухих и дуговых замыканиях на землю.

4. Выбор метода

В различных способах определения пробоя 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 [7], 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 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 [8], 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.

В [1] описан быстродействующий способ решения этой проблемы.

Метод основаный на гипотезе о синусоидальном изменении потенциала нейтрали [3], 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:

формула (1);                                                    (1)

формула (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):

формула (3);                                            (3)

формула (4);                                                      (4)

Из анализа (3) и (4) следует, что 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 нужно убрать. Это можно определить проверкой в (1) или (2). Производная y'(ψ) всегда положительна. Следовательно, функция y(ψ) всегда возрастает и в пределах периода (0…π) имеет только один корень, который легко выделить, воспользовавшись свойством функции (3), она имеет разрывы второго рода при значениях аргумента ψ, отвечающих условию ω∙t1 + Δωt + ψ = 0, π, 2π и т. д.

Недостаток первого варианта заключается в низкой точности определяемого аргумента ψ на который влияют динамические составляющие переходного режима, которым сопровождается процесс возникновения утечки, а также наличием высших гармоник, и других факторов. Основное достоинство метода это простота выделения корней зависимости (4)

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:

формула (5);       (5)

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

В отличие от первого варианта решение (5) требует четырех значений потенциала нейтрали, снятых через равные интервалы Δωt. В результате приходим к системе из четырех уравнений:

формула (6),         (6)

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

анимация переходного процесса в сети, возникающего при замыкании фазы на землю

Рис.1 Анимация переходного процесса в сети, возникающего при замыкании фазы на землю.
Анимация состоит из 7 кадров с задержкой в 100 мс между кадрами; задержка до повторного воспроизведения составляет 200 мс; количество циклов воспроизведения ограничено 6-ю. Объем анимации составляет 139 кб.

Выводы

1. Обоснована актуальность проблемы и выбор параметров, которые следует контролировать.

2. Выполнен анализ существующих методов и средств определения пробоя фазы на землю в сетях с изолированой нейтралью.

3. Выбран и обоснован метод измерения.

При написании данного реферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2012 г.

Список источников

  1. Чeрноус Е.В., Об альтернативном варианте защиты шахтной участковой сети от однофазной утечки // Электричество. ­ 2009. ­ №8. ­ C.33 – 36.
  2. Чeрноус Е.В., О динамических свойствах быстродействующего алгоритма выбора поврежденной фазы сети с изолированной нейтралью // Наукові праці Донецького національного технічного університету № 10(180), 2011
  3. Чeрноус Е.В., Богданов Д.А. Быстродействующий способ определения повреждений фазы шахтной участковой сети // 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.
  4. Ф.П. Шкрабец, Д.В. Цыпленков, А.И. Ковалев, М.С. Кириченко Параметры изоляции распределительных сетей: контроль и управление // Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №1
  5. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Махинда Сильва Управление режимом нейтрали 6 кВ при замыкании фазы на землю // Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 127.  Харьков: ХГПУ. 2000. С. 91 – 96.
  6. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К., Коваленко Е.В., Маслова А.И. Математическое моделирование переходных процессов в распределительных сетях 6 – 10 кВ // Электроэнергетика и преобразовательная техника: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Выпуск 127.  Харьков: ХГПУ. 2000. С. 96 – 99.
  7. А.с. СССР N 1379857, H 02 H 3/16, опубл. в 1988, БИ N 9.
  8. А.с. СССР N 943959, H 02 H 3/16, опубл. в 1982, БИ N 26.
  9. 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
  10. Электронная библиотека Aalto University [электронный ресурс] – режим доступа: http://lib.tkk.fi/Diss/2001/isbn9513859614/isbn9513859614.pdf