ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Розвиток електрифікації та автоматизації різних галузей народного господарства сприяло становленню сучасного високомеханізованого виробництва, в умовах якого взаємодія багатьох категорій працівників з електроустановками стало повсякденним.

В умовах масового використання електроустановок велике значення набувають питання захисту обслуговуючого персоналу та інших осіб, пов'язаних з експлуатацією електроустановок, від ураження струмом.

Забезпечення електробезпеки є складною проблемою, яка залежить від виконання комплексу технічних і організаційних захисних заходів, що пропонуються діючими правилами і нормами. При вирішенні цього завдання необхідно одночасно вирішувати іншу – забезпечення безперебійності електропостачання.

Для вирішення цього завдання широко використовується захисне шунтування однофазних ушкоджень електроустановок, суть якого полягає в автоматичному штучному заземленні пошкодженої фази. Пристрій вибору пошкодженої фази – один з блоків системи необхідної для забезпечення електробезпеки і безперебійності електропостачання. Пристрій є тією "інтелектуальної" частиною системи, яка визначає пошкоджену фазу і приймає рішення про відключення саме пошкодженої фази.

1. Актуальність.

Забезпечення електробезпеки електроустановок є важливим і відповідальним завданням. Актуальність даної задачі не може викликати сумнівів. Для пристроїв захисту ставляться високі вимоги по швидкодії і надійності. Неправильна робота, несвоєчасна реакція таких систем може призвести до загибелі людини. Захисні системи повинні розвиватися і вдосконалюватися з розвитком електроніки, нових методів і принципів. У інформаційний вік, століття цифрової електроніки, подібні системи повинні набувати рис інтелектуальних систем. Висока швидкодія захисних систем може зменшити збиток нанесений людині потрапив під напругу електроустановки, надійність спрацьовування, хороша стійкість – зменшити кількість помилкових спрацьовувань, а значить не заважати виробничому процесу.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати.

Мета роботи – розробити та дослідити швидкодіючу систему ідентифікації пошкодженої фази.

Вимоги до даної системи суперечливі. З одного боку необхідно максимальну швидкодію (людина під напругою). З іншого боку, випадкове шунтування неушкодженою, "здорової" фази до спрацьовування захисного відключення неприпустимо. Це визначає завдання дослідження:

  1. Розробити алгоритм, що реалізує швидкодіючий спосіб визначення пошкодженої фази;
  2. Розробити математичну модель алгоритму;
  3. Дослідити межі надійної працездатності алгоритму;
  4. Дослідити і звести до мінімуму вплив дестабілізуючих факторів;
  5. Виконати дослідний зразок системи і провести її експериментальне дослідження в лабораторних умовах.

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

Предмет дослідження: швидкодіючий і надійний метод визначення пошкодженої фази.

3. Огляд досліджень і розробок.

Пристрої вибору пошкодженої фази (УВФ) є одним з найбільш відповідальних блоків систем захисного шунтування. Внаслідок високої функціональної відповідальності УВФ принципи їх побудови та схеми реалізації розроблені найбільш повно порівняно з іншими блоками пристроїв захисного шунтування. В даний час розроблено класифікацію УВФ [1] по виду величин, на які реагують вимірювальні органи:

У сучасні методи ідентифікації пошкодженої фази величезний внесок вніс Seppo Hanninen, Helsinki University of Technology [2]. Запропонований ним метод має високу чутливість і придатний для визначення високоомних замикань. Метод заснований на аналізі перехідних процесів, що виникають при пошкодженні фази, також реалізована можливість локалізації місця пошкодження на аналізі хвильових процесів в мережі.

У Донецькому національному технічному університеті темою визначення пошкодженої фази в мережах з ізольованою нейтраллю займається Чорноус Є.В. Він є автором безлічі статей, їм запропоновано метод швидкого визначення пошкодженої фази в мережах з ізольованою нейтраллю.

4. Поточні результати роботи.

На момент написання даної статті було розроблено аналітичний метод визначення фази. Метою було підвищення швидкодії системи ідентифікації пошкодженої фази шляхом заміни ітераційних методів розв'язання на аналітичне рішення.

Відомий швидкодіючий спосіб визначення пошкодженої фази з витоком струму на землю [Патент UA на КМ № 51307, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, опубл. 12.07.2010] , сутність якого полягає в наступному:

  1. Пошкоджена фаза визначається шляхом зіставлення аргументу (початкової фази) потенціалу нейтралі φ з опорними фазовими інтервалами.
  2. В моменти часу t та t+Δt, виконується зчитування двох миттєвих значень потенціалу нейтралі u1 та u2. Після перевірки умови

    Формула 1

    необхідної для уникнення значних похибок зчитування в області, де потенціал нейтралі близький до нуля, його аргумент φ, як проміжний результат, обчислюється шляхом вирішення системи рівнянь:

    Формула 2

    де u1, u2, Umax, φ, Δωt – відповідно миттєві значення, амплітуда, початкова фаза (аргумент) потенціалу нейтралі відносно землі та фіксована різниця по фазі, що знаходиться в межах від 10 до 20 градусів/

  3. Система (2,3) приводиться до рівняння

    Формула 3

    яке в межах періоду 0…2π має два корені, один з яких сторонній. Після виділення інтервалу, що містить лише один корінь, рівняння (4) вирішується будь-яким з ітераційних методів. З двох можливих коренів φ1 и φ2 = φ1+π, вибирається той, що відповідає умові:
    Формула 4

    де uNQ – миттєве розрахункове значення амплітуди потенціалу нейтралі в системі (2, 3) для даної вибірки даних u1 та u2.
  4. Проміжні результати обчислення φ слідують один за другим з частотою від 0.9 до 2.5 кГц, а рішення на спрацювання захисту (захисне шунтування) приймається на основі серії з кількох послідовних проміжних результатів, що знаходяться в межах одного й того ж опорного фазового інтервалу.
  5. Значення опорних фазових інтервалів Δφоп за умови, що система відліку визначається моментом переходу через нуль лінійної напруги uАВ при її зростанні (тобто при додатній похідній) визначаються виразом:

    Формула 5

    де і = –1, 0, 1 визначають опорні інтервали для фаз В, А, С відповідно:

    Формула 6

Недолік вказаного способу полягає в тому, що для рішення рівняння (4) необхідно виділити інтервал, в якому знаходиться тільки один корінь, після чого здійснити пошук цього кореня, застосовуючи один з ітераційних методів (метод половинного ділення, наприклад). Проте саме при виконанні ітерацій втрачається найбільше часу на визначення чергового проміжного результату, що не тільки зменшує швидкодію, але й позбавляє спосіб будь-яких надій на її підвищення.

Мета даної пропозиції полягає в тому, щоб, уникнувши ітерацій при рішенні системи (2, 3), не тільки суттєво підвищити швидкодію способу, але й за той же час одержати більше проміжних результатів. Останнє в умовах збурень та завад з боку мережі, де протікає інтенсивний динамічний режим, підвищує надійність визначення пошкодженої фази.

Мета досягається наступним. Рівняння (4) представляється у вигляді:

Формула 7

де a = u1/u2.

Складові виразу (8) зображаються векторами на комплексній площині, які обертаються з постійною кутовою швидкістю ω (тобто комплексними функціями часу або просто комплексами):

Формула 8

В виразах (9) і (10) комплекс В є одиничним по модулю, а його текуча фаза α=ωt+φ складається з початкової фази потенціалу нейтралі φ та кута ωt, пов'язаного з системою відліку. Комплекс А випереджує комплекс В на фіксований кут ωΔt, а його модуль а за половину періоду монотонно змінюється від мінус до плюс безкінечності. Проте, як витікає з (8), уявні частини цих комплексів в будь-який момент часу однакові, а отже їх різниця (вектор С) містить тільки дійсну складову:

Формула 9

Геометрична інтерпретація комплексів (9), (10) та (11) приведена на рис.1, де відрізками а, в, с, що створюють замкнутий трикутник, зображені модулі комплексів А, В, С відповідно, а кути цього трикутника безпосередньо пов'язані з аргументами цих же комплексів.

Рисунок 1 – Геометрична інтерпретація комплексів.

Рисунок 1 – Геометрична інтерпретація комплексів.

Рисунок 2 – Анімація основних положень комплексів, що впливають на вибір рішення . Основні параметри анімації: кількість кадрів – 6; обсяг – 55.6 КВ; кількість циклів повторення – 5

Рисунок 2 – Анімація основних положень комплексів, що впливають на вибір рішення . Основні параметри анімації: кількість кадрів – 6; обсяг – 55.6 КВ; кількість циклів повторення – 5

Крім того, як витікає з (11), сторона с паралельна дійсній вісі. Це дозволяє модуль с визначити, застосувавши до відрізків а, в та фіксованого кута між ними ωΔt теорему косинусів, використовуючи тільки арифметичний корінь:

Формула 10

З формальної точки зору аргумент ωt+φ вектора В, до складу якого входить і початкова фаза потенціалу нейтралі φ, можна визначити застосувавши до цього ж трикутника а, в, с (рис. 1) теорему синусів:

Формула 11

проте, представивши (13) у вигляді

Формула 12

приходимо до протиріччя. В той час як ліва частина рівняння (14) з бігом часу лінійно зростає, її права частина (арксинус) внаслідок неоднозначності цієї функції та наявності сторонніх коренів цій умові не відповідає.

Результати аналізу поведінки правої частини рівняння (14) та її складових в функції часу в межах одного періоду приведені на рисунках 2 А, В, С.

Рисунок 3 – Поведінка правій частині рівняння (14).

Рисунок 3 – Поведінка правої частині рівняння (14).

На рис. 2 А позначено:

u(t), u(t+Δt), – миттєві значення потенціалу нейтралі, що зчитуються через фіксовані моменти часу Δt (в даному дослідженні через одну двадцять четверту періоду, тобто через 150);

а(t) – відношення миттєвих значень u(t)/u(t+Δt);

с(t) – текуче значення відрізка с згідно (12);

На рис. 2 В позначено:

d(t) – текуче значення аргументу арксинуса (14), пропорціональне відношенню а(t)/с(t);

β(t) – текуче основне значення арксинуса (14).

На рис. 2 С позначено:

d'(t) – текуче значення скоригованого аргументу арксинуса (14);

β'(t) – текуче скориговане значення арксинуса, що відповідає текучому значенню вектора В;

φ(t) – текуче значення аргументу потенціалу нейтралі, одержаного на основі скоригованого значення β'(t).

Для нормального функціонування рівняння (14) і його відповідності умовам даної задачі необхідно, щоб його права частина (арксинус), так же як і ліва, являла собою лінійно зростаючу функцію. Але це можливо тільки тоді, коли аргумент арксинуса (14) також зростає монотонно і, до того ж, по синусоїдальному закону. Проте функція d(t), що приведена на рис. 2В, цій умові не відповідає. Вона має інтервали монотонного зниження, внаслідок чого функція β(t), що являє собою праву частину рівняння (14) також має інтервали монотонного зменшення (рис. 2В). Останнє не відповідає умовам поставленої задачі.

Функцію d(t) можна скоригувати таким чином, щоб вона, залишаючись синусоїдальною, була монотонно зростаючою. Для цього необхідно і достатньо змінити її знак на тих інтервалах, де функція зменшується (має від'ємну похідну), симетрично відобразивши її відносно горизонтальної вісі. Скоригована таким чином функція d'(t) і відповідне їй значення β'(t), як це витікає з рис. 2С, повністю відповідає умовам поставленої задачі.

Аналіз показує, що найпростішою ознакою для визначення моменту зміни знаку d(t) слід вважати зміну її монотонності і, зокрема, зміну в часі знаку її першої похідної. Саме ця особливість положена в основу запропонованого способу. Його функціонування при визначенні чергового проміжного значення φі полягає в наступному:

  1. Запам'ятовується попереднє значення функції d(tі-1).
  2. Зчитується чергова пара миттєвих значень u1 та u2, які перевіряються за умовою (1), при невиконанні якої зчитані дані ігноруються і п.2 повторюється.
  3. Згідно (12) обчислюється третя сторона трикутника с.
  4. Обчислюється значення d(tі), що входить до складу (14) і перевіряється умова b(tі) > b(tі-1), при невиконанні якої знак функції d(t) міняється на протилежний, тобто функція d(t) перетворюється (коригується) в функцію d'(t).
  5. Згідно (14) обчислюється аргумент φ, який уточнюється за умовою (5) і приводиться до основного інтервалу.
  6. . Одержане значення φ зіставляється з опорними фазовими інтервалами.

Аналіз показує, що рішення системи двох трансцендентних рівнянь (2, 3) без застосування ітераційних методів дозволяє не менше ніж в три рази зменшити час пошуку коренів. Це, в свою чергу, дозволяє зменшити час ідентифікації пошкодженої фази, а у випадку значних завад чи спотворень з боку мережі за той же час збільшити кількість проміжних результатів і, таким чином, підвищити надійність прийняття рішення на визначення пошкодженої фази.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року.

Список джерел

1. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок./ Шуцкий В. И., Жидков В. О., Ильин Ю. Н. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 152 с.:ил.
2. Электронная библиотека Aalto University [электронный ресурс] – режим доступа:
http://lib.tkk.fi/Diss/2001/isbn9513859614/isbn9513859614.pdf
3. Об оценке электробезопасности сети с изолированной нейтралью –Чорноус Е. В., Ковалев А. П., Чорноус В. П. // Электричество. ­ 2006. ­ №5. ­ C
4. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях – Дзюбан В. С. – М., Недра, 1982. 152 с.
5. Заявка Патент UA на корисну модель № 51307, Україна, МПК H02H 3/16, G01R 31/08, СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПОШКОДЖЕНОЇ ФАЗИ З ВИТОКОМ НА ЗЕМЛЮ В ЕЛЕКТРИЧНІЙ МЕРЕЖІ З ІЗОЛЬОВАНОЮ НЕЙТРАЛЛЮ, Чорноус Є.В., -u201000703, опубл. 12.07.2010, бюл. № 13.
6. Об альтернативном варианте защиты шахтной участковой сети от однофазной утечки // Чeрноус Е.В., – Электричество. – 2009.  – №8. – C.33 – 36.
7. О динамических свойствах быстродействующего алгоритма выбора поврежденной фазы сети с изолированной нейтралью //Чeрноус Е.В., – Наукові праці Донецького національного технічного університету № 10(180), 2011
8. Быстродействующий способ определения повреждений фазы шахтной участковой сети //Чeрноус Е.В., Богданов Д.А. – 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. .
9. ГОСТ 12.1.038 – 82. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов. Издательство стандартов, 1983
10.Научные основы (теория) электробезопасности.// Малиновский А.А., Никонец Л.А., Голубов С.В. , 2008 – 224с.