ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Електричні мережі можуть бути з заземленою або ізольованою нейтраллю.Мережі 6, 10 і 35 кВ працюють з ізольованою нейтраллю трансформаторів.Мережі 660, 380 і 220 В можуть бути як з ізольованою, так і з заземленою нейтраллю. Навіть при хорошій ізоляції струмоведучих частин мережі від землі, у провідників є зв'язок із землею. Ізоляція струмоведучих частин має певний опір по відношенню до землі, зазвичай виражається в МОм, тобто через ізоляцію провідників і землю проходить струм, але в нормальних умовах ізоляції цей струм невеликий, і називається струмом витоку. Ще один зв'язок утворюється ємністю провідників мережі по відношенню до землі.Фази мережі і землю можна представити як дві обкладки конденсатора. У повітряних лініях провідник і земля - це обкладки конденсатора, а повітря між ними – діелектрик. У кабельних лініях обкладками конденсатора є жила кабелю і металева оболонка, поєднана з землею, а діелектриком – ізоляція.Змінна напруга призводить до виникнення і проходження через конденсатори змінних струмів. Ці струми називають ємнісними, в справній мережі рівномірно розподілені по довжині дротів і в кожній окремій ділянці також замикаються через землю. Чим більше довжина мережі, тим більшу величину мають струми витоку і ємнісні струми. Пробій фази на землю в мережах з ізольованою нейтраллю небезпечний, тим що ємнісні струми можуть стати досить великими і небезпечними. Наприклад при пробої ізоляції однієї з фаз на землю на незаземленому корпусі приладу може виникнути напруга, рівна напрузі фази, і при дотику струм через пошкоджену ізоляцію проходить через землю, людину і за допомогою ємнісних струмів замикається на фазу, тобто виникає замкнутий ланцюг, в якому протікають великі струми, які є смертельними.

1. Актуальність теми

Пристрої захисту від пробою фази на землю в мережах з ізольованою нейтраллю в тому числі і через високоомні навантаження мають велике значення, тому що дозволяють запобігти аварійної ситуації і врятувати життя людині, а також зменшити ризик пошкодження обладнання. Існує велика кількість різних пристроїв і методів для захисту від пробою на землю але всі вони працюють не ідеально і мають свої переваги і недоліки, тому розробка нових засобів захисту є актуальною.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Основною метою магістерської роботи є розробка системи визначення пошкодженої фази в промислових мережах з ізольованою нейтраллю, яка буде призначена для достовірного виявлення замикань на землю в шахтних трифазних мережах напругою до 1 кВ.

Основні задачі дослідження:

  1. Аналіз характеристик промислових трифазних мереж, як об'єкта дослідження.
  2. Аналіз процесів протікають при замиканні на землю через високоомних навантаження і низькоомних навантаження.
  3. Моделювання процесів, що протікають при замиканні на землю.
  4. Аналіз наявних методів визначення пошкодженої фази за допомогою побудованої моделі.
  5. Побудова на підставі даних моделювання працездатного алгоритму визначення пошкодженої фази.

Об'єкт дослідження: трифазна електрична мережа з ізольованою нейтраллю.

Предмет дослідження: контроль параметрів трифазної мережі з ізольованою нейтраллю.

3. Огляд досліджень та розробок

Сучасні методи визначення пробою фази на землю використовують різні підходи і дають близькі результати. З кожним роком кількість розробок і методів, що застосовуються у виробництві, зростає.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Значний внесок у розробку сучасних методів визначення замикань на землю в мережах з ізольованою нейтраллю зробив Seppo Hanninen, Helsinki University of Technology [10]. Ним розроблений метод надійного визначення високоомних замикань на землю в мережах з ізольованою нейтраллю, а також визначення місця пошкодження мережі. Основною ідеєю є аналіз перехідних процесів, що виникають при пробої фази, аналіз перехідного процесу грунтується на класичних методах розрахунку диференціальних рівнянь, а також хвильових і методах нейронних мереж для оцінки відстані до короткого замикання.

3.2 Огляд національних джерел

На національному рівні розробкою нових методів контролю та управління параметрами ізоляції розподільних мереж займаються в Національному гірничому університеті (НГУ). Ф.П. Шкрабецом, Д.В. Ципленкова, А.І.Ковальовим, М.С. Кириченко написана робота «Параметри ізоляції розподільних мереж: контроль і управління» [4] в якій описується новий метод визначення і контролю параметрів ізоляції, що дозволяє проводити вимірювання без відключення лінії. Визначення провідності ізоляції відносно землі в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю пропонується здійснювати методом, який полягае в штучному одержанні напруги нульової послідовності за допомогою включення додаткової активної провідності в одну з фаз електричної мережі.

3.3 Огляд локальних джерел

У Донецькому національному технічному університеті питанням визначення пробою фази на землю в мережах з ізольованою нейталью займаються Чорноус О.В. «Про динамічні властивості швидкодіючого алгоритму вибору пошкодженої фази мережі з ізольованою нейтраллю» [2] описаний швидкодіючий спосіб і алгоритм вибору (ідентифікації) пошкодженої фази мережі з ізольованою нейтраллю, а також досліджено стійкість роботи алгоритму визначення пошкодженої фази в мережі з ізольованою нейтраллю в умовах дії перешкод і спотворень реальної мережі, обумовлених її динамічним режимом при виникненні витоку, а також вищими гармоніками в складі потенціалу нейтралі.

Чорноусом Є.В. Богдановим Д.А. розроблено новий спосіб визначення пошкодженої фази в мережі з ізольованою нейтраллю, описаний в роботі «швидкодіючий спосіб визначення пошкодженої фази шахтної дільничної мережі» [3] Суть методу полягає в гіпотезі про синусоїдальну зміну потенціалу нейтралі і полягає у визначенні його аргументу (початкової фази) за двома суміжних точкам миттєвого значення.

Також питаннями управління режимом нейтралі при замиканні на землю займалися Сивокобиленко В.Ф., Лебедєв В.К., Махінда Сільва. В їх роботі «Управління режимом нейтралі 6 кВ при замиканні фази на землю» [5] пропонується технічне рішення щодо підвищення надійності функціонування електрообладнання мереж 6 – 10 кВ при дугових замиканнях фази на землю.Суть технічного рішення полягає в автоматичному шунтуванні ушкодженої фази і переключення мережі в режим штучного глухого замикання на землю, також пропонується схема реалізації цього рішення.

Також Сивокобиленко В.Ф., Лебедєв В.К., Коваленко О.В., Маслова А.І., в роботі «Математичне моделювання перехідних процесів в розподільних мережах 6 – 10 кВ» [6] розроблено математичну модель системи електропостачання напругою 6 – 10 кВ, особливістю якої є використання дискретних моделей її елементів. Дискретна модель забезпечує високу чисельну стійкість рішення систем диференціальних рівнянь і може бути рекомендована для аналізу перенапруг і поведінки пристроїв релейного захисту електричних мереж при глухих і дугових замиканнях на землю.

4. Вибір методу

У різних способах визначення пробою 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 [7], при якому вимірюють (за допомогою датчиків) напругу нульової послідовності, одну з лінійних напруг мережі і різницю фаз між ними – початкову фазу напруги нульової послідовності, контролюють відповідність (за допомогою порогового розділювача сигналів ) значення початкової фази напруги нульової послідовності опорним фазовим проміжкам завбільшки 90o, заданим для кожної фази мережі і включає в себе значення початкової фази відповідної фазної напруги, і визначають пошкоджену фазу мережі – фіксують фазу мережі як пошкоджену, по виявленій відповідності.

Спосіб має низьку чутливість до витоків через обмеження опорних фазових проміжків завбільшки 90o. Реальна величина області зміни початкової фази напруги нульової послідовності при однофазних 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 витоків потрібне розширення опорних фазових проміжків.

У найбільш близькому до пропонованого способі визначення пошкодженої фази на землю у трифазній мережі з ізольованою нейтраллю, реалізованому в [8], вимірюють напругу нульової послідовності (блоком виміру напруги нульової послідовності, включеним між штучною нульовою точкою мережі і землею), формують з затримкою (на елементі затримки) сигнал про появу небезпечного витоку на землю щодо збільшення напруги нульової послідовності (виявляються амплітудним селектором), а також для кожної фази мережі задають опорний фазовий проміжок не більше 120o (за допомогою формувачів опорних імпульсів, названих в оригіналі інформаційними, що перетворюють фазні напруги в імпульси, тривалістю яких задаються опорні фазові проміжки), що включає в себе значення початкової фази живлячої фазної напруги, контролюють відповідність опорному 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, по виявленню згаданого відповідності при наявності сигналу про появу небезпечної витоку на землю (логічним елементом І, виявляють збіг у часі виявленої відповідності та сигналу про появу небезпечного витоку на землю) .

Спосіб дозволяє призначати опорні фазові проміжки з максимально можливою величиною – 120o, при перевищенні якої порушується однозначність визначення пошкодженої фази в трифазній мережі. Це забезпечує необхідну за умовами електробезпеки чутливість до небезпечного 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 високоомним небезпечним 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 пошкодженої 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 межі опорного фазового проміжку, що відноситься до пошкодженої фазі мережі. У результаті сусідня фаза мережі помилково визначається як пошкоджена. Усунення розглянутого недоліку можливо шляхом перевірки результату визначення пошкодженої фази на достовірність. Однак просте повторення операцій способу з метою такої перевірки неприйнятно через додаткові витрати часу, неприпустимі при визначенні ушкодженої фази мережі з низькоомним, найбільш небезпечним витоком на землю.

В [1] описаний швидкодіючий спосіб вирішення цієї проблеми.

Метод, який полягає в гіпотезі про синусоїдальну зміну потенціалу нейтралі [3], полягає у визначенні його аргументу (початкової фази) по двом суміжним точкам миттєвого значення uN (t1) і uN (t1 + Δt). Якщо різниця по фазі між цими точками Δωt фіксована і складає від 10 до 20 градусів, задача зводиться до розв'язання системи:

формула (1);                                                    (1)

формула (2);                                                    (2)

де UNmax, ψ, – відповідно амплітуда і початкова фаза (аргумент) потенціалу нейтралі відносно землі. Виключивши з (1) і (2) амплітуду UNмах, отримуємо функцію y (ψ) та її похідну y '(ψ):

формула (3);                                            (3)

формула (4);                                                      (4)

З аналізу (3) і (4) випливає, що 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 потрібно прибрати. Це можна визначити перевіркою в (1) або (2). Похідна y '(ψ) завжди позитивна. Отже, функція y (ψ) завжди зростає і в межах періоду (0 ... π) має тільки один корінь, який легко виділити, скориставшись властивістю функції (3), вона має розриви другого роду при значеннях аргументу ψ, що відповідають умові ω ∙ t1 + Δωt + ψ = 0, π, 2π і т. д.

Недолік першого варіанту полягає в низькій точності визначається аргументу ψ на який впливають динамічні складові перехідного режиму, яким супроводжується процес виникнення витоку, а також наявністю вищих гармонік, та інших факторів. Основна перевага методу це простота виділення коренів залежності (4).

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:

формула (5);       (5)

де α  – момент (кут) виникнення витоку; τ  – стала часу експоненціальной складової.

На відміну від першого варіанта рішення (5) вимагає чотири значення потенціалу нейтралі, знятих через рівні інтервали Δωt. В результаті приходимо до системи з чотирьох рівнянь:

формула (6),         (6)

де t1 – момент першого відліку; k = 0 ... 3 – точки, що визначають наступні три відліка.

анімація перехідного процеса в мережі, виникаючого при замыкані фази на землю

Рис.1 Анімація перехідного процеса в мережі, виникаючого при замыкані фази на землю.
Анімація складаеться з 7 кадрів з затримкою в 100 мс між кадрами; затримка до повторного програвання складає 200 мс; кількість циклів програвання обмежено 6-а. Об'єм анімації складае 139 кб.

Висновки

  1. Обгрунтовано актуальність проблеми і вибір параметрів, які слід контролювати.
  2. Виконано аналіз існуючих методів і засобів визначення пробою фази на землю в мережах з ізольованістю нейтраллю.
  3. Обрано та обгрунтовано метод вимірювання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  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