Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора после указанной даты.

Содержание

Введение

В связи с ростом автоматизированных процессов в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и объектов жилищно-коммунального хозяйства напрямую связано увеличением количества и повышением мощности объектов, являющихся источниками возгорания. В роли источников возгорания очень часто выступают горючие материалы (вещества), нагретые до высокой температуры, детали и узлы электротехнических изделий, а также возникающие в аварийных режимах электрические дуги, искры, выброс газов и т. п. В этих условиях основным, а часто единственным способом предотвращения пожаров является отказ от использования источников возгорания или снижение их энергии до безопасного уровня. Во многих промышленно-развитых странах около 20–25 % общего числа ежегодно происходящих пожаров составляют пожары, возникающие из-за неисправности или неправильной эксплуатации электротехнических устройств, при этом сохраняется тенденция роста таких пожаров [4].

1. Актуальность темы

В различных отраслях промышленности и народного хозяйства происходят пожары, причинами которых являются перегрузки кабельных изделий. По статистике, наиболее пожароопасными электротехническими изделиями являются кабельные изделия. Когда нагрузка превышает допустимое значение, сила тока резко возрастает, что приводит к нагреванию провода и оплавлению изоляции. В свою очередь, это может привести к возникновению короткого замыкания. А последствия такой ситуации предсказуемы – открытый огонь и пожар! [3]

Техническую основу для обеспечения безопасности электроустановок составляют предохранители и автоматические выключатели, которые используют для защиты систем внешнего электроснабжения. Однако, несмотря на совершенствование защитной аппаратуры эффективность существующей энергосистемы остается на низком уровне. Одной из причин является сложность реализации чувствительной защиты. Так же низкая эффективность защиты обуславливается разбросом характеристик срабатывания предохранителей и автоматических выключателей. Реальное время срабатывания защиты может значительно отличаться из-за наличия зоны разброса. Временная селективность состоит в настройке различных временных выдержек (уставок) в аппаратах защиты, находящихся на различных уровнях системы электроснабжения и реагирующих на сверхток, возникающий в цепи. Чем ближе расположен аппарат к источнику, тем больше должно быть его время задержки срабатывания (больше уставка). Допустим такую ситуацию, по какой-либо причине отказал выключатель, стоящий ближе к электроприемнику, а выключатель, стоящий за ним выше, не отключает своевременно цепь. В то время, как отключался групповой выключатель, кабель находящийся непосредственно у приемника – сгорел. Очевидным недостатком временной селективности помимо существования вышеизложенных границ применения, является также необходимость затрачивания некоторого времени на ожидание решения системы защиты электроустановки. Это время ожидания является необходимым, исходя из самого принципа организации данного метода. При этом система электроснабжения подвергается действию аварийного тока, что приводит к дополнительному износу оборудования и более высоким требованиям к его термической и динамической стойкости. Уменьшение времени ожидания на ступенях временной задержки возможно при уменьшении разброса значений во время-токовых характеристиках автоматических выключателей (повышение точности срабатывания), что, безусловно, связано со значительным увеличением себестоимости оборудования. Применение в аппаратах микропроцессорных расцепителей, также связанное с увеличением себестоимости, позволяет повысить быстродействие системы защиты за счет увеличения точности работы. Следует отметить, что, несмотря на очевидные недостатки данного метода, он применяется для согласования защитных характеристик аппаратов в подавляющем большинстве электроустановок [1].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является рассмотрение алгоритмов работы токовой защиты, так же попытка реализации защиты на базе микроконтроллера

Основные задачи исследования:

  1. Проведение эксперимента на предмет нагрева кабеля
  2. Анализ и систематизация результатов реального эксперимента
  3. Построение теоретических кривых эксперримента для других марок и сечений кабелей
  4. Расчет постоянных времени нагрева кабеля
  5. Использование полученных результатов для реализации токовой защиты

3. Влияние разброса характеристик

Основная функциональная характеристика любого аппарата защиты электрических проводок является его времято-ковая характеристика (ВТХ). Она типовая, т.е. относится не к одному аппарату защиты, а к серии подобных. Ее изображают графически в каталогах или паспортных данных для серии аппаратов. Поскольку в действительности наблюдаются существенные отклонения от средних значений характеристик, вызванных производственными и эксплуатационными факторами (допуск на качество материала термоэлементов и контактов, различное старение элементов защиты и т. п.), ВТХ изображают не одной линией, а полосой между нижней и верхней границами, в пределах которой лежит возможное время отключения конкретного отдельно взятого аппарата. Зона между верхней и нижней границами ВТХ является зоной неопределенности. Внутри этого диапазона аппараты защиты одной серии могут сработать за разный промежуток времени, находящийся в указанной зоне. Известно, что при выборе аппаратов защиты электропроводок необходимо учитывать взаимное расположение ВТХ аппаратов защиты и тепловых характеристик кабельных изделий. Однако до настоящего времени нет методики выбора аппаратов защиты, учитывающей данный подход. ВТХ аппаратов защиты являются известной технической характеристикой изделия, в то время как тепловые характеристики кабельных изделий остаются неизвестными. лектропроводок. Защиту кабельной линии от пожароопасного протекания сверхтока возможно осуществить на стадии проектирования электрической сети лишь при соответствующей координации ВТХ аппарата защиты с тепловой характеристикой кабельного изделия. Тепловая характеристика кабельного изделия должна располагаться выше ВТХ аппарата защиты во всем диапазоне работы, в этом случае время полного отключения аппарата защиты меньше времени достижения 0 защищаемым элементом сети предельно допустимой температуры, аппарат защиты обеспечивает отключение аварийного режима в кабельном изделии. При расположении тепловой характеристики кабельного изделия ниже ВТХ аппарата защиты пожарная безопасность кабельного изделия в аварийном режиме работы не обеспечивается. В случае расположения тепловой характеристики кабельного изделия в полосе разброса ВТХ аппаратов защиты одной серии обеспечение пожарной безопасности проводника будет зависеть от индивидуальной характеристики отдельно взятого аппарата защиты. Изложенный подход по оценке обеспечения пожарной безопасности кабельных изделий положен в основу разработанной методики выбора аппаратов защиты, позволяющей учитывать время отключения и температуру проводника [5].

4. Моделирование эксперимента

pic1

Рис. 1 – Сечение кабеля ВВГ 2х4

Численное моделирование тепловой задачи проводится в области, занимаемой жилой, изоляцией и оболочкой с учетом условия симметрии по линии АА. Промежуток области между оболочкой и изоляцией (на рис. 1 область 4) заполнен воздухом. Теплофизические параметры его задаются постоянными и соответствующими условиям при температуре 20 °С – плотность 1,23 кг/м3, теплопроводность 2,6 · 10-2 Вт/(м·К), теплоемкость 103 Дж/(кг·К). Физические свойства изоляции и оболочки предполагаются одинаковыми, соответствующими поливинилхлориду. На внешней границе кабеля задается условие свободно-конвективного теплообмена с окружающей средой, на линии симметрии граничное условие состоит в равенстве нулю по перечной компоненты теплового потока. В момент включения тока кабель имеет температуру внешнего воздуха. Коэффициент свободно-конвективного теплообмена двужильного кабеля можно аппроксимировать соотношением для горизонтального цилиндра эллиптического сечения. В зависимости от ориентации большой оси различают горизонтально и вертикально расположенный эллипс. Для горизонтально расположенного эллипса с размером большой полуоси b = 5,2 · 10-3 м, а отношением полуосей c / b = 0,615.

Для создания защиты от перегрузок и коротких замыканий моделируется процесс нагрева кабеля в программе Elcut, а именно необходима база данных для типов кабелей и их сечений. Для каждого сечения моделируется процесс нагрева кабеля, вычисляются температуры в характерных точках кабеля, рассчитывается постоянная времени нагрева. Численное моделирование тепловой задачи проводится в области занимаемое жилой, изоляцией и оболочкой с учетом условия симметрии. В качестве примера рассматривается кабель ВВГ 2х4. Диаметр медной жилы 2Rw=2,6 · 10-3 м, толщина изоляции ΔRи = 7 · 10-3 м, толщина оболочки ΔRоб = 1,2 · 10-3 м. Суммарная толщина оплетки ΔR = ΔRи + ΔRоб = 1,9 · 10-3 м. [2]

Однако, для построение кривых производится для одной или нескольких ответственных точек в зависимости от задач эксперимента. При построении кривых принимается точке в центре сечения токоведущей жилы. Однако, следует привести ряд температур во времени для некоторых других точек, чтобы сопоставить различия температур в зависимости от удаленности от токоведущей жилы. На рис. 3 приведена схема расположения исследуемых точек нагрева кабеля. Для данных точек будут производиться расчеты зависимостей температур от времени нагрева.

pic2

Рис. 2 – Результат нагрева кабеля ВВГ 2x4 до установившегося режима (анимация: 7 кадров, 12 циклов повторения, 69 килобайт)

pic3

Рис. 3 – Схема расположения исследуемых точек

Значение в 65 °С принимается как допустимая температура нагрева кабеля. Точки пересечений зависимостей температуры от времени с допустимой температурой обозначают время нагрева кабеля при конкретном токе за определенный промежуток времени. Следует обратить внимание, что на рис. 4 представлены по две кривые для токов 19, 38 и 57 А экспериментальная и теоретическая. Экспериментальная кривая строится по данным, полученным, при помощи моделирования в среде Elcut.

Сам процесс нагрева в среде Elcut имитируется путем установления зависимости объемной плотности тепловыделения (Q) от температуры (T). Зависимость можно получить следующим способом: q = (I / S)2ρ

где I – действующее значение тока жилы [A],

S – площадь поперечного сечения [мм2],

ρ – удельное сопротивление материала жилы [Ом/м].

При выборе произвольных точек зависимости следует учитывать величину тока, для которой подбирается зависимость, так как скорость установления переходного процесса будет изменяться. Для того, чтобы знать кривую нагрева реального кабеля, проводились испытания на экспериментальном стенде. С помощью экспериментальных данных мы можем прогнозировать время становления установившегося режима, тем самым подобрать теоретическую кривую для нашей модели в Elcut. Как только мы получили модель для одного вида кабеля с конкретным сечением на конкретный ток, мы изменяем параметры зависимости объемной плотности тепловыделения от температуры по формуле выше на другую кратность тока, тем самым повторяем эксперимент. Такую же операцию необходимо повторить для других видов кабелей. Так же стоит задача получить оценочные данные по нагреву проводника в зависимости от его типа прокладки. Например, кабель проложен в траншее или же блоке, канале или вовсе в туннеле. Каждый способ прокладки по-своему влияет на степень охлаждения кабеля. На основании результатов расчета модели мы сможем рассчитать постоянные времени нагрева кабелей, которые необходимы для создания самой токовой защиты. Cравнить полученные результаты экспериментальные на стенде и теоретические, полученные с помощью моделирования, сможем по формуле:

pic4

где Tу – температура установившегося режима (стационарная), вычисляется при помощи моделирования или экспериментально,

ti – время для которого рассчитывается температура, при моделировании температуры рассчитывались с шагом в 20 с,

T – постоянная времени нагрева, это время, за которое кабель нагреется до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду,

T0 – температура окружающей среды.

Выводы

Разработанная модель позволит учесть зависимость теплофизических и электрических свойств материала кабеля от температуры, проследить за изменением температуры жилы и изоляции во времени, имеет возможность описания динамики процессов при меняющейся во времени силе тока. Выполненные расчеты стационарных температур позволят составить базу постоянных нагрева кабелей разных марок и сечений, что поможет при анализе алгоритмов работы устройства токовой защиты.

Список источников

  1. Электроснабжение и энергосбережение. Донецк – 2018 : доклады вузовской научной конференции.
  2. Аушев И.Ю, Станкевич Ю.А, Степанов К.Л. Динамика нагрева многожильного изолированного проводника электрическим током. // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь, № 2 (16), 2012.
  3. Современные проблемы электроэнергетики. Алтай – 2014 : сборник статей II.
  4. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок, — М.: ООО КАБЕЛЬ, 2009. — 328 с.
  5. Черкасов, В. Н. Пожарная безопасность электро-установок: учеб. / В. Н. Черкасов, Н. П. Костарев. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2002. – 377 с.
  6. Аушев, И. Ю. Анализ существующей методики выбора аппаратов защиты с точки зрения обеспечения пожарной безопасности электропроводки / И. Ю. Аушев // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. – 2008. – № 2 (24). – С. 71–81.
  7. Аушев, И. Ю. Выбор аппаратов защиты электропроводок с учетом времятоковых характеристик / И. Ю. Аушев // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2009. – № 3. – С. 35–41.