автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Комбинированное устройство защиты электроустановок сельскохозяйственного назначения

На правах рукописи

Ллексанян Ирина Эдуардовна

КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 1 ноя 20 и

Брянск - 2013

005539419

005539419

Работа выполнена на кафедре «Электротехнологии» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия» (ВГБОУ ВПО Брянская ГСХА)

Научный руководитель: Безик Валерий Александрович

кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

Официальные оппоненты: Юсупов Рамазан Хабибрахманович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Робототехнические системы в АПК» ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

Виноградов Александр Владимирович

кандидат технических наук, доцент,

зав. кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО

«Орловский государственный аграрный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательноеучреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет»

Защита состоится 12 декабря 2013 года в 11.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.044.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, корп. 3, д. 16А, конферец-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г. и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МГАУ www.msau.ru «//» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Андреев С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В сельском хозяйстве большинство агрегатов, стационарных и мобильных, часто используется в сырых, неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе. Климатические, биологические факторы внешней среды отрицательно влияют на электрическую изоляцию и другие элементы электроустановок, способствуя химическому разложению материалов, потери их механической прочности и ухудшению их электрических характеристик. Низкое качество электроэнергии и плохое состояние электрических сетей приводят к возникновению аварийных режимов в электроустановках. Для обеспечения надежности электроустановок в таких условиях приходится использовать комплекс защитных и управляющих средств, что усложняет системы управления и повышает их стоимость.

Поэтому научные исследования, направленные на создание эффективных устройств, обеспечивающих повышение надежности и безопасности электрооборудования без серьезного усложнения конструкции и значительного увеличения затрат, актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Весомый вклад в исследование повышения эффективности защиты сельскохозяйственных электроустановок от аварийных и ненормальных режимов внесен учеными: Грундулисом А.О., Монаковым В.К., Сошниковым A.A., Никольским O.K., Олиным Д.М., Монаховым А.Ф., Балашовым О.П., Сомовым И.Я. и др.

Основываясь на работах этих ученых, предлагается комбинированное устройство защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения.

Исследования выполнены в лаборатории кафедры "Электротехнологии" Брянской государственной сельскохозяйственной академии.

Цель исследования. Разработка комбинированного устройства защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения.

Объектом исследования явилось комбинированное устройство защиты.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в комбинированном устройстве защиты при несимметрии напряжения, однофазных и двухфазных утечках тока, изменении сопротивления изоляции.

Для достижения цели исследования в диссертационной работе поставлены следующие научно-практические задачи:

• разработка комбинированного устройства защиты;

• разработка теоретических закономерностей, характеризующих работу комбинированного устройства защиты (КУЗО);

• экспериментальное исследование влияния параметров напряжения сети и токов утечки на порог срабатывания КУЗО;

• разработка устройства контроля и сушки обмоток электродвигателя;

• определение эффективности применения КУЗО.

Методы исследования. В работе использовались: метод фазных координат, теория электрических цепей, средства математической обработки результатов эксперимента, в частности регрессионный анализ. Научная новизна.

• Разработана математическая модель комбинированного устройства защиты, которая позволила определить теоретические закономерности, характеризующие работу комбинированного устройства защиты при несимметрии питающего напряжения;

• Разработано комбинированное устройство защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения;

• Получены закономерности, позволяющие определить параметры КУЗО и производить его настройку;

• Для предотвращения возникновения токов утечки вследствие увлажнения изоляции электродвигателей предложено устройство контроля сопротивления изоляции и автоматической сушки обмоток электродвигателей;

Практическая ценность работы.

• Разработано комбинированное устройство защиты электроустановок, защищающее от утечек тока и несимметрии питающего напряжения;

• Предложены закономерности, позволяющие вести расчет и настройку комбинированного устройства защиты;

• Разработано устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателей, позволяющее автоматически проводить сушку обмоток при их увлажнении после отключения питания электродвигателя;

• Проведенные экспериментальные исследования и апробация на предприятиях агропромышленного комплекса показали эффективность предлагаемых решений и позволяют рекомендовать их к использованию в агропромышленном комплексе.

Новизна технических решений защищена патентами РФ. Достоверность выводов и рекомендаций обусловлена использованием современных теорий, методов расчета и обработки результатов исследований, а также совпадением проверки КУЗО в лабораторных и производственных условиях с теоретическими предпосылками. Эксперименты выполнены в соответствии с действующими ГОСТами и разработанными методиками, подтвержденными актами и протоколами испытаний.

Экономическая эффективность. Результаты выполненных исследований способствуют повышению конкурентоспособности аграрного сектора экономики страны. Использование разработанного КУЗО в колхозе «Перенка» Смоленской области позволит сократить ущерб от выхода из строя электрооборудования и получить годовой экономический эффект в размере 109305 руб.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

• техническое решение, защищенное патентом РФ №95433, на полезную модель «Комбинированное устройство защиты электроустановок»;

• математические соотношения, позволяющие произвести необходимую настройку комбинированных устройств защиты с учетом взаимного влияния цепей и воздействия мешающих факторов;

• математическая модель системы «электрическая сеть -комбинированное устройство защиты - электродвигатель» в несимметричных и аварийных режимах работы;

• техническое решение, защищенное патентом РФ №2446546, на изобретение «Устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя»;

• результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена и одобрена на объединенном заседании кафедр ФГБОУ ВПО БГСХА в 2013 г. Отдельные материалы, входящие в диссертацию, стали темой докладов ежегодных и публикаций на международных научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО БГСХА (Кокино, 2009-2013 гг.), ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И.Вавилова (г. Саратов, 2010 г.), на международной научно-практической заочной конференции в филиале Вяземского ФГБОУ ВПО МГИУ (г. Вязьма, 2012 г.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК, включая 2 патента РФ: №95433 на полезную модель «Комбинированное устройство защиты электроустановок», опубликованный в бюллетене №18 27.06.2010 года и патент №2446546 на изобретение «Устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя», опубликованный в бюллетене №9 27.03.2012 года.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 170 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 13 таблиц, 8 приложений и список литературы из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов работы.

В первой главе «Состояние электрооборудования и электробезопасности объектов сельского хозяйств» дан подробный анализ общего состояния безопасности электроустановок на объектах сельскохозяйственного назначения, общее состояние электрооборудования в сельской местности на примере

конкретного района (Смоленская область, Рославльский район), обоснованы цель и задачи исследования.

На основе материалов, представленных в работах Монакова В.К., Штепана Ф., Кальваса Р., Сошникова A.A., Никольского O.K., Олина Д.М., Безика В.А., Монахова А.Ф., Балашова О.П., Сомова И.Я. и др. приведены результаты анализа средств защиты и методов их расчёта.

Проведён обзор аппаратов защиты от аварийных режимов и основные методы расчёта при аварийных и ненормальных режимах.

В сложной структуре защит электрооборудования производственных помещений (рис.1) происходит дублирование защитных функций. Ввиду особенностей отдельных потребителей и линий разнятся требования к структуре защит, параметрам их настройки. Применение традиционных узкоспециализированных защитных средств значительно усложняет схему, настройку; срабатывание одного аппарата, из-за взаимного влияния защит, приводит к отключению всей электроустановки, что приводит к мысли о необходимости объединения защит разных уровней. В первую очередь это касается защит от сетевых аварий, которые одновременно отключают всех потребителей. Применение комбинированных защитных устройств, совмещающих функции защиты от утечек тока и защиты электрооборудования позволяет учесть взаимное влияние защит, сократить число защитных средств и, тем самым, повысить надежность систем электрификации.

Рисунок 1. Система защит электрооборудования производственного помещения

Для выполнения исследований, определяемых целью и научными задачами, разработана структурно-логическая схема, которая определяет последовательность выполнения в диссертационной работе комплексных исследований КУЗО.

Во второй главе «Разработка комбинированного устройства защиты» на основе анализа защитных средств предложены комбинированные устройства защиты.

Комбинированное устройство защиты электроустановок, предназначенное для защиты от токов утечки и несимметрии напряжения на основе дифференциального трансформатора. Основой устройства является дифференциальный трансформатор с обмотками 1, 2, 3, 4, 8 (рис. 2), в который вводятся дополнительные обмотки 5, 6, 7. Также устройство содержит токоограничивающие конденсаторы, ключ К, электромагнитный исполнительный орган У.

Те же функции выполняет устройство на базе УЗО с использованием дополнительных элементов, представленное на рис. 3, 4. Оно реализовано в четырехпроводной трехфазной сети согласно схеме рис. 3. В пятипроводной сети конденсаторы С1...СЗ подключаются к выходу УЗО, а их средняя точка через стабилитроны VI, У2 и резистор Я к защитному проводнику.

Рисунок 2. Комбинированное устройство защиты

Рисунок 3. Реализация комбинированного Рисунок 4. Внешний вид комбинированного устройства защиты на базе УЗО устройства защиты в собранном состоянии

Во время эксплуатации под влиянием процессов старения, механических, тепловых и других воздействий изоляционные качества материалов, применяемых для выполнения основной изоляции, ухудшаются. Это приводит к появлению токов утечки, которые могут привести к нарушению работы электрооборудования, пробою основной изоляции, что является одной из характерных причин отказа электрооборудования, и появлению опасных напряжений на доступных металлических частях.

В соответствии с рекомендациями теоретических исследований, разработано устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя (рис.5).

Устройство содержит электродвигатель М, дифференциальный трансформатор, образованный сердечником 11, первичными обмотками 1,2,3,4,

7

вторичной 9 и дополнительными 5,6,7,8, исполнительный орган /£"1, дополнительный исполнительный орган К2, усилитель У, конденсаторы одинаковой ёмкости С1...СЗ, образующие источник токов нулевой последовательности, кнопку 561, светодиод V, резистор Я, диод УВ.

Устройство автоматически проводит сушку обмоток электродвигателя токами нулевой последовательности после отключения питания двигателя.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема устройства контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя.

В третьей главе «Теоретические исследования, положенные в основу разработанного комбинированного устройства защиты» приведены результаты комплексных исследований электрических процессов, протекающих в электрической цепи «асинхронный двигатель - комбинированное устройство защиты», «асинхронный двигатель - комбинированное устройство защиты -электрическая сеть»; определена несимметрия напряжений в фазах при различных видах нагрузки с учетом влияния КУЗО (рис. 6).

Полученные формулы иы = ^-4г)-ил и11=\\ + 4ъ)-ил позволили установить, что на нулевом проводе напряжение срабатывания г/сра6 зависит от несимметрии напряжений и сказывается на стабилитроне УБ.

Рисунок 6.

а б

Схема включения КУЗО при чередовании фаз нагрузки а) Л-Ь-С; б) Я-С-Ь

Получены математические соотношения, позволяющие произвести необходимую настройку комбинированных устройств защиты с учетом взаимного влияния цепей и воздействия мешающих факторов.

Свойства комбинированного устройства защиты описываются его уравнением срабатывания, искомой переменной в котором является ток двигателя.

где ¿ю — комплексное входное сопротивление схемы замещения двигателя;

¿„ - комплексное входное сопротивление комбинированного устройства защиты;

и - напряжение на входе схемы «комбинированное устройство защиты -асинхронный двигатель».

Применив систему уравнений (1), учитывая, что Х„х=22д« в результате получим:

о.

и„

и,.

+ 2

¿„„„

(2)

где 1А2, /„,, 1С, - токи обратной последовательности в соответствующих фазах;

илг,0 В2,ис1 - напряжения обратной последовательности в

соответствующих фазах;

полное сопротивление обратной последовательности двигателя;

7.аш- полное сопротивление сети;

2 - полное сопротивление комбинированного устройства защиты.

---■----

Рисунок 7. Схема замещения «асинхронный двигатель - комбинированное устройство защиты - электрическая сеть»

При изменении напряжения изменяются и токи. Вследствие уменьшения напряжения обратной последовательности, токи обратной последовательности также уменьшаются, а несимметрия несколько возрастает. Возрастание несимметрии приводит к увеличению токов обратных последовательностей.

Приведенные токи ротора прямой и обратных последовательностей определяются на основании схемы замещения (рис.7).

где /,, /„- приведенные токи ротора прямой и обратной последовательности;

и, - напряжение прямой последовательности; г1 х1 - активное и индуктивное сопротивления обмотки статора;

х'2 _ приведённые активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора току прямой и обратной последовательности;

¿01, ¿,, - приведенные полные сопротивления прямой и обратной последовательности; С - уточняющий коэффициент. С учетом устройства защиты:

(3)

ю

где х - индуктивное сопротивление устройства защиты. При малых скольжениях прямой последовательности на рабочем участке характеристики двигателя можно считать, что сопротивление обратной последовательности практически не зависит от скольжения ни по величине, ни по фазе. Вследствие этого получаем:

/п к = = сотГ

(5)

X. +С.х: <р22 ю агсг#-:

г. + - -' 2

Таким образом, токи обратной последовательности ни по величине, ни по фазе практически не зависят от нагрузки.

Учитывая сопротивление трансформатора, получаем:

/ =_ч±_

21

+ г» + ^тр

Ц_ , (6)

+(■*, 4)2 +х+тЦг,

где гтр= г\+гг и Хц=Х\+Хг - параметры упрощенной схемы замещения трансформатора, что является выражением математической модели «комбинированное устройство защиты — электродвигатель — электрическая сеть».

Определены основные эксплуатационные параметры. Для этого использовался метод фазных координат по схеме замещения (рис. 8).

КУЗО обозначено проводимостями У, У2, Уз; параметры токоограничивающих конденсаторов и стабилитрона КУЗО определены проводимостями:

у —Ьу =_Ь у = _!_.

'15 ~ . ' '25 . > *36 .

Лз

ині /НІ _____ ию

Ш2 1 ІН2 Уг|-1 . иК2

инз ІНЗ 3 І I УЗ I I 1кз икз

ино ІНО І I 4 ико

[ У »5 У25 5 УЗЄ 6 ] І I

Рисунок 8. Схема замещения комбинированного устройства защиты

Матрица узловых проводимостей будет иметь вид:

0 0 0 -г. У,5

0 У2 + У25 0 0 - к. У2,

0 0 у, 0 -Ї-, 0

0 0 У,и 0 0

-У, -Г, -Г, У, + У2 + У3 + У4 + У« -У«

-У, 5 -У, 5 0 0 -Уы ЇІ5 +ІВ+ ^46

После разделения матрицы узловых проводимостей и матрицы узловых напряжений на блоки получим матричное уравнение

ф4 II Уф 4

/о уф» к , ф22

Определив блоки матрицы узловых проводимостей, получим: а) эквивалентную матрицу проводимостей

б) напряжения в узлах 4 и 6

(П)

Напряжение, подведённое к УЗО, включенному между узлами 4 и б, можно определить по формуле £/ку3о= и6 - и4. Напряжение его срабатывания вычисляется иср. кузо

Данные выражения позволяют рассчитать необходимый порог срабатывания КУЗО и параметры элементов.

Для предлагаемого устройства

у кузо ={/4-{/6 = 42,155.

Напряжение срабатывания КУЗО будет равно:

^сраб.кузо 2- С/кузо-2-42,15-84,3 В.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования комбинированного устройства защиты» рассмотрена программа исследований, описана экспериментальная установка (рис.9), осуществлен выбор факторов для проведения экспериментов. В качестве факторов были выбраны ток утечки, напряжение срабатывания, порог срабатывания по сопротивлению, величина питающего напряжения. Т.к. устройство будет работать в тяжелых условиях, дополнительно экспериментально исследовано изменение его параметров от температуры.

План проведения эксперимента разбит на три основных этапа:

- изменение напряжения в каждой из фаз,

- изменения тока утечки одной фазы при изменении напряжения в фазах,

- изменения тока утечки в двух фазах, фазы при изменении напряжения в фазах.

В результате получены зависимости порога срабатывания по напряжению при однофазной (рис.10) и двухфазной утечках тока (рис.11).

Рисунок 9. Принципиальная электрическая схема включения КУЗО: К-вольтметр, ^-амперметр, Я-резистор, резистор со ступенчатым регулированием, КЗ-стабилитрон, С-конденсатор, Я„- резистор переменный.

Ъг - — - — э н == - =

— = ч- — > ч ч — - ■гіг:

і^1 ■-V N -: 1 » ЕЕ;

- ц - =4= — - — = = =

О 5 10 15 20 25 30

у = -0,14х + 86,61

Х =0904_

Рисунок 10. Зависимость порога срабатывания КУЗО при однофазной утечке тока

Рисунок 11 (а, б). Зависимость порога срабатывания КУЗО при двухфазной утечке тока

Определено, что адекватными регрессионными зависимостями У1 от X являются линейные зависимости. С учетом выбранных обозначений при однофазной и двухфазной утечках, напряжение срабатывания равно:

С/, = -0,14/ + 86,61;приоднофазнойутечке £/, = -0,666/ + 87,43; приС! = 150 В(двухфазнаяутечка) (У, = -0,064/ + 86\npuU = \А0В(двухфазнаяутечка) С/, = -0,074/ + 84,02; при и = \ЪОВ(двухфазнаяутечка) С/, =-0,03/ + %2,2\\прии = ШВ(двухфазнаяутечка) Уравнение регрессии зависимости тока от напряжения сети и напряжения срабатывания имеет вид:

1=-0,75 и-1,38и,+240,2

при

Фггг- В, 198 В и 233 В

«а —: * = _ —

о ее о: х =1= т8- — —

2 ъ —о '..-! I

Чв 8- - -й, ;

Ь 8- - ; 1 4г

о: —

- в -4 2 0 2 темпера-тура, г° о.е. 4 6

Рисунок 12. Зависимость порога срабатывания по сопротивлению КУЗО от температуры

(и = 220 В, 198 В, 233 В)

В работе исследованы и изучены зависимости порога срабатывания сопротивления изоляции от температуры при значениях напряжения, равных (U = 220 В, 198 В, 233 В), экспериментальным путём получены соответствующие данные. На основании этих данных получены кривые зависимости величины порога срабатывания от температуры, представленные на рис. 12.

Введем обозначения

X = *'с ■ у (и~22°)в. 2 = R(MOm) . (12)

10 "С ' 10B ' 1МОм '

откуда следует

t* =(10Х)°; и(в) = (220+10Y)B R(MOm) = Z(MOm) (13)

Как свидетельствуют приведенные данные, адекватными регрессионными зависимостями Z от X во всех трех случаях являются линейные зависимости вида

Z=kX+b: R=0,0294-t+l,07 (U=0 o.e.) R=0,0327-1+1,0463 (U=-2,2 o.e.) (14)

R=0,0247-t+1,1211 (U=l,3 o.e.)

В результате получено уравнение регрессии:

Z=0,0290 • X + 0,0202 • Y + 1,0852 (15)

со значимыми коэффициентами регрессии и высоким уровнем корреляции R2 = 0,943. С учетом обозначений (12) это уравнение примет следующий окончательный вид:

RMOm = 0,0029а t° + 0,00202- (U- 220)В+1,0852 (16)

Рассмотренное комбинированное устройство защитного отключения было внедрено и проходило производственные испытания в электрических сетях действующих предприятий Рославльского района Смоленской области. Внедрение представленного опытного образца позволило на практике не только сократить число и стоимость защитных средств, но и повысить надежность их работы до значения 0,94, что доказывает целесообразность внедрения комбинированного устройства защиты. Это подтверждено актами внедрения.

В пятой главе «Эффективность применения комбинированного устройства защиты» представлены расчеты надежности системы электрификации при введении КУЗО. Экономический расчет показывает, что применение комбинированного устройства защиты позволит сократить ущерб от вероятных отказов электрооборудования. Внедрение комбинированного устройства защиты в колхозе «Перенка» Смоленской области позволит получить годовой экономический эффект в размере 109305 руб.

Выводы по работе

1. Анализ существующих аппаратов защиты показал, что применение традиционных защитных средств значительно усложняет схему управления, настройку, а также усиливает проблему взаимного влияния разных защит на работу электроустановки. Тем более что при сетевых авариях одновременно отключаются все потребители. Предлагаемое КУЗО позволяет минимизировать количество используемых аппаратов защиты и повысить надежность систем электрификации.

Разработанное и защищенное патентом комбинированное устройство защитного отключения позволяет осуществлять защиту при утечках тока, несимметрии напряжения, неполнофазных режимах.

2. Разработаны теоретические закономерности, характеризующие работу комбинированного устройства защиты. Определено численное значение порога срабатывания предлагаемого комбинированного устройства защиты.

3. Разработана методика и проведены экспериментальные лабораторные испытания и исследования комбинированного устройства защитного отключения (КУЗО). Лабораторные испытания разработанного устройства защиты электроустановок показали, что разброс порога срабатывания находится в пределах от 87 до 81,4 В при изменении тока утечки от 2,5мА до 27,5 мА; при проведении эксплуатационных испытаний разброс порога срабатывания находится в пределах от 0,04 до 0,14 МОм при изменении температуры окружающей среды от - 20°С до + 40°С и напряжении питания Электросети В пределах (0,9 - 1,05) Сном-

4. Разработанное и защищенное патентом устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя позволяет контролировать изоляцию обмоток электродвигателя и автоматически сушить его обмотки токами нулевой последовательности при снижении сопротивления ниже заданного уровня.

5. Основываясь на данных актов внедрения можно утверждать, что по результатам проведённых экспериментов специалисты энергетических служб предприятий «РААЗ AMO ЗиЛ» в г. Рославле, колхоза «Перенка» Рославльского района Смоленской области, «МРСК-Центра» филиала ОАО «Смоленскэнерго» Рославльского РЭС, независимо друг от друга пришли, практически, к идентичным выводам в отношении надёжности устройства защитного отключения. Внедрение комбинированного устройства защиты в колхозе «Перенка» Рославльского района Смоленской области позволит получить годовую экономическую эффективность в сумме 109305 руб/год.

Список основных публикаций по теме диссертационной работы Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Алексанян, И.Э. Повышение надежности защит от поражения электрическим током / И.Э. Алексанян, В.А.Безик, JI.M. Маркарянц// Вестник МАНЭБ, Санкт- Петербург: 2010. - том 15, №4. С. 109-111

2. Патент №95433 U1 Российская Федерация МПК Н02Н 9/00 (2006.01) Н02Н 5/04 Комбинированное устройство защиты электроустановок/ Безик В.А., Маркарянц Л.М., Алексанян Н.Э.// Заявка: №2010105297/22 15.02.2010; Опубл.27.06.2010, Бюл. № 18; Приоритет полезной модели 15.02.2010.

3. Патент №2446546 С1 Российская Федерация МПК Н02К 15/12 (2006.01) Н02К 15/00 (2006.01) Устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя/ Маркарянц JI.M., Безик В.А., Алексанян И.Э., Самородский П.А. //Заявка: №2011105665/07 15.02.2011; 0публ.27.03.2012, Бюл. № 9; Приоритет изобретения 15.02.2011.

Публикации в других изданиях

1. Алексанян, И.Э. Анализ комбинированного устройства защиты методом фазных координат / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Проблемы энергетики и природопользования. Вопросы безопасности жизнедеятельности и экологии: сборник материалов международной научно-практической конференции. -Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2010. - С. 18-22.

2. Алексанян, И.Э. Анализ энергетической эффективности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором / И.Э. Алексанян // Проблемы энергетики и природопользования. Вопросы безопасности жизнедеятельности и экологии: сборник материалов международной научно-практической конференции. — Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2010. -С. 13-18.

3. Алексанян, И.Э. Некоторые возможности применения комбинированных устройств защиты электроустановок на базе УЗО. / И.Э. Алексанян, В.А.Безик, JI.M. Маркарянц, П.А. Самородский //Проблемы энергетики и природопользования. Вопросы безопасности жизнедеятельности и экологии: сборник материалов международной научно-практической конференции. -Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2010. - С.126-130.

4. Алексанян, И.Э. Применение комбинированных устройств защиты / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы Международной научно-практической конференции. / Под ред. A.B. Павлова. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2010. - С.44-47.

5. Алексанян, И.Э Повышение надежности защит от поражения электрическим током. / И.Э. Алексанян, В.А.Безик, JI.M. Маркарянц //Вестник МАНЭБ. Том 15, №4, 2010.-С. 44-47.

6. Алексанян, И.Э. Математическая модель «асинхронный двигатель -комбинированное устройство защиты» / Алексанян, И.Э.//Проблемы энергообеспечения, информатизации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2011. -С. 7-11.

7. Алексанян, И.Э. Экономическая эффективность внедрения комбинированного устройства защиты / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Проблемы энергообеспечения, информатизации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2011. - С.14-19.

8. Алексанян, И.Э. Анализ состава состояния электрооборудования сельскохозяйственных потребителей Рославльского района Смоленской области. / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Проблемы энергетики, природопользования, экологии. Сборник материалов международной научно-технической конференции. — Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2009. — С.7-12.

9. Алексанян, И.Э. К вопросу расчёта комбинированного устройства защиты / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Проблемы энергосбережения, информации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК. Сборник материалов международной научно-технической конференции. - Брянск: Издательство Брянской ГСХА, 2012. — С.14-18.

10. Алексанян, И.Э. Экспериментальные исследования порога срабатывания комбинированного устройства защиты. Experimental studies of the threshold of the combined protection devices / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Материалы международной практической заочной конференции «Образование, наука, производство. Том 2. Промышленность и транспорт». - Вязьма: Издательство филиала Вяземского ФГБОУ ВПО МГИУ, 2012. - С. 15-24.

11. Алексанян, И.Э. Устройство для защиты электроустановок / И.Э. Алексанян, В.А.Безик // Вестник БГСХА №1, 2012. - С.40-43.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Департамент технологической политики и образования ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи Алексанян Ирина Эдуардовна

04201365009

комбинированное устройство защиты электроустановок

сельскохозяйственного назначения

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., Безик В.А.

Брянск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................5

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА....................10

1.1 Анализ состава и состояния электрооборудования сельскохозяйственных потребителей...........................................................10

1.2 Общая характеристика и анализ работы системы электрической защиты................................................................................................................12

1.3 Обзор аппаратов для защиты от аварийных режимов.......................14

1.3.1. Плавкие предохранители.........................................................................14

1.3.2 Автоматические выключатели.................................................................17

1.3.3 Защита по минимальному напряжению.................................................19

1.3.4 Защита электродвигателей с контролем по току фаз.............................19

1.3.5 Защита от поражения электрическим током...........................................20

1.3.5.1 Принцип действия УЗО..........................................................................20

1.3.5.2 Основные виды УЗО...............................................................................24

1.3.5.3 Комбинированные устройства защитного отключения......................27

1.3.5.4 Особенности работы в пятипроводной сети.......................................29

1.4 Основные методы расчета аварийных и ненормальных режимов ..34

1.4.1. Исходные положения о ненормальных режимах работы асинхронных электродвигателей...............................................................................................34

1.4.2. Аварийные режимы..................................................................................46

1.4.2.1. Исходные положения об аварийных режимах....................................46

1.4.2.2. Классификация аварийных режимов...................................................47

1.5. Обзор основных методов расчета аварийных и ненормальных режимов................................................................................................................49

1.5.1. Метод симметричных составляющих.....................................................49

1.5.2 Метод фазных координат..........................................................................52

1.6. Цели и задачи исследования...................................................................52

1.6.1 Выводы по главе 1.....................................................................................53

9

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ.............................................................................................................57

2.1. Разработка КУЗО........................................................................................57

2.2. Предлагаемое комбинированное устройство защиты электроустановок..............................................................................................65

2.3. Предлагаемое устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя.................................................................66

2.4 Выводы по главе 2......................................................................................68

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУ РАЗРАБОТАННОГО КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ..............................................................................69

3.1 Математическая модель устройства защиты.......................................69

3.2 Математическая модель асинхронного электродвигателя (АЭ)......72

3.2.1 Влияние электрической сети на работу устройства защиты.................77

3.3 Определение несимметрии напряжения в фазах при различных видах нагрузки....................................................................................................83

3.3.1 Влияние несимметрии питающей сети на работу асинхронного электродвигателя.................................................................................................88

3.3.2 Математическая модель «комбинированное устройство защиты -электродвигатель - электрическая сеть»..........................................................93

3.4 Влияние температуры на сопротивление изоляции............................97

3.5 Определение порога срабатывания КУЗО...........................................98

3.6 Выводы по главе 3....................................................................................102

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ............................104

4.1 Программа экспериментальных исследований.................................104

4.2 Описание экспериментальной установки...........................................104

4.3 Результаты экспериментальных исследований порога срабатывания комбинированного устройства защиты от тока утечки и величины напряжения...................................................................................106

4.3.1 Проверка эксплуатационных свойств комбинированного устройства защитного отключения.....................................................................................122

Выводы по главе 4..........................................................................................132

ГЛАВА 5 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

КОМБИНИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ.................................134

5.1 Расчет надежности проектируемого устройства................................134

5.2 Надежность системы электрификации при введении комбинированного устройства защитного отключения........................137

5.3 Экономическая эффективность от внедрения комбинированного устройства защитного отключения.............................................................138

Заключение.......................................................................................................142

Выводы по работе...........................................................................................142

Список использованных источников.........................................................144

Приложение......................................................................................................156

Введение

Актуальность темы диссертации. В сельском хозяйстве большинство агрегатов, стационарных и мобильных, часто используется в сырых, неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе. Климатические, биологические факторы внешней среды отрицательно влияют на электрическую изоляцию и другие элементы электроустановок, способствуя химическому разложению материалов, потери их механической прочности и ухудшению их электрических характеристик. Низкое качество электроэнергии и плохое состояние электрических сетей приводят к возникновению аварийных режимов в электроустановках. Для обеспечения надежности электроустановок в таких условиях приходится использовать комплекс защитных и управляющих средств, что усложняет системы управления и повышает их стоимость.

Поэтому научные исследования, направленные на создание эффективных устройств, обеспечивающих повышение надежности и безопасности электрооборудования без серьезного усложнения конструкции и значительного увеличения затрат, актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Весомый вклад в исследование повышения эффективности защиты сельскохозяйственных электроустановок от аварийных и ненормальных режимов внесен учеными: Грундулисом А.О., Монаковым В.К., Сошниковым A.A., Никольским O.K., Олиным Д.М., Монаховым А.Ф., Балашовым О.П., Сомовым И.Я. и др.

Основываясь на работах этих ученых, предлагается комбинированное устройство защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения.

Исследования выполнены в лаборатории кафедры «Электротехнологии» Брянской государственной сельскохозяйственной академии.

Цель исследования. Разработка комбинированного устройства защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения.

Объектом исследования явилось комбинированное устройство защиты.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в комбинированном устройстве защиты при несимметрии напряжения, однофазных и двухфазных утечках тока, изменении сопротивления изоляции.

Для достижения цели исследования в диссертационной работе поставлены следующие научно-практические задачи:

- разработка комбинированного устройства защиты;

- разработка теоретических закономерностей, характеризующих работу комбинированного устройства защиты (КУЗО);

- экспериментальное исследование влияния параметров напряжения сети и токов утечки на порог срабатывания КУЗО;

- разработка устройства контроля и сушки обмоток электродвигателя;

- определение эффективности применения КУЗО.

Методы исследования. В работе использовались: метод фазных координат, теория электрических цепей, средства математической обработки результатов эксперимента, в частности регрессионный анализ. Научная новизна.

• Разработана математическая модель комбинированного устройства защиты, которая позволила определить теоретические закономерности, характеризующие работу комбинированного устройства защиты при несимметрии питающего напряжения;

• Разработано комбинированное устройство защиты электроустановок от токов утечки и несимметрии питающего напряжения;

• Получены закономерности, позволяющие определить параметры КУЗО и производить его настройку;

• Для предотвращения возникновения токов утечки вследствие увлажнения изоляции электродвигателей предложено устройство контроля сопротивления изоляции и автоматической сушки обмоток электродвигателей;

Практическая ценность работы.

• Разработано комбинированное устройство защиты электроустановок, защищающее от утечек тока и несимметрии питающего напряжения;

• Предложены закономерности, позволяющие вести расчет и настройку комбинированного устройства защиты;

• Разработано устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателей, позволяющее автоматически проводить сушку обмоток при их увлажнении после отключения питания электродвигателя;

• Проведенные экспериментальные исследования и апробация на предприятиях агропромышленного комплекса показали эффективность предлагаемых решений и позволяют рекомендовать их к использованию в агропромышленном комплексе.

Новизна технических решений защищена патентами РФ. Достоверность выводов и рекомендаций обусловлена

использованием современных теорий, методов расчета и обработки результатов исследований, а также совпадением проверки КУЗО в лабораторных и производственных условиях с теоретическими предпосылками. Эксперименты выполнены в соответствии с действующими ГОСТами и разработанными методиками, подтвержденными актами и протоколами испытаний.

Экономическая эффективность. Результаты выполненных исследований способствуют повышению конкурентоспособности аграрного сектора экономики страны. Использование разработанного КУЗО в колхозе «Перенка» Смоленской области позволит сократить ущерб от выхода из

строя электрооборудования и получить годовой экономический эффект в размере 109305 руб.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

• техническое решение, защищенное патентом РФ №95433, на полезную модель «Комбинированное устройство защиты электроустановок»;

• математические соотношения, позволяющие произвести необходимую настройку комбинированных устройств защиты с учетом взаимного влияния цепей и воздействия мешающих факторов;

• математическая модель системы «электрическая сеть -комбинированное устройство защиты - электродвигатель» в несимметричных и аварийных режимах работы;

• техническое решение, защищенное патентом РФ №2446546, на изобретение «Устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя»;

• результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена и одобрена на объединенном заседании кафедр ФГБОУ ВПО БГСХА в 2013 г. Отдельные материалы, входящие в диссертацию, стали темой докладов ежегодных и публикаций на международных научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО БГСХА (Кокино, 2009-2013 гг.), ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И.Вавилова (г. Саратов, 2010 г.), на международной научно-практической заочной конференции в филиале Вяземского ФГБОУ ВПО МГИУ (г. Вязьма, 2012 г.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК, включая 2 патента РФ: №95433 на полезную модель «Комбинированное устройство защиты электроустановок», опубликованный в бюллетене №18 27.06.2010 года и патент №2446546 на изобретение «Устройство контроля сопротивления изоляции и сушки обмоток электродвигателя», опубликованный в бюллетене №9 27.03.2012 года.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 170 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 13 таблиц, 8 приложений и список литературы из 106 наименований.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

1.1 Анализ состава и состояния электрооборудования сельскохозяйственных потребителей

Главная цель эксплуатации электрооборудования состоит в поддержании таких уровней его надёжности и использования, при которых обеспечивается эффективная работа технологических объектов, оснащённых этим оборудованием. Условия эксплуатации оказывают существенное влияние на эксплуатационную надёжность электрооборудования. Климатические, биологические и механические факторы внешней среды отрицательно влияют на электрическую изоляцию и другие элементы электроустановок, способствую химическому разложению материалов, потери их механической прочности и ухудшению их электрических характеристик.

Внедрение новых технологий, оборудования, электронных систем управления и автоматизации, новых форм организации труда позволит вывести сельское хозяйство из затянувшегося кризиса, перевести сельскохозяйственное производство на высокоиндустриальную основу, превратив его в высокорентабельное и высокоэффективное.

Рассмотрим состояние сельскохозяйственных потребителей электрической энергии на примере предприятий Рославльского района Смоленской области.

Состояние сельского хозяйства Смоленской области выглядит

довольно удручающим. Если взять, к примеру, сельскохозяйственные

предприятия Рославльского района, то на них можно обнаружить минимум

электрооборудования и электротехнологических установок. Выпущенное в

80-х годах прошлого века, оно уже давно не отвечает даже минимальным

техническим, экологическим, санитарным, эргономическим требованиям. В

связи с большим энергопотреблением некоторые установки и вовсе

10

отключены и не используются по своему прямому назначению, например сенажная башня СБ-9,15 в колхозе «Перенка» (см. приложение 1,2,3).

Наиболее распространённые сельскохозяйственные агрегаты и установки в сельскохозяйственных предприятиях Рославльского района являются: доильные установки АД-100Б; очистители вороха и первичной обработки зерна С)ВС-25(20); машины первичной очистки и сортировки зерна СМ-4,ОС-4,5; зерноочистительно-сушильные комплексы КЗС-25/1, КЗС-20/2, ЗАВ-20/1; молокоохладители СМ-1250, водоподогреватели ВЭП-400 (табл. 1.2

- 1.4).

Всё это оборудование работает в агрессивных средах. Пусковая аппаратура данных установок размещается в несоответствующих ГОСТам металлических, порой в самодельных деревянных(!) ящиках и коробах, подверженных воздействию влаги и сырости, в большинстве механических мастерских работает немудрёное старое оборудование.

Изменить сложившееся положение в электрохозяйствах можно, решив следующие задачи:

- установка пускорегулирующей аппаратуры в коробки из термопластичных компаундов;

- применение альтернативных источников энергии (гелиоколлекторов и др.);

- внедрение систем зонного обогрева инфракрасными излучателями;

- использование современных энергосберегающих систем управления технологическими процессами;

- внедрение энергоэффективных систем освещения производственных помещений, уличного освещения;

- внедрение систем местного обогрева производственных помещений инфракрасными излучателями;

- регенерация теплоты на животноводческих фермах;

- производство и использование биогаза;

- использование естественного холода;

- внедрение энергоэффективных систем и технологий поения, кормления, улучшенного содержания птицы;

- внедрение экономичных теплогенераторов, воздухонагревателей для сушки зерна.

Из рассмотренных задач наиболее актуальной, на наш взгляд, является необходимость использования современных технологий и систем управления производственными процессами. Ее решение потребует замены большинства технологического оборудования и значительной модернизации инженерных сооружений и зданий, что в настоящее время не под силу сельхозпроизводителям.

Исходя из этого, мы предлагаем на первом этапе ограничиться модернизаций уже существующего оборудования.

Энергосбережение с каждым годом становится все более актуальной проблемой. Ограниченность энергетических ресурсов, высокая стоимость энергии, негативное влияние на окружающую среду, связанные с её производством, - все эти факторы невольно наводят на мысль, что разумней снижать потребление энергии, нежели постоянно увеличивать её производство, а значит, и количество проблем. Кроме того, из-за возрастающих экологических требований и высок