Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 р Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора після зазначеної дати.

Зміст

Вступ

У зв'язку з ростом автоматизованих процесів в різних галузях промисловості, сільського господарства і об'єктів житлово-комунального господарства безпосередньо пов'язане збільшенням кількості і підвищенням потужності об'єктів, що є джерелами загоряння. В ролі джерел загоряння дуже часто виступають горючі матеріали (речовини), нагріті до високої температури, деталі та вузли електротехнічних виробів, а також виникають в аварійних режимах електричні дуги, іскри, викид газів тощо. У цих умовах основним, а часто єдиним способом запобігання пожеж є відмова від використання джерел загоряння або зниження їх енергії до безпечного рівня. У багатьох промислово-розвинених країнах близько 20-25 % загального числа щорічно відбуваються пожеж становлять пожежі, що виникають із-за несправності або неправильної експлуатації електротехнічних пристроїв, при цьому зберігається тенденція зростання таких пожеж [4].

1. Актуальність теми

У різних галузях промисловості і народного господарства стаються пожежі, причинами яких є перевантаження кабельних виробів. За статистикою, найбільш пожежонебезпечними електротехнічними виробами є кабельні вироби. Коли навантаження перевищує допустиме значення, сила струму різко зростає, що призводить до нагрівання проводу і оплавлення ізоляції. У свою чергу, це може привести до виникнення короткого замикання. А наслідки такої ситуації передбачувані - відкритий вогонь і пожежа! [3]

Технічну основу для забезпечення безпеки електроустановок складають запобіжники і автоматичні вимикачі, які використовують для захисту систем зовнішнього електропостачання. Однак, незважаючи на вдосконалення захисної апаратури ефективність існуючої енергосистеми залишається на низькому рівні. Однією з причин є складність реалізації чутливої захисту. Так само низька ефективність захисту обумовлюється розкидом характеристик спрацьовування запобіжників і автоматичних вимикачів. Реальний час спрацьовування захисту може значно відрізнятися через наявність зони розкиду. Тимчасова селективність полягає в налаштуванні різних часових витягів (уставок) в апаратах захисту, які перебувають на різних рівнях системи електропостачання і реагують на Надструм, що виникає в ланцюзі. Чим ближче розташований апарат до джерела, тим більше повинно бути його час затримки спрацьовування (більше уставка). Припустимо таку ситуацію, з якої-небудь причини відмовив вимикач, що стоїть ближче до електроприймачів, а вимикач, що стоїть за ним вище, не відключає своєчасно ланцюг. У той час, як відключався груповий вимикач, кабель знаходиться безпосередньо у приймача - згорів. Очевидним недоліком тимчасової селективності крім існування вищевикладених меж застосування, є також необхідність затрачивания деякого часу на очікування рішення системи захисту електроустановки. Це час очікування є необхідною, виходячи з самого принципу організації даного методу. При цьому система електропостачання піддається дії аварійного струму, що призводить до додаткового зносу обладнання і більш високим вимогам до його термічної і динамічної стійкості. Зменшення часу очікування на ступенях тимчасової затримки можливо при зменшенні розкиду значень під час-струмових характеристиках автоматичних вимикачів (підвищення точності спрацьовування), що, безумовно, пов'язано зі значним збільшенням собівартості обладнання. Застосування в апаратах мікропроцесорних расцепителей, також пов'язане зі збільшенням собівартості, дозволяє підвищити швидкодію системи захисту за рахунок збільшення точності роботи. Слід зазначити, що, незважаючи на очевидні недоліки даного методу, він застосовується для узгодження захисних характеристик апаратів в переважній більшості електроустановок [1].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є розгляд алгоритмів роботи струмового захисту, так само спроба реалізації захисту на базі мікроконтролера

Основні завдання дослідження:

  1. Проведення експерименту на предмет нагріву кабелю
  2. Аналіз і систематизація результатів реального експерименту
  3. Побудова теоретичних кривих експеррімента для інших марок і перетинів кабелів
  4. Розрахунок постійних часу нагріву кабелю
  5. Використання отриманих результатів для реалізації струмового захисту

3. Вплив розкиду характеристик

Основна функціональна характеристика будь-якого апарату захисту електричних проводок є його часотокова характеристика (ЧТХ). Вона типова, тобто відноситься не до одного апарату захисту, а до серії подібних. Її зображують графічно у каталогах чи паспортними даними для серії апаратів. Оскільки в дійсності спостерігаються істотні відхилення від середніх значень характеристик, викликаних виробничими і експлуатаційними чинниками (допуск на якість матеріалу термоелементів і контактів, різне старіння елементів захисту тощо), ЧТХ зображують не однією лінією, а смугою між нижньою і верхньою межами, в межах якої лежить можливий час відключення конкретного окремо взятого апарату. Зона між верхньою і нижньою межами ЧТХ є зоною невизначеності. Усередині цього діапазону апарати захисту однієї серії можуть спрацювати за різний проміжок часу, що знаходиться у зазначеній зоні. Відомо, що при виборі апаратів захисту електропроводок необхідно враховувати взаємне розташування ЧТХ апаратів захисту і теплових характеристик кабельних виробів. Однак до теперішнього часу немає методики вибору апаратів захисту, що враховує даний підхід. ЧТХ апаратів захисту є відомою технічною характеристикою вироби, в той час як теплові характеристики кабельних виробів залишаються невідомими. лектропроводок. Захист кабельної лінії від пожежонебезпечного протікання сверхтока можливо здійснити на стадії проектування електричної мережі лише при відповідній координації ЧТХ апарату захисту з теплової характеристикою кабельного вироби. Теплова характеристика кабельного вироби повинна розташовуватися вище ЧТХ апарату захисту у всьому діапазоні роботи, в цьому випадку час повного відключення апарата захисту менше часу досягнення 0 захищається елементом мережі гранично допустимої температури, апарат захисту забезпечує відключення аварійного режиму в кабельному виробі. При розташуванні теплової характеристики кабельного вироби нижче ЧТХ апарату захисту пожежна безпека кабельного вироби в аварійному режимі роботи не забезпечується. У разі розташування теплової характеристики кабельного вироби в смузі розкиду ЧТХ апаратів захисту однієї серії забезпечення пожежної безпеки провідника буде залежати від індивідуальної характеристики окремо взятого апарату захисту. Викладений підхід щодо оцінки забезпечення пожежної безпеки кабельних виробів покладено в основу розробленої методики вибору апаратів захисту, що дозволяє враховувати час відключення і температуру провідника [5].

4. Моделювання експерименту

pic1

Рис. 1 – Перетин кабелю ВВГ 2х4

Чисельне моделювання теплової задачі проводиться в області, займаної жилою, ізоляцією і оболонкою з урахуванням умови симетрії по лінії АА. Проміжок області між оболонкою та ізоляцією (на рис. 1 область 4) заповнений повітрям. Теплофізичні параметри його задаються постійними і відповідними умовами при температурі 20 °С – щільність 1,23 кг/м3, теплопровідність 2,6 · 10-2 Вт/(м·К), теплоємність 103 Дж/(кг·К). Фізичні властивості ізоляції і оболонки передбачаються однаковими, відповідними полівінілхлориду. На зовнішній поверхні кабелю задається умова вільно-конвективного теплообміну з навколишнім середовищем, на лінії симетрії гранична умова полягає в рівності нулю по перцевої компоненти теплового потоку. У момент включення струму кабель має температуру зовнішнього повітря. Коефіцієнт вільно-конвективного теплообміну двожильного кабелю можна апроксимувати співвідношенням для горизонтального циліндра еліптичного перетину. Залежно від орієнтації великий осі розрізняють горизонтально і вертикально розташований еліпс. Для горизонтально розташованого еліпса з розміром велика піввісь b = 5,2 · 10-3 м, а відношенням півосей c / b = 0,615.

Для створення захисту від перевантажень і коротких замикань моделюється процес нагріву кабелю в програмі Elcut, а саме необхідна база даних для типів кабелів і їх перетинів. Для кожного перетину моделюється процес нагріву кабелю, обчислюються температури в характерних точках кабелю, розраховується постійна часу нагріву. Чисельне моделювання теплової задачі проводиться в області займане житлової, ізоляцією і оболонкою з урахуванням умови симетрії. Як приклад розглядається кабель ВВГ 2х4. Діаметр мідної жили 2Rw = 2,6 · 10-3 м, товщина ізоляції ΔRі = 7 · 10-3 м, товщина оболонки ΔRоб = 1,2 · 10-3 м. Сумарна товщина обплетення ΔR = ΔRі + ΔRоб = 1,9 · 10-3 м. [2]

Однак, для побудови кривих проводиться для однієї або декількох відповідальних точок в залежності від завдань експерименту. При побудові кривих приймається точці в центрі перетину струмоведучих жили. Однак, слід привести ряд температур у часі для деяких інших точок, щоб зіставити відмінності температур в залежності від віддаленості від струмоведучих жили. На рис 3 наведена схема розташування досліджуваних точок нагріву кабелю. Для даних точок будуть проводитися розрахунки залежностей температур від часу нагріву.

pic2

Рис. 2 – Результат нагріву кабелю ВВГ 2х4 до усталеного режиму (анімація: 7 кадрів, 12 циклів повторення, 69 кілобайт)

pic3

Рис. 3 – Схема розташування досліджуваних точок

Значення в 65 °С приймається як допустима температура нагріву кабелю. Точки перетину залежностей температури від часу з допустимою температурою позначають час нагрівання кабелю при конкретному струмі за певний проміжок часу. Слід звернути увагу, що на рис. 4 представлені по дві криві для струмів 19, 38 і 57 А експериментальна і теоретична. Експериментальна крива будується за даними, отриманими, за допомогою моделювання в середовищі Elcut.

Сам процес нагріву в середовищі Elcut імітується шляхом встановлення залежності об'ємної щільності тепловиділення (Q) від температури (T). Залежність можна отримати наступним способом: q = (I / S)2ρ

де I – діюче значення струму жили [A],

S – площа поперечного перерізу [мм2],

ρ – питомий опір матеріалу жили [Ом/м].

При виборі довільних точок залежності слід враховувати величину струму, для якої підбирається залежність, так як швидкість встановлення перехідного процесу буде змінюватися. Для того, щоб знати криву нагрівання реального кабелю, проводилися випробування на експериментальному стенді. За допомогою експериментальних даних ми можемо прогнозувати час становлення сталого режиму, тим самим підібрати теоретичну криву для нашої моделі в Elcut. Як тільки ми отримали модель для одного виду кабелю з конкретним перетином на конкретний ток, ми змінюємо параметри залежності об'ємної щільності тепловиділення від температури за формулою вище на іншу кратність струму, тим самим повторюємо експеримент. Таку ж операцію необхідно повторити для інших видів кабелів. Так само стоїть завдання отримати оціночні дані по нагріванню провідника в залежності від його типу прокладки. Наприклад, кабель прокладений в траншеї або ж блоці, каналі або зовсім в тунелі. Кожен спосіб прокладки по-своєму впливає на ступінь охолодження кабелю. На підставі результатів розрахунку моделі ми зможемо розрахувати постійні часу нагріву кабелів, які необхідні для створення самої струмового захисту. Cравніть отримані результати експериментальні на стенді і теоретичні, отримані за допомогою моделювання, зможемо за формулою:

pic4

где Tу – температура усталеного режиму (стаціонарна), обчислюється за допомогою моделювання або експериментально,

ti – час для якого розраховується температура, при моделюванні температури розраховувалися з кроком в 20 с,

T – постійна часу нагріву, це час, за яке кабель нагріється до сталої температури при відсутності тепловіддачі в навколишнє середовище,

T0 – Температура навколишнього середовища.

Висновки

Розроблена модель дозволить врахувати залежність теплофізичних та електричних властивостей матеріалу кабелю від температури, простежити за зміною температури жили і ізоляції в часі, має можливість опису динаміки процесів при мінливій в часі силі струму. Виконані розрахунки стаціонарних температур дозволять скласти базу постійних нагріву кабелів різних марок і перетинів, що допоможе при аналізі алгоритмів роботи пристрою струмового захисту.

Перелік посилань

  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.