автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Методы повышения селективности низковольтных автоматических выключателей

На правах рукописи

01*4602236

ИВАЩЕНКО Вадим Степанович

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 мдя 2010

Мос.кзз - 2010

004602286

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский энергетический институт) (технический университет).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ратин Валерий Ефимович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Капелько Константин Васильевич (Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени

кандидат технических наук, доцент Монаков Владимир Константинович (ГОУВПО<Московский энергетический институт) (Технический Университет)).

Ведущая организация - НОУВПО<Московский институт

энергобезопасности и энергосбережения).

Защита диссертации состоится 21 мая 2010 г. в 12.00час. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 в ГОУ ВПО «Московский энергетический институт) (технический университет) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, дом 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО (Московский энергетический институт)(Технический Университет).

Автореферат разослан £ 0 0 ® /1Я 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост мощности низковольтных электрических сетей и необходимость бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, даже в случае короткого замыкания на одном из участков, выдвигают повышенные требования как к системам защиты электроустановок, так и входящим в их состав аппаратам защиты. В этой связи, актуальное значение приобретают вопросы, связанные с комплексом мер, направленных на совершенствование аппаратов защиты: повышение быстродействия, снижению времени срабатывания, а также по увеличению отключающей способности и надежности селективной работы.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей путем обеспечения полной ссл?ктивности аппаратов защиты. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• На основе анализа характерных видов повреждений и современных способов защиты низковольтных электроустановок сформулировать проблемы обеспечения полной селективности оборудования.

• Проанализировать известные методы обеспечения полной селективности автоматических выключателей и дать предложения по совершенствованию данных методов.

• Проанализировать известные принципы построения автоматических выключателей селективного действия и дать предложения по совершенствованию их конструкций.

• Разработать методики теоретической проверки селективности.

• Экспериментально подтвердить полученные теоретические результаты.

Объект исследования — методы обеспечения полной селективности

действия аппаратов защиты.

Предмет исследования - автоматические выключатели электроустановок низкого напряжения.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы изложенные в общей теории электрических аппаратов; методы анализа нелинейных электрических и магнитных цепей; методы теории подобия и моделирования; метод экспертных оценок; интегральное и дифференциальное исчисление; численные методы решения систем уравнений и поиска экстремумов функций; методы обработки экспериментальных данных.

Научная новизна полученных результатов.

• Научно обоснована естественная селективность. Разработана математическая модель электромагнитного расцепителя, изучено поведение модели при совместной работе аппаратов в режимах короткого замыкания Разработаны методики практического применения полученных научных результатов.

• Усовершенствована методика организации селективности для токоограничивающнх аппаратов, позволяющая учитывать снижение

ограниченных токов при совместной работе сразу нескольких аппаратов.

• Разработан прибор, позволяющий проводить замеры времени срабатывания аппаратов защиты без изменений системы электроснабжения. Прибор позволит улучшить точность проводимых измерений и снизить трудозатраты на проведение приемо-сдаточных и сертификационных испытаний в электроустановках потребителей перед вводом в эксплуатацию. Прибор может также использоваться для замеров разновременности срабатывания высоковольтных аппаратов.

• Предложены принципиальные схемы автоматических выключателей. На основе полученных методик организации селективности токоограничивающих аппаратов составлены алгоритмы для контроллеров, управляющих работой этих аппаратов. Каждый из аппаратов отключается при определенном значении I2t. Значения I2t определяется проектантом на основании предложенной в работе методики. В качестве параметра предлагается также использовать мощность и энергию электрической дуги. При этом конструкция аппарата оснащается специальными измерительными цепями для контроля тока и напряжения на дуге.

На защиту- выносятся:

• Токовая селективность между автоматическими выключателями категории «А» существует благодаря естественной селективности.

• Селективность между токоограничивающими выключателями различных производителей возможно организовать, если использовать разработанные методики, учитывающие суммарное токоограничивающее действие выключателей.

• Развитие конструкций токоопэаничивающих выключателей позволяет использовать уставку срабатывания 11 в явном виде.

Практическая ценность и реализация.

• Результаты работы касающиеся проверки селективности срабатывания аппаратов защиты используются в учебном процессе в ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» в курсах повышения квалификации для специалистов по проектированию электроустановок зданий и сооружений, специалистов электроизмерительных лабораторий, органах по сертификации.

• Методика подбора селективного оборудования также используется при проектировании систем электроснабжения с повышенными требованиями к надежности и бесперебойности систем защиты электроустановок объектов ОАО «НИИСА», ООО «Техпроект», AHO НИЦ «Центрэлектростандарт».

• Разработанный для эффективного проведения испытаний аппаратов защиты прибор в настоящее время выпускается ООО НПФ МИЭЭ «Приборы Мосгосэнергонадзора» серийно и активно применяется для проведения сертификационных испытаний аппаратов аккредитованными центрами по сертификации, а также при проведении приемо-сдаточных, сертификационных и эксплуатационных испытаниях систем электроснабжения.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях (Москва ГОУВПО «МЭИ» (ТУ)) с 2004-2005г, а также на заседаниях кафедры «Электрические и электронные аппараты» (Москва ГОУВПО «МЭИ» (ТУ)) с 2004 по 2009г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы были отражены в шести статьях, которые опубликованы в специализированных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Полный объем диссертации составляет 232 стр., из них приложения, количеством 5, занимают 96 стр., список использованных источников, количеством 104, занимает 9 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы по теме, выбор направления исследования, выполнен анализ методов обеспечения селективного действия аппаратов защиты. Определено, что методы обеспечения селективности автоматических выключателей на низком напряжении можно улучшить, совершенствуя конструкции аппаратов защиты и развивая методики подбора селективного оборудования.

Анализ технической литературы, посвященный способам обеспечения селективности на низком напряжении показал, что:

• Для получения большей надежности электроснабжения селективность аппаратов защиты для конкретной цепи или, в общем случае, системы защиты всей электроустановки, следует рассматривать, на основе согласования различных типов защит, способных реагировать на повреждение одновременно.

• Селективность аппаратов в распределительных системах является полной, если срабатывает только один аппарат, расположенный непосредственно перед точкой повреждения, и далее остается отключенным сколь угодно долгое время. Возможна также частичная селективность, в случае, если это условие выполняется не для всех типов повреждений.

• В настоящее время наиболее широкое распространение получили следующие способы обеспечения селективности между аппаратами в режиме короткого замыкания: токовая селективность, временная селективность, селективность "БЕШМ", логическая (зонная) селективность, энергетическая селективность.

• Метод токовой селективности тем более эффективен, чем больше разница токов короткого замыкания в разных точках сети за счет разных сопротивлений проводников малого сечения.

• При большом количестве ступеней защиты с аппаратами, имеющими задержку срабатывания, наиболее удаленный аппарат будет иметь наибольшую уставку, которая может превысить допустимое время устранения аварии. В этом случае система защиты окажется несовместимой, во-первых, с допустимым временем протекания тока короткого замыкания защищаемого оборудования, а, во-вторых, с внешнем оборудованием (например, с оборудованием электросетевой компании).

• Интервал селективности, содержит три составляющие: время размыкание цепи автоматическим выключателем Тс , время задержки срабатывания с11, время возвращаются аппаратов защиты в исходное состояние ^ Интервал селективности Дг, содержит три составляющие и должен удовлетворять соотношению:

Дг>Тс + 1г + 2Л (1)

Анализ методов обеспечения полной селективности показал, что:

« при логической селективности надежность снижается из-за появления дополнительных информационных каналов;

• естественная селективность возможна только для аппаратов одного производителя;

• энергетическая селективность не учитывает влияния всех аппаратов на процесс ограничения токов;

• математические модели для проверки согласованности действия оборудования не применяются ни конструкторами аппаратов, ни проектантами систем защит электроустановок;

• отсутствует единая классификация, обобщающая функциональные особенности и границы применения данных методов, а также конструктивные решения в аппаратах, позволяющие решать эти задачи.

Во второй главе.

• Разработана математическая модель электромашитного расцепителя в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамические электромагнитные и механические процессы в автоматическом выключателе.

• С помощью стандартного программного пакета было исследовано поведение математической модели автоматического выключателя при работе его в составе системы защиты электроустановки совместно с аналогичным оборудованием.

• Аппроксимирующая зависимость устанавливает непосредственную функциональную связь между кратностью аварийного тока и необходимым отношением масс якорей электромагнитных расцепителей аппаратов.

• Были проведены натурные испытания автоматических выключателей в зоне токов короткого замыкания с целью выявления естественной селективности между аппаратами с различными номинальными токами электромагнитных расцепителей и проверки адекватности математической модели.

Для анализа процессов происходящих в электромагнитных расцепителях при коротких замыканиях были приведены упрощенные схемы электромагнитных расцепителей модульных автоматических выключателей (1ц< 125А) и выключателей на большие токи (IH > 125А).

Существует зависимость между временем срабатывания электромагнитных расцепителей и значениями их номинальных токов. Многие производители в каталогах на свои изделия приводят, так называемые, таблицы селективности, в которых приводят марки автоматических выключателей, между которыми пбрг.печивяется абсолютная селективность. Данные, приведенные в таких таблицах получены производителями опытным путем. Эксперименты проводятся на предмет выявления зоны абсолютной селективности автоматических выключателей, имеющих разные номинальные токи электромагнитных расцепителей. Такая селективность называется естественной, так как для ее обеспечения не требуется никаких дополнительных средств и уставок и основана она лишь на физических свойствах исследуемых образцов.

Для выявления физической основы естественной селективности электромагнитных расцепителей необходимо составить их математические модели и исследовать их в диапазоне токов короткого замыкания. Математическая модель электромагнитного разделителя представим в виде совокупности взаимодействующих подсистем: электрической, магнитной, механической и тепловой.

Математической моделью электромагнитного расцепителя является

u(t)~ Um sind) t, 4>u(t) = Фш sina t, i(t)~Im sind) t d4>u(t) = u(t)-i(t)R

dt N

dv(t)^PM(t)-Py(t)-P„(t)

dt m

dx(t)

dt

v(t)

Ф)=-Щ(1)>Фм0)=. да

(2)

Ä..

dt A'o Sn

2/i0Sn

Py(t) = kyx(t), Pjt) = k„,v(tJ

система дифференциальных уравнений (2). В первом приближении процессы в тепловой подсистеме можно не рассматривать в силу инерционности их протекания по отношению к процессам в других подсистемах, и как следствие, малого влияния на них.

где R - активное сопротивление катушки, eft) - ЭДС, определенная рабочим потоком электромагнита, сцепленным с якорем, Фм - магнитный поток в зазоре, RM - магнитное сопротивление стального магнитопровода и якоря, /'„■ -магнитное сопротивление немагнитного зазора между сердечником и якорем и индуктивности, 1 - электрический ток, проходящий через катушку, N - число витков катушки, т - масса якоря, 6о - начальный зазор.

Эквивалентные схемы подсистем, описывающие процессы, протекающие в данной электромеханической системе при сверхтоках представлены на рис. 2. В представленной математической модели необходимо добавить упор

(а)

R

(б)

—{

Ls

(в)

Рис.] Эквивалентные схемы механической (а), магнитной (б) и электрической (е) подсистем

для якоря при его смещении на расстояние до и учесть трение, возникающее при перемещении якоря. Упор ограничивает перемещение, и в идеальном приближении может быть представлен координатной точкой, в которой скорость движения становится равной нулю, а перемещение остается неизменным до начала движения в обратном направлении. Критерием срабатывания электромагнитного расцепителя является достижение зазором 6 определенного значения 5]. Решение системы уравнений (2) аналитическим методом является затруднительным, поэтому исследование модели проводилось с применением программного комплекса ОгСас19.2. Исходные данные для расчета моделей вводятся графическим способом в виде принципиальной схемы. На рис. 1 представлено изображение модели электромагнитного расцепителя, которое представляет собой объединенные в соответствии с системой уравнений (2) активные и пассивные стандартные

1|И'Т1"ЧЧ . - ,........... [/.........--------J-------------------------- -------

^^11^41 и!. 1V1ШШД^ЛО лоллЫЬЛ и!ШО!ШПиП па л^ылс

высокого уровня, параметры которой задаются пользователем как исходные данные задания на моделирование.

Рассматриваемый процесс (реакция электромагнитного расцепителя на ток короткого замыкания) протекает за время, существенно меньшее полупериода кривой сетевого напряжения. Поэтому в качестве источника выступает генератор постоянного напряжения VI. Значение напряжение выбирается равным амплитудному значению напряжения сети 311В - наиболее тяжелый режим при однофазном коротком замыкании. Пассивные элементы 111 и Ы представляют собой активную и реактивную составляющие сопротивления короткого замыкания цепи. Ключ, управляемый временем БЗ, коммутирует автоматический выключатель на ток короткого замыкания через некоторое время /Нс/ше после начала моделирования. Модуль Н1 осуществляет преобразование тока короткого замыкания в соответствии с формулой (5). Параметр У,п является промежуточным сигналом на выходе модуля Н1. Так как магнитное сопротивление зазора якоря много больше магнитного сопротивления ярма и стержней, то последнее не учитывалось при расчетах. По этой же причине не учитывались потоки рассеяния и расчеты велись с предположением, что через воздушный зазор проходит весь магнитный поток.

\Мо у

Элемент Е1 перемножает сигналы, поступающие на его входы Уц,1ы и Уы.т- Сигнал Уецю характеризует собой текущий зазор якоря и вычисляется по формуле (4).

( V

1 = 2МоЗп 2МоБп

(3)

Сигнал У'е1,оцт+ представляет собой значение электромагнитной силы, вычисляемой по формуле Максвелла. Моделью механической подсистемы является контур, состоящий из элементов Ь2, С2, £>/ (рис. 2). Ключ, управляемый напряжением Й> «закорачивает» диод при срабатывании расцепителя (появлении сигнала на входе 56). Работа схемы в таком режиме учитывает упор, препятствующий движению якоря в обратном направлении в момент аварии и возможность появления вибрации якоря, Ток в контуре представляет скорость движения якоря, которая с помощью интегратора II преобразуется в величину зазора с учетом начального положения якоря 5о-Элемент 12 возводит значение зазора в степень «-2» и подает полученный сигнал на Е1. Таким образом, путем организации обратной связи учитывается влияние зазора на электромагнитную силу (5). Сигнал Уе!,оот+ представляет собой значение электромагнитной силы, вычисляемой по формуле Максвелла. Моделью механической подсистемы является копт*"™1 состоящий из элементов Е] Ь2, С2, А (рис. 3). Ключ, управляемый напряжением 56 «закорачивает» диод при срабатывании расцепителя (появлении сигнала на входе 56). Работа схемы в таком режиме учитывает упор, препятствующий движению якоря в обратном направлении в момент аварии и возможность появления вибрации якоря. Ток в контуре представляет скорость движения якоря, которая с помощью интегратора 11 преобразуется в величину зазора с учетом начального положения якоря 60. Элемент 12 возводит значение зазора в степень «-2» и подает полученный сигнал на Е1. Таким образом, путем организации обратной связи учитывается влияние зазора на электромагнитную силу (5)

При определенном положительном значении зазора срабатывает механизм расцепления, начинается движение контактов и происходит разрыв цепи. Положительную составляющую зазора выделяют элементы Ш, Ш, Л2, ЯЗ и Я4. Усилители 111 и 1/2 необходимы для снижения влияния прямого падения напряжения на диоде Ю2 на сигнал. ГО выполняет роль порогового элемента, а 114 осуществляет задержку фронта нарастания сигнала на время обусловленную выбором провала контактов. Ключ, управляемый напряжением 51 отключает нагрузку при появлении фронта. Дуговые процессы в первом приближении в расчетах не учитывались.

Данная модель используется для исследования совместной работы двух электромагнитных расцепителей последовательно включенных автоматических выключателей (31 и <22 с различными номинальными токами расцепителей (рис. 3). Ближе к источнику расположен аппарат с большим номинальным током. Расцепители с большим номинальным током обладают и большими массогабаритными показателями. Исходя из этого, а также из (4) можно сделать предположение, что время срабатывания расцепителя увеличивается с ростом массы якоря.

Ч/ЗМ"!

У^ГГ-С.С4/

-ЛМг-

-

НР1Л_Г ^¡смиьт

Ш ф _

"К

"1.________да

X

Г

VLLЛУ Зпь

ко > ^

т

Рис.3 Математическая модель электромагнитного расцепителя в программной среде ОгСас19.2

Энергосистема. хс

Рис. 4 Система электроснабжения с двумя автоматическими выключателями с различными номинальными токами: Т - питающий трансформатор; Н - нагрузка;

О 50 100 150 200

1кз / !о:,иом

Рис. 5 Минимальное отношение масс якорей селективных электромагнитных расцепителей.

Поэтому сведем задачу по исследованию критерия селективности автоматических выключателей Ql и Q2 к поиску предельного отношения масс якорей их электромагнитных разделителей. Модель однофазной системы электроснабжения с двумя разделителями при коротком замыкании на нагрузке представлена на рис. 4. Для заданного диапазона токов короткого замыкания, приведенного к номинальному току расцеиителя (¿2 опытным путем устанавливается минимальное соотношение масс якорей, при котором селективность еще будет обеспечиваться. Результаты проведенных опытов представлены в таблицах и в виде графиков (табл.1, рис. 5). На рис. 5 Ш], т2 -массы якорей расцепителей и С?2 соответственно. Гкз , Гд2- ток короткого замыкания и номинальный ток автоматического выключателя С)2 соответственно.

Таблица 1. Минимальное отношение масс, при котором обеспечивается селективность срабатывания аппаратов (¿1 и (¿2 при та = 10 мс

1к.З/'1д2.иом 10 20 30 40 60 80 100 130 160

т1/т2 2,1 | 3,4 | 5,9 \ | 9,1 15,5 23,5 35,5 56,1 88,5

Результаты проведенных натурных испытаний автоматических выключателей в зоне токов короткого замыкания (табл.1, 2) подтверждают корректность разработанной математической модели.

Таблица 2. Результаты испытаний на селективную работу аппаратов при токах = 160-320 А

01 8231 МиШ 9 ВА 66-29 ВА 47-29

02\ 16А 25 А 32А 16А 25 А 32А 16А 25А 32А 16А 25А 32 А

16А - П п - п п - П п П П

т <ч СП 25А - - ч - . ч - Ч - Ч

32А

о, 16А - П п - п п - П п - п П

"3 25А - - ч - - ч - - Ч - - ч

£ 32А

СЧ г-; 16А - П п - п п - П п - п П

25А - - ч - ч _ - ч - - ч

<1 Я 32А

Сч сч 16А ч п п п п п - п п

ю 25А - - ч - ч - ч - - ч

Я 32А

П- полная селективность, Ч-частичная селективность

б)

14 А

о

^ з а о

ООО л * СЧ —■I г- 1/-1

1кз, КЛ

) (101„)3 5 10 30 50 100 1 3 5 10 7 30 50

1ож

Рис.6. Графический метод анализа селективности двух и более токоограничивающих аппаратов

В третьей главе.

• Был проведен анализ эффективности применения характеристик I2t=f(fK3) при организации селективности токоограничиваюхцих автоматических выключателей.

• Были выявлены недостатки существующей методики определения селективности токоограничивающих аппаратов: совместное токоограничивающее действие не учитывается.

• Разработана уточненная методика графического анализа возможности селективной работы нескольких токоограничивающих автоматических выключателей.

• Были проведены натурные испытания на селективное срабатывание автоматических выключателей на номиналы 16, 25 и 32 А ведущих производителей: серия S200 (ABB), серия NS100 (Schneider Electric), серия FAZ (Moeller Elective). Полученные данные подтвердили адекватность предложной методики при всех сочетаниях аппаратов.

Быстродействующий токоограничивающий выключатель срабатывает настолько быстро, что ожидаемый ток не успевает достичь своего максимума. Так как отключение происходит в два этапа (отброс контактов и срабатывание расцепителя), то времятоковые характеристики являются неэффективными для анализа срабатывания. Реакция автоматических выключателей на аварийный ток характеризуется электрической энергией, прошедшей через автоматический выключатель в процессе отключения, и чувствительностью электромагнитного расцепителя. Графическое представление зависимости Джоулева интеграла тока, прошедшего через автоматический выключатель при отключении, от ожидаемого аварийного тока позволяет наглядно исследуемом диапазоне токов. Принцип энергетической селективности реализуется

Таблица 3 Результаты натурных испытаний на селективную работу аппаратов при токах пж = 4 - 1 ОкА_

01 S200 FAZ NS100

Q2\ 16А 25А 32А 16А 25А 32А 16А 25А 32 А

16А - Ч П - Н Н П П

о CN ХЛ 25А - - н - - н - - п

32А

16А - п П н П - П П

FA2 25А - п - - н - П

32А

о 16А н н - н н - П П

сл 25А - н - н - - п

32А

П-полная селективность, Ч-частичная селективность, Н-селективность отсутствует однозначно сделать вывод о возможности их селективной работы з

благодаря координации защит, а также чувствительности расцепителей и позволяет проанализировать возможность селективной работы аппаратов и значительно упростить решение проблемы селективности для токоограничивающкх автоматических выключателей, уменьшить электродинамические и термические нагрузки, а также провалы напряжения при коротком замыкании.

При совместной работе двух и более последовательно установленных токоограничивающих аппаратов необходимо учитывать снижение ожидаемого аварийного тока. Предложенная методика позволяет учитывать это, а, следовательно, является более точной. Результаты экспериментального исследования энергетической селективности токоограничивающих автоматических выключателей серий S200 (ABB), NS100 (Schneider Electric), FAZ (Moeller Electric) подтверждает корректность приведенной методики

(■rnCZr,

\ 1 LIV/J1. J.

В четвертой главе.

Дана классификация направлений технического совершенствования конструкций низковольтных селективных автоматических выключателей. Направление создания статических систем управления автоматических выключателей позволяет выполнить комплексную защиту электрооборудования от аварийных режимов работы и резко улучшить

Рис.7 Принципиальная электрическая схема автоматического выключателя с улучшенными свойствами по надежности отключения аварийны токов

качество и надежность защиты. Разработанные функциональные схемы автоматических выключателей с улучшенными характеристиками позволяют увеличить надежность срабатывания при небольших токах короткого замыкания, улучшить свойства по точности работы и обеспечить полную селективность этих аппаратов при их совместной работе.

На рис. 7 представлена принципиальная схема устройства в однофазном исполнении. К главным контактам выключателя 1 подключен узел контроля величины энергии дуги отключения, который содержит блок 7 питания, измерительный преобразователь 8 энергии дуги на базе датчика Холла, выходное реле 10, микроконтроллер 9 и исполнительный механизм 6,

воздействующий на расцепляющий рычаг механизма свободного расцепления. Выход датчика Холла 8 подключен к входу микроконтроллера 9. Сигнал на выходе элемента микроконтроллера 9 появляется, если величина энергии дуги не превышает порога срабатывания. В этом случае реле 10 выдает команду на исполнительный механизм 6, воздействующий на расцепляющий рычаг в сторону включения выключателя. Измерительный преобразователь 8 выполнен на базе датчика Холла 14, расположенного в полюсном пространстве в плоскости, перпендикулярной магнитному полю токоведущей шины. Входные электроды датчика Холла через резистор 14 подсоединены к главным контактам 1 выключателя, а выходные его электроды - к входу микроконтроллера 9. Выход микроконтроллера 9 подключен к входу реле 10 на оптронном тиристоре, коммутирующем цепь исполнительного механизма 6. Блок питания 7 предназначен для выработки напряжения на конденсаторе 11, необходимого для срабатывания исполнительного механизма^ и не связанных с главными контактами напряжений для питания узла контроля величины энергии дуги. Блок 7 питания может быть подключен через вспомогательные замыкающие контакты 12.

Исполнительный механизм 6, например электромагнит соленоидного типа, имеет шток, воздействующий на расцепляющий рычаг механизма 4 свободного расцепления. Положение, в которое приходят все узлы механизма и, в частности, его контакты 1, в результате действия исполнительного механизма, показано на рис.9. Это положение полностью соответствует положению выключателя «Включено». Алгоритм работы микроконтроллера представлен на рис.9.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа литературы и состояния проблемы по теме диссертационной работы определены цель и задачи исследования, позволяющие получить научно обоснованные методики, направленные на решение конкретной научно-технической задачи - развитие методов обеспечения полной селективности аппаратов защиты, предназначенных для работы в системах электроснабжения на низком напряжении. Совершенствование систем защиты электроустановок позволяет проектировать системы электроснабжения без излишних запасов по перегрузке на электрооборудование, что снижает их стоимость, габариты и массу. С другой стороны, в случае возникновения сбоев в работе электрооборудования -ограничить аварийные токи и предотвратить выход из строя неповрежденной части электроустановки, что значительно снижает время простоев. Предложена классификация методов обеспечения полной селективности аппаратов защиты

2. Разработаны и реализованы в виде компьютерных программ методики подбора автоматических выключателей для системы электроснабжения, а именно:

» Разработана математическая модель электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в виде системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику электромагнитных и

механических процессов при сверхтоках.

• Разработана методика проверки полной (абсолютной) селективности электромагнитных расцепителей.

• Предложены методы представления энергии электрической дуги отключения токоограничивающих автоматических выключателей.

• Разработана методика проверки полной (абсолютной) селективности токоограничивающих автоматических выключателей.

3. С целью проверки достоверности полученных в диссертационной работе результатов были проведены экспериментальные исследования, а также проведена статистическая обработка полученных результатов, а именно:

• Создан электронный прибор для измерения времени срабатывания аппаратов защиты, опытный образец которого применялся при натурных испытаниях.

» Разработан комплект кймы>к>1брвыл программ, реализующий методику расчета динамических характеристик системы защиты электроустановки и а автоматических выключателях с электромагнитными расцепителями.

• Разработаны рекомендации по оптимальному выбору селективных аппаратов защиты системы электроснабжения.

• Разработаны новые конструктивные решения улучшающие свойства автоматических выключателей: повышающие надежность срабатывания и обеспечивающие полную селективность токоограничивающих автоматических выключателей при совместном их использовании.

4. Внедрение методик проверки селективности аппаратов защиты в стандарты предприятий по разработке проектной документации и испытаний систем электроснабжения подтверждается актами.

5. Основные результаты работы, полученные в виде рекомендаций и методов обеспечения полной селективности автоматических выключателей, реализованы в виде компьютерных моделей, которые могут использоваться как при разработке новых систем защиты электроустановок, так и при усовершенствовании (реконструкции) имеющихся систем, а также при регламентных планово-предупредительных работах на энергообъектах.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Иващенко B.C. Развитие методов организации селективности низковольтных автоматических выключателей. // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2009 г. - №.5. - С. 47-50.

2. Иващенко B.C., Райнин В.Е. Развитие методов организации полной селективности действия аппаратов защиты. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Десятая научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 2, М.: МЭИ. 2004г.- С. 81-82.

3. Иващенко B.C., Райнин В.Е. Естественная селективность автоматических выключателей. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Одиннадцатая

о

научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 2, М.: МЭИ. 2005г.- С. 97-98.

4. Иващенко B.C. Обеспечение селективного действия аппаратов защиты по оценке энергии дуги // Энергобезопасность в документах и фактах. М: МИЭЭ -

2005 г. - вып.6. - С. 44-51.

5. Иващенко B.C. Селективная работа автоматических выключателей. Энергетический метод анализа // Энергобезопасность в документах и фактах. -

2006 г. - вып.4. - С. 24-27.

6. Иващенко B.C. Повышение селективности низковольтных автоматических выключателей. //' Энергобезопасность и энергосбережение.,- 2009 г. - №.5. - С. 3-8.

Подписано в печать Bfifi-lOt. Зак. 0 Тир. fOO п.л. (ЛЬ Полиграфический центр МЗИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Введение

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ НА НИЗКОМ

НАПРЯЖЕНИИ

1.1 Понятие полной и частичной селективности

1.2 Зона селективности

1.3 Токовая селективность

1.4 Временная селективность

1.5 Использование токоограничивающих выключателей и псевдовременная» селективность

1.6 Селективная совместная работа ограничивающих выключателей с предохранителями

1.7 Селективность "БЕШМ"

1.8 Логическая селективность

1.9 Классификация методов обеспечения селективности

1.10 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 ЕСТЕСТВЕННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

РАСЩЕПИТЕЛЕЙ

2.1 Полная селективность автоматических выключателей

2.2 Математическая модель электромагнитного расцепителя

2.3 Графоаналитический метод решения

2.4 Программное моделирование

2.5 Экспериментальное исследование поведения математической модели

2.6 Сравнительный анализ поведения программной модели и реальной системы электроснабжения

2.7 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 СЕЛЕКТИВНОСТЬ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ

АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

3.1 Токоограничение и графики представления энергии

3.2 Применение системы координат I2t-f(IK3) для исследования характеристик автоматических выключателей

3.3 Энергетические характеристики расцепителей автоматических выключателей

3.3.1 Электромагнитные расцепители

3.3.2 Электронные расцепители

3.3.3 Расцепители с детектором электрической дуги

3.4 Преимущества и практическая реализация энергетической селективности

3.5 Выводы по третей главе

ГЛАВА 4 РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКИХ

ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

4.1 Классификация направлений совершенствования конструкций низковольтных аппаратов защиты

4.2 Повышение надежности при небольших токах короткого замыкания

4.3 Повышение точности работы автоматического выключателя

4.4 Обеспечение полной селективности

4.5 Автоматический выключатель с электронным расцепителем

4.6 Выводы по четвертой главе 123 Заключение 125 Список использованных источников 127 Приложение П1 Руководящая документация по применению экспертного оценивания 136 Приложение П2 Характеристики нагрузочного трансформатора

Актуальность темы. Рост мощности низковольтных электрических сетей и необходимость бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей даже в случае короткого замыкания на одном из участков выдвигают повышенные требования как к системам защиты электроустановок, так и входящим в их состав автоматическим выключателям. В этой связи, актуальное значение приобретают вопросы, связанные с безопасностью эксплуатации электроэнергетических систем, которые заключаются в комплексе мер, направленных на совершенствование систем защиты с целью предотвращения последствий вероятных аварийных режимов. Повышение быстродействия (обнаружения, локализации, прерывания аварии) коммутационных аппаратов уменьшает термическое и динамическое воздействие аварийных токов на электрооборудование, что увеличивает устойчивость энергосистемы и уменьшает ущерб от аварий [18, 21].

Особое внимание при проектировании систем защиты электроустановок уделяется защите преобразователей, сконструированных на силовых полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах). Эти преобразователи имеют низкую перегрузочную способность в виду высокой чувствительности полупроводниковой структуры к превышению допустимой температуры. Выход из строя (возникновение двухсторонней проводимости) полупроводникового прибора приводит к появлению и развитию короткого замыкания в преобразователе. Возникающий аварийный ток характеризуется высоким ударным значением, обусловленным относительно короткими кабельными линиями. Такие токи приводят к выходу из строя оставшихся в работе полупроводниковых приборов, перегреву линий электропередач, нарушению изоляции и, в конечном итоге, к созданию аварийных ситуаций (пожары, несанкционированные отключения потребителей). Снижение времени срабатывания^ защиты обеспечивает ограничение тока короткого замыкания на таком уровне, когда эквивалентное тепловое действие тока не приводит к нарушению в работе энергосистемы.

Большой вклад в исследование вопросов обеспечения селективной работы оборудования защиты внесли Аветян А,Г., Андреев В.К., Бочкарев В.Н., ВальчукЕ., Дзежбицки С., Кобозев A.C., Кузнецов P.C., Могилевский Г.В., Морел Р., Райнин В.Е., Серпинэ М., Сосков А.Г., Таев И.С.

Неотъемлемой частью систем защиты сетей электроснабжения являются быстродействующие автоматические выключатели, которые применяются как для работы в номинальных режимах, для оперативных коммутаций, так и для отключений в аварийных режимах, при внезапном коротком замыкании [17]. Ввиду чувствительности электрооборудования (кабельных сетей, полупроводниковых преобразователей) к токовым перегрузкам, к аппаратам защиты предъявляется требование высокого быстродействия с целью ограничения аварийных токов по длительности и амплитуде.

Поэтому требования увеличения их предельной коммутационной способности и обеспечения селективной работы автоматических выключателей в значительной мере определяют направления по созданию новых типов автоматических выключателей [69, 83, 85, 88, 97 - 99].

Рост мощности низковольтных сетей и необходимость уменьшения материалоемкости аппаратов заставляют по новому решать проблемы селективной защиты, в том числе только токоограничивающими автоматическими выключателями. Такая защита по сравнению с выполненной по ступенчато-временному принципу имеет существенные особенности, связанные с тем, что в токоограничении и анализе места короткого замыкания участвуют все выключатели, расположенные между источником тока и местом короткого замыкания, а отклонение должен произвести выключатель, ближайший к месту короткого замыкания.

На сегодняшний момент при проектировании систем защиты для низковольтных сетей существует проблема, в, подборе оборудования, отвечающего требуемым характеристикам. Фирмы-производители гарантируют селективную работу автоматических выключателей собственного производства. V

Причем форма представления их рекомендаций по выбору аппаратов защиты основывается исключительно на собственных экспериментальных данных и не поддаются анализу с точки зрения режимов работы системы электроснабжения и взаимозаменяемости с оборудованием других фирм-производителей.

Это существенным образом ограничивает проектантов в выборе аппаратов защиты. Такая ситуация, во-первых, препятствует применению оборудования с наилучшими характеристиками при разработке проектной документации. А во-вторых, фактически «привязывает» проектную, а в дальнейшем и эксплуатирующую организацию к конкретным маркам аппаратов. В некоторой степени это снижает надежность и гибкость систем электроснабжения, а также создает опасность уменьшения конкурентной борьбы на рынке низковольтного оборудования.

Несмотря на то, что конструкции токоограничивающих выключателей селективного действия постоянно совершенствуются, относительно простого и достаточно эффективного решения до сих пор не найдено. Трудности заключаются и в определении места короткого замыкания без нарушения электроснабжения неповрежденных участков,- и в создании совместного с электродинамическим токоограничителем узла управления и блокировки механизма свободного расцепления. Электромагнитные процессы, возникающие в сети при коротких замыканиях и обусловленные спецификой срабатывания, автоматических выключателей селективного действия, изучены недостаточно [24]. Это затрудняет формулирование обоснованных требований к ним. Многообразие конструктивных решений и отсутствие единого подхода к их анализу также затрудняет определение функциональных возможностей и области применения таких автоматических выключателей.

Таким образом, исследования, направленные на совершенствование методов обеспечения полной селективности аппаратов защиты имеют важное техническое и экономическое значение. Актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов, подтверждается необходимостью повышения эффективности защитных свойств автоматических выключателей и систем защиты электроустановок, что является актуальной проблемой теории и практики электроаппаратостроения и систем электроснабжения.

Обоснование и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных и электромеханических процессов в автоматических выключателях и корректностью принятых допущений, а также результатами натурных испытаний и компьютерного моделирования.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей путем обеспечения полной селективности аппаратов защиты. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• На основе анализа характерных видов повреждений и современных способов защиты низковольтных электроустановок.сформулировать проблемы обеспечения полной селективности оборудования.

• Проанализировать известные методы обеспечения) полной селективности автоматических выключателей и дать предложения по совершенствованию данных методов.

• Проанализировать известные принципы построения автоматических выключателей селективного действия и дать предложения по совершенствованию их конструкций.

• Разработать методики теоретической проверки селективности

• Экспериментально подтвердить полученные теоретические результаты. Объект исследования - методы обеспечения полной селективности действия аппаратов защиты.

Предмет исследования - аппараты защиты электроустановок низкого напряжения.

Методы, исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы-методы изложенные в общей теории электрических аппаратов; методы анализа нелинейных электрических и магнитных цепе; методы теории подобия и моделирования; метод экспертных оценок; интегральное и дифференциальное исчисление; численные методы решения систем уравнений и поиска экстремумов функций; методы обработки экспериментальных данных.

Научная новизна полученных результатов.

• Научно обоснована естественная селективность. Разработана математическая модель электромагнитного расцепителя, изучено поведение модели при совместной работе аппаратов в режимах короткого замыкания. Разработаны методики практического применения полученных научных результатов.

• Усовершенствована методика организации селективности для токоограничивающих аппаратов, позволяющая учитывать снижение ограниченных токов при совместной работе сразу нескольких аппаратов.

• Разработан прибор, позволяющий проводить замеры времени срабатывания аппаратов защиты без изменений системы электроснабжения. Прибор позволит улучшить точность проводимых измерений и снизить трудозатраты на проведение приемо-сдаточных и сертификационных испытаний в электроустановках потребителей перед вводом в эксплуатацию. Прибор может также использоваться для замеров разновременности срабатывания высоковольтных аппаратов.

• Предложены принципиальные схемы автоматических выключателей. На основе полученных методик организации селективности токоограничивающих аппаратов составлены алгоритмы для контроллеров, управляющих работой этих аппаратов. Каждый из аппаратов отключается при определенном значении /2Г. Значения /2Г определяется проектантом на основании предложенной в работе методики. В качестве параметра предлагается также использовать мощность и энергию электрической дуги. При этом конструкция аппарата оснащается специальными измерительными цепями для контроля тока и напряжения на дуге.

Практическая ценность и реализация.

• Результаты работы касающиеся проверки селективности срабатывания аппаратов защиты используются в учебном процессе в ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» в курсах повышения квалификации для специалистов по проектированию электроустановок зданий и сооружений, специалистов электроизмерительных лабораторий, органах по сертификации.

• Методика подбора селективного оборудования также используется при проектировании систем электроснабжения с повышенными требованиями к надежности и бесперебойности систем защиты электроустановок объектов ОАО «НИИСА», ООО «Техпроект», AHO НИЦ «Центрэлектростандарт».

• Разработанный для эффективного проведения испытаний аппаратов защиты прибор в настоящее время выпускается ОООгНПФ МИЭЭ «Приборы Мосгосэнергонадзора» серийно и активно применяется для проведения сертификационных испытаний аппаратов аккредитованными центрами по сертификации, а также при проведении приемо-сдаточных, сертификационных и эксплуатационных испытаниях систем электроснабжения.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях (Москва МЭИ (ТУ)) с 2004-2005г, а также на заседаниях кафедры ЭиЭА с 2004 по 2009г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы были отражены в шести статьях, которые опубликованы в специализированных изданиях:

• Иващенко B.C., Райнин В.Е. Развитие методов организации полной селективности действия аппаратов защиты. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Десятая научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 2, М.: МЭИ. 2004г.- С. 81-82.

• Иващенко B.C., Райнин В.Е. Естественная селективность автоматических выключателей. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Одиннадцатая и научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 2, М.: МЭИ. 2005г.- С. 97-98.

• Иващенко B.C. Обеспечение селективного действия аппаратов защиты по оценке энергии дуги // Энергобезопасность в документах и фактах. М: МИЭЭ

2005 г. - вып.6. - С. 44-51.

• Иващенко B.C. Селективная работа автоматических выключателей. Энергетический метод анализа // Энергобезопасность в документах и фактах.

2006 г. - вып.4. - С. 24-27.

• Иващенко B.C. Развитие методов организации селективности низковольтных автоматических выключателей. // Электро. Электротехника, электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. -2009 г. - №.5. - С. 47-50.

• Иващенко B.C. Повышение селективности низковольтных автоматических выключателей. // Энергобезопасность и энергосбережение.,-2009 г. - №.5. - С. 3-8.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Полный объем диссертации составляет 231 стр., из них приложения, количеством 5, занимают 96 стр., список использованных источников, количеством 104, занимает 9 стр.

Заключение

1. В результате анализа литературы и состояния проблемы по теме диссертационной работы определены цель и задачи исследования, позволяющие получить научно обоснованные методики, направленные на решение конкретной научно-технической задачи - развитие методов обеспечения полной селективности аппаратов защиты, предназначенных для работы в системах электроснабжения на низком напряжении. Совершенствование систем защиты электроустановок позволяет проектировать системы электроснабжения без излишних запасов по перегрузке на электрооборудование, что снижает их стоимость, габариты и массу. С другой стороны, в случае возникновения сбоев в работе электрооборудования -ограничить аварийные токи и предотвратить выход из строя неповрежденной части электроустановки, что значительно снижает время простоев. Предложена классификация методов обеспечения полной селективности аппаратов защиты

2. Разработаны и реализованы в виде программных моделей методики подбора автоматических выключателей для системы электроснабжения, а именно:

• Разработана математическая модель электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в виде системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, описывающих динамику электромагнитных и механических процессов при сверхтоках.

• Разработана методика проверки полной селективности электромагнитных расцепителей.

• Предложены методы представления энергии электрической дуги отключения токоограничивающих автоматических выключателей.

• Разработана методика проверки полной селективности токоограничивающих автоматических выключателей с учетом их совместного токоограничивающего действия.

3. С целью проверки достоверности полученных в диссертационной работе результатов были проведены экспериментальные исследования, а также проведена статистическая обработка полученных результатов, а именно:

• Создан электронный прибор для измерения времени срабатывания аппаратов защиты, опытный образец которого применялся при натурных испытаниях.

• Разработан комплект компьютерных программ, реализующий методику расчета динамических характеристик системы защиты электроустановки на автоматических выключателях с электромагнитными расцепителями.

• Разработаны рекомендации по оптимальному выбору селективных аппаратов защиты системы электроснабжения.

4. Разработаны новые конструктивные решения улучшающие свойства автоматических выключателей, а именно:

• Разработана функциональная схема автоматического выключателя повышающая надежность срабатывания при небольших токах короткого замыкания.

• Разработаны функциональные схемы и алгоритмы работы микроконтроллеров, повышающие точность работы автоматического выключателя и позволяющие задавать в явном виде в качестве уставки срабатывания расцепителя Джоулев интеграл или энергию электрической дуги при отключении тока короткого замыкания.

• Разработаны функциональные схемы, обеспечивающие полную селективность токоограничивающих автоматических выключателей при совместном их использовании.

5. Внедрение методик проверки селективности аппаратов защиты в стандарты предприятий по разработке проектной документации систем электроснабжения подтверждается актами.