автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение чувствительности контроля сопротивления изоляции электроприводов мобильных машин на предприятиях агропромышленного комплекса

На правах рукописи

Оаерскш Владимир Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕШЯ изоляции ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МОБИЛЬНЫХ МАШИН НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 1995

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор

А.Н.Шаткин

кандидат технических наук, доцент

A.В.Львицын

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

P.M.Долгопятов, кандидат технических наук,

B.А.Йващенко.

Ведущее предприятие - Отдел механизации Саратовского областного управления сельского хозяйства

Зашита диссертации состоится " 14 " июня 1995 г. в ""12 часов на заседании диссертационного Совета К 120.04.02 в Саратовском государственном агроинженерном университете по адресу: 410740, г.Саратов, ул.Советская, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного агроигакенернсго университета.

Автореферат разослан " 1£ " мая 1995 года

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, .

профессор «ЛЪс^г^-ч Н.П.Волосевич

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Частота отказов асинхронных двигателей (АД) в электроприводах (ЭП) агропромышленного комплекса (АПК) достигает от 30 до 7?£ в год. Срок службы изоляции АД составляет от 2.2 до 5.6 лет, что значительно хуже нормативных показателей. Основной причиной отказов является низкая надежность изоляции двигателей ЭП АПК. Около 85-95% отказов в АД связаны с повреждениями их обмоток. Высокая интенсивность отказов изоляции ведет не только к материальным ущербам, но и к электротравматизму. В целом по стране Й4.2% электротравм связаны с повреждениями изоляции, причем в сельском хозяйстве число электротравм в 1.3 раза выше, чем в целом по народному хозяйству.

Существующие защиты АД с действием на отключение не предотвращают внезапности отказа. Внезапность аварийных отключений является причиной простоев оборудования, нарушений технологических процессов, дополнительных затрат на аварийные ремонты, ведет к материальным ущербам и появлению опасных потенциалов на корпусах зануленного оборудования мобильных электроустановок. Действие существующих защит от утечек на корпус типов РУД, ЗОУП, ИЭ9800, М3011 л им подобных на сигнал при снижении сопротивления изоляции в пределах .установленных норм невозможно, так как эти защиты не обладают достаточной чувствительностью. Это не позволяет заблаговременно подготовиться к внеплановому ремонту и провести его в удобное время.

В связи с этим становятся актуальными разработки новых, более чувствительных устройств контроля (УКИ), реагирующих на сопротивление изоляции с действием на сигнал, анализ их помехозащищенности, и научное обоснование области их использования. Решение этих задач позволит существенно улучшить показатели надежности и электробезопасности электроприводов на предприятиях АПК. Эти задачи особенно актуальны для мобильных сельскохозяйственных машин, имеющих наиболее тяжелые условия эксплуатации и низкие показатели надежности электроприводов.

Целью работы является разработка новых, более чувствительных устройств контроля, реагирующих на сопротивление изоляции, для электроприводов мобильных машин на предприятиях агропромышленного комплекса.

Методика исследований. На первом этапе проведено исследование токов в цепи зануления электроустановок предприятий АПК напряжением до 1000 В и синтезирована функциональная схема устройства непрерывного контроля сопротивления изоляции повышенной чувствительности с автоматической компенсацией погрешностей контроля от влияния параметров сети. На втором этапе выявлена рациональная область применения устройств контроля изоляции в виде ограничений по влияющим параметрам сети. В зависимости от ограничений рациональной области применения УКИ; экономических, технологических и надежностных особенностей различных групп электроприводов обоснованы модификации структурных и принципиальных схем УКМ и области их эффективного использования.

В процессе решения использовались методы анализа и синтеза электрических цепей, технической диагностики непрерывных объектов, математического анализа многомерных функций, элементы планирования активных экспериментов и статистического моделирования (Монте-Карло), в том числе У - преобразований и оптимизации с использованием Же - последовательностей.

Теоретические расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись на ЭВМ. Основные теоретические результаты проверены экспериментально на физической модели сети и в производственных условиях.

Научная новизна. Теоретически обоснован и экспериментально проверен принцип построения измерительного органа повышенной чувствительности по току, содержащего в цепи зануления ЭП высокоомный шунт и два силовых вентиля, включенных встречно-параллельно, что позволяет измерять малые токи утечки в цепях зануления. На указанном принципе разработано новое УКИ с повышенной чувствительностью. Новизна устройства подтверждена авторским свидетельством N1223172 СССР, МКЛ 601К12/32.

Получены аналитическое описание рабочего процесса и выражения для анализа методической составляющей ложных сраба-

тываний УКИ при групповом контроле злектроприемников и погрешности измерительного органа УКИ от влияния параметров сети.

На основе анализа методической составляющей ложных срабатываний идеализированных устройств контроля сопротивления изоляции показано, что при групповом контроле число злектроприемников не должно превышать 6-8.

Синтезирована функциональная схема измерительного органа УКИ с автоматической компенсацией погрешностей от влияния параметров сети.

Разработана методика поиска рациональной области применения УКИ в пространстве параметров сетей предприятий АПК с учетом ограничений на погрешность измерительного органа разработанных УКИ. Методика позволяет объективно сравнивать существующие и вновь разрабатываемые УКИ, анализировать целесообразность введения блоков автоматической компенсации погрешностей измерительных органов.

На основе анализа полученной рациональной области применения УКИ, особенностей конструкций схем зануления различных групп ЗП АПК, требований электробезопасности и экономических ограничений выявлена область эффективного применения УКИ. Показано, что наибольшую эффективность разработанные УКИ обеспечивают при применении в ЭП мобильных машин на предприятиях АПК.

Практическая значимость и реализация результатов исследования . Разработаны принципиальные схемы основных модификаций УКИ: с функцией контроля изоляции ЗП, подключенных к одной (УКИ-1) и четырем (УКИ-4) отходящим .линиям, с функцией устройств защитного отключения (УЗО) и совмещением указанных Функций (УКЗ-1).

Установлено, что наименьшие вероятности ложных срабатываний достигаются при применении разработанных УКИ в трехфазных ЭП с:

- длиной кабельного ответвления до 100-5-430 м в зависимости от сечения;

- напряжением нулевой последовательности в сети до 10 В;

- сопротивлением естественного заземления нулевых проводников контролируемой зоны более 8.5 кОм.

В однофазной сети независимо от длины кабельных линий в зоне контроля, или в трехфазной сети с длиной кабельного ответвления более 100-5-430 м или напряжением нулевой последовательности более 10 В измерительный орган УКИ должен быть оборудован блоком автоматической компенсации емкости сети. Ограничение на сопротивление естественного заземления нулевых проводников контролируемой зоны почти всегда выполняется при отсутствии устройств выравнивания потенциалов в установках с радиальными схемами зануления.

Выполнен анализ технико-экономической эффективности применения разработанных УКИ.

Изготовлены и внедрены опытно-промышленные образцы УКЗ-1 для Ш мобильных электроустановок АПК. Использование разработанных устройств в производственных условиях в течение более 2 лет подтвердило их высокую эффективность, отсутствие ложных срабатываний, надежность и удобство в эксплуатации.

Годовой экономический эффект от внедрения УКЗ-1 на Саратовском комбинате хлебопродуктов в схеме беваккумуляторно-го электропогрузчика составил четырнадцать миллионов двести семьдесят три тыс. руб. в ценах на ишь 1994 г., на питающей линии передвижного электрифицированного кормораздатчика типа КС-1,5 свиноводческого комплекса колхоза "Дружба" Базар-но-Карабулакского района, Саратовской области - двести восемьдесят тыс. руб. в ценах на март 1995 г.

Апробация работы. Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетных НИР кафедры ЭШ СГТУ за 1985-1990 годы по теме "Разработка и исследование устройств надежности, экономичности и электробезопасности электроустановок" (шифр темы 1.12.073), за 1991-1995 годы по теме "Повышение надежности и экономичности электроустановок предприятий" (шифр темы 04В.01).

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1984 г. на Всесоюзном научном семинаре АН СССР в г.Новочеркасске, в 1982 г. - на научно-практическом совещании работников Саратовэнерго, в 1994 г. - на межкафедральном семинаре в Саратовском институте механизации сельского хозяйства и с 1981 по 1995 г. - на Декадах науки в Са-

ратовском государственном техническом университете.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в том числе авторское свидетельство N1223172, МКИ (30Ш2/32.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем 258 страниц, из них 190 страниц текста, 69 рис., 7 таблиц и 10 приложений. Список литературы составляет 152 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы: актуальность проблемы, цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность, сведения о внедрении и апробации работы.

В первой главе "Обоснование требований к устройствам непрерывного контроля изоляции и постановка задач исследования" приведены обзор и анализ причин недостаточной надежности электрооборудования в современном производстве предприятий АПК, главными из которых являются отказы электрической изоляции. Обоснован наиболее перспективный путь повышения эксплуатационной надежности электрооборудования - непрерывный функциональный контроль сопротивления изоляции на ранней стадии развития повреждений.

Проведен анализ методической составляющей лстазых срабатываний идеализированных устройств контроля сопротивления изоляции. Показано, что при групповом контроле число электроприемников не долкно превышать 6-8, а устройство контроля должно обладать селективностью действия.

Показано, что устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции должно иметь диапазон измерений, перекрывающий нормативные значения на сопротивление изоляции; прибор визуального отсчета показаний сопротивления изоляции и регулируемую во всем диапазоне измерений уставку сигнализации.

Известны работы Г.10.Гордон, А.О.Грундулиса, Г.П.Ерошен-ко, В.П.Кораблева, В.Ф.Короля, О.К.Никольского, С.И.Новикова, В.В.Смирнова, Е.Ф.Цапенко, А.И.Якобса и ряда других

отечественных и зарубежных авторов, посвященные разработкам УКИ и защит от утечек. Из аналитического обзора литературы видно, что существующие устройства по разным причинам не могут выполнять функции контроля исправности изоляции. Наиболее полно сформулированным требованиям удовлетворяют уст-рпжп'на на баз'-* дифференциальных трансформаторов тока, ряд из которых: РУД, .ЧОУП, ИУ9800, М3011, - выпускаются сериино. Однако, эти устройства обладают недостаточной для ранней диагностики повреждений изоляции чувствительностью. Причем, возможности повышения чувствительности этих устройств практически исчерпаны.

В качестве оазового варианта дальнейших разработок принята усовершенствованная схема измерения малых токов утечек в цепях зануления электроустановок, основанная на параллельном соединении высокоомного шунта с встречно-параллельно включенными силовыми вентилями. Принцип измерений машх токов утечек в сильноточной цепи зануления защищен авторским свидетельством.

Исходя из результатов анализа сформулированы следующие задачи исследования:

■ 1. Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния параметров сети на ток в цепи зануления ЫП АПК и погрешность контроля сопротивления изоляции выбранным методом.

Выбрать и экспериментально проверить базовую структуру л'КИ на основе непрерывных измерений малых токов утечки в цепи зануления.

3. Разработать методику, в виде критериев, алгоритмов и программ, выбора рациональной области применения разрабатываемых УКИ с точностью до численных значений влияющих параметров сети.

4. С учетом экономических, надежностных критериев и требований электробезопасности сопоставить рациональную область применения УКИ с конкретными отраслями и электроустановками на предприятиях АПК. Обосновать модификации структурных схем УКИ, обусловленные их конкретным, эффективным применением.

Разработать принципиальные схемы основных узлов УКИ, изготовить и внедрить промышленные макеты разработанных УКИ.

Во второй главе "Теоретические исследования влияния факторов сети на ток в цепи зануления" разработана расчетная схема для анализа тока в цепи зануления. Топология расчетной '■•■хемы и «е параметры выбраны из необходимости анализа слабых токов утачки на ранней стадии поврездени? изоляции.

Для анализа условий селективности действия УКМ вся сеть разделена на две зоны: контролируемую и неконтролируемую.

Аналитическим путем получено уравнение тока в цепи зануления контролируемой зоны в зависимости от семнадцати параметров сети , которое является действительной характеристикой преобразования непосредственно измеряемого тока в показания сопротивления изоляции

]р - --- { — + зо)Сд ГЗио+ид (а2ДСв*+аДСо) 3 +

(Рр-^н) У ^ Ку ~ ~

А

(1)

Ге+(г'о ) и+ге/г0) 1' где 1?у - сопротивление изоляции контролируемой зоны сети;

К'р - входное сопротивление измерительного органа УКИ;

Од - фазное напряжение в контролируемой зоне сети;

у 1 х • м х 1 А И-Чв'^н'Угг,

( - — + Л <оС + ——-— + -7———--- - суммар-

Ру Ир+гм ге+(ге (1+ге/гс)

ная проводимость мезду корпусом контролируемого токоприемника и нейтралью трансформатора в режиме малых токов утечки.

В расчетах для комплексных величин , 1и', Уо и Ей' принималась следующая форма записи >

^'-Ял' (1+3 ^фь'), Уо"иоехр(з<ро), Ен'-Ен'ехрСзФм')» где (Рь-агс1д(Хм/^); (рь'-агс^Хы'/^м'); и Хм,Хм' - ак-

тивные и реактивные составляющее проводников зануления контролируемой и неконтролируемой зон сети соответственно; 1)о, Ем' - действующие значения и Фо. <Ж' ~ Фа®ы напряжений нулевой последовательности и смещения нейтрали соответственно; ЛСр^-ДОрУСд, ДСс^-ДСс/Са - относительные отклонения емкостей Фая В и С по сравнению с емкостью Од фазы А с утечкой.

Как видно из уравнения (1), случайные изменения параметров сети во времени, или в зависимости от конкретного места

уогыяоьки устройства н^щюрнхного контроля сопротивления изоляции будут приводить к иамеж>нмим тока в цепи эануления !1 к появлениям погрешностей непрерывного контроля изоляции.

Погрешность контроля сопротивления изоляции оцениваиаоь по откло^нию действительной характеристики от градировочной крииой

'рн " 11ФИ/'? > (£)

где иФК - номинальное фазное напряжение сети;

Я - показания УКИ.

Исходя из равенства 1рн - 1р, с. учетом выбранной градуи-ровочной зависимости (£), для относительной погрешности контроля изоляции получим соотношение

_ ,, К " «у ив«

а?|'хк1 ----:— 1 , о)

Ку Ку1рСХ )

где 1р - модуль комплексного выражения (Г);

Х|; - вектор влияющих параметров сети;

к"17 - размерность вектора Хк.

По результатам анализа отдельных составляющих погрешностей контроля изоляции синтезирована функциональная схема измерительного органа (рис.1) с автоматической компенсацией елияния отклонения напряжения от номинального, составляющей напряжения нулевой последовательности и составляющих высших гармоник в сети, емкости фазных проводников контролируемой зоны и неуравновешенности емкостей фаз сети относительно земли. Получены функции преобразования и соотношения для выбора параметров блоков автоматической компенсации. Получены условия обеспечения селективности действия УКИ для широкого диапазона изменения напряжения смещения нейтрали неконтролируемой зоны и шунтирующего действия сопротивления естественного заземления нулевых защитных проводников контролируемой ноны сети.

Разработанная Функциональная схема (рис.1) позволяет получить стабильную характеристику преобразования со стандартной логарифмической шкалой.

В треты-й г.даве "Теоретическое (<к»сиовачи? рациональной области применения устройств непрерывного ютнтрсяя ияоляции и пространстве численных значений параметров сетей электроустановок агропромышленного комплекса" для анализа целесообразности автоматической компенсации тех или иных составляющих погрешности контроля изоляции, ранжирования влияющих факторов сети и выбора рациональной области применения УКЙ 17-мерная функция погрешности контроля изоляции (3) исследовалась методом ¥ - преобразований. Метод, предложенный академиком Чичинадве, представляет собой интегральное лреобра-яонание многомерной функции к эквивалентной ей одномерной зависимости

" • -]сй<1.. .¿Ху - ]\. .]'В(.Хк) <Мх.. -сКк. (4) ^лоп ЕКо

где н.хк;

1. если ic>Ri.X ) К бдел

О, сс.ии i 5R',Xk) |>6Bori " характеристическая

функция погрешности измерений сопротивления изоляции;

Екдоп—< Хк:juR(Xk)К5лоп > - допустимое множество параметров сетей, в котором погрешность контроля |SR| по модулю меньше некоторого заданного уровня 5ЛОп;

Щоп ' мера (многомерный объем) множества ЕкДОп;

Ek0 - -iXk: AkcÄXKiB1;0> - исследуемое пространство параметров сетей;

Ak0--iA0j>, Bk0=-{B01> - границы интервалов изменения параметров сетей, включающие в себя все их возможные значения;

к-17 - число исследуемых параметров сети.

Реальная 17-мерная функция погрешности контроля изоляции на основе алгоритма (4) преобразовывалась к одномерной зависимости погрешности контроля от эквивалентного среднегеометрического параметра сети

Ыбдоп) - V тпк - / -

\J тдол!-5доп)

15)

/' ^(Boj - Aoi)

Усредненный параметр сети 1* представляет собой дополнительный критерий качества разрабатываемых УКИ. Он характеризует собой (5) относительную долю объема исследуемого пространства параметров сети, в котором реальная погрешность контроля изоляции (3) не превышает заданного уровня 5ЛОп- С ростом погрешности эта доля объема возрастает. По характеру этой зависимости можно судить о широте применения разрабатываемого устройства в сетях предприятий АПК. Зависимость усредненного параметра сети 1* от уровня погрешности контроля изоляции 5Дол представляет собой взаимосвязь мевду двумя противоречивыми критериями, качеством контроля и возможностью применения устройств контроля в сетях предприятий АПК.

Для вычисления многомерных интегралов (4) в отдельных точках 5доп применялся метод Монте-Карло с зондированием пространства параметров сети точками ЛП.% - последовательностей. Аппроксимированная методом наименьших квадратов зависимость 1*-Г(5Доп) имеет вид

1* - 0.6919 + 2.897 бдоп " 25.49 5Д0П2 +

+ 102.3 Бди,3 - 144.3 5доп4. (б)

Расширять область 1 * применения УКИ в ущерб качеству 5доп целесообразно лишь до тех пор, пока 5ДОп не начнет быстро возрастать. Формально это условие можно записать в виде

¿(1*) > ¿(бдоп). (7)

Точка компромиссного решения с наибольшей областью применения и минимальным ущербом в качестве контроля будет соответствовать условию равенства в (7)

с/П*)

—-— - Р(5опт) - 1. (8)

о(Бдоп)

где Р - производная от правой части выражения (6).

Для разрабатываемых устройств решение уравнения (8) составляет бопт-5.18%.

Установлено, что каждому устройству соответствует своеобразная компромиссная зависимость (6), определяемая их

функциями погрешности типа (3) и уравнениями характеристик преобразования типа (1). Это позволяет объективно сравнивать различные по конструкции устройства между собой, ранжировать влияювде факторы сети и оценивать целесообразность компенсации тех или иных составляющих погрешностей контроля.

Сравнением компромиссных кривых разрабатываемых устройств и устройств с дифференциальными трансформаторами тока установлено, что разрабатываемое устройство в широком диапазоне погрешностей 5ДОп имеет большую область применения 1*.

Используя разницу мер мнсакестЕ при влиянии 1-того параметра сети (5) и при его некотором постоянном значении Xj-Const

Ami - гпдст- " Щдогт (Boi- Aoi)J\ ..J cfXi...dX},-b (9)

<Xk_1: (бМХ^Жбдол}

где 5Ri(Xk~1)-5Ri(Ki...Ki-i, Xj-Const., Xi+i...Xk) - проекция функции 6R(XK) на k-1 - мерную грань пространства параметров при Xj-Const; можно ранжировать параметры сети. Достоинством ранжирования по критерию (9) в отличие от традиционных методов является большая плотность зондирования пространства параметров сети, что позволяет учесть нелинейный характер взаимосвязей между параметрами сети в исследуемой зависимости (3). На основе критерия (9) к числу сильно влияющих факторов отнесены: емкость сети относительно земли, неуравновешенности емкостей фаз, сопротивление естественного заземления проводников ва-нуления, напряжение в сети и его составляющая нулевой последовательности в зоне контроля УКМ. Остальные параметры сети слабо влияют на погрешность контроля изоляции.

Зондированием пространства влияющих параметров сети установлено, что на оптимальном уровне погрешности контроля изоляции 50пт сечение Е30пт функции погрешности (3) представляет собой невыпуклую и многосвязную область. Поэтому задача поиска рациональной области применения устройства контроля изоляции решалась как оптимизационная задача наилучшей аппроксимации допустимой области Е30пт линейными ограничениями вида Ai<Xj<Bi.

- 15 -

Обоснован критерий, позволивший ь пределах рациональной области применения УКИ получить минимум зол с погрешностью более оптимальной и максимум зон с погрешностью менее оптимальной

пКЕ^опт Г! Ег'г?) р ----- _ [1|аЛ( (10)

пКЕ^оп-т и

где Е3опт _ множество параметров сети, для которых погрешность контроля меньше бопт~5-18%;

Е3я> - ■'Хг': Аг- -'В3 > - рациональная область применения УКИ;

А®, В"' - границы рациональной области;

з=8 - число влияющих параметров сети после ранжирования и отсеивания слабо влияющих параметров.

Иллюстрация относительного расположения одной из проекций допустимой области и рациональной области применения УКИ показана на рис.2.

При отсутствии специальных средств автоматической компенсации и в пределах полученной рациональной области применения УКИ (та&л.1) среднее значение погрешности контроля близко к нулю (1.3%), а вероятная погрешность для трехфазных электроприемников лежит в пределах от 13 до 16%.

Из анализа табл.1 видно, что главным ограничивающим фактором сети является сравнительно высокое значение сопротивления естественного заземления проводников зануления в зоне контроля. Оно должно быть не менее 8.5 кОм. Это ограничивает применение разрабатываемых УКИ в сетях со сложновамкнутыми цепями зануления или устройствами выравнивания потенциалов, в сетях, где в контролируемой зоне сети должны быть предусмотрены повторные заземления нулевых защитных проводников, и в сетях с разветвленными подземными коммуникациями. Наиболее широко разработанные УКИ могут применяться для контроля изоляции электроприводов мобильных, передвижных и переносных машин, в которых повторное заземление проводников зануления затруднено, а рабочие и защитные нулевые проводники разделены.

В трехфазных сетях при емкости до 0.05 то есть при длине контролируемого кабельного ответвления до 100+430 м

Рис.Пример проекций допустимой области параметров сети Е5опт и рациональной (табл.1) области применения УКИ на двумерную

плоскость 1?ухс!д

компенсация ряияния емкости сети не требуется.

В однофазных сетях при той же емкости сети измерительный орган должен быть оснащен блоком автоматической компенсации влияния емкости сети.

Диапазон контроля сопротивления изоляции от 100 до 1500 кОм является достаточным для ранней диагностики повреждений изоляции в асинхронных злегстродвигателях, используемых на предприятиях АПК.

Остальные параметры сети практически не ограничивают области применения разрабатываемых устройств.

В четвертой главе "Экспериментальные исследования режимов работы и уточнение базовой структуры устройства непрерывного контроля сопротивления изоляции" для проверки основных теоретических положений разработана и изготовлена физи-модель сети с топологией, аналогичной расчетной схеме сети. Уравнение (1) демстиитъ-лъпой характеристики преобразования УКИ проверено экспериментально но критериям множес-т-

Таблица 1

»

Результаты оптимизации рациональной области применения УКИ

Параметр сети Обозначение Единица измерения Границы рациональной области применения УКИ

Ai Bi

Сопротивление изоляции RV кОм 100 1500

Сопротивление естест- ге Ом 8500 CO

венного заземления

проводников зануления.

Емкость сети относи- CA МКФ 0.0 0.05

тельно земли.

Неуравновешенность ÄCb* o.e. -0.15 0.15

емкости фазы В.

Неуравновешенность o.e. -0.15 0.15

емкости фазы С.

Напряжение сети. ÜA В 200 230

Напряжение нулевой Uo В 0.0 10

последовательности.

Фаза напряжения ну- <Ро рад. -8.14 3.14

левой последователь-

ности.

венной корреляции и дисперсионному отношению Фишера и показало хорошую сходимость с экспериментом.

На основе теоретических исследований разработан и экспериментально опробован ряд практических схем УКИ, отличающихся сложностью схемы и стоимостью измерительного органа. Экспериментально подтверждена рациональная область применения и минимально необходимая конфигурация измерительных органов каждой из модификаций разработанных УКИ.

Для каждого блока измерительного органа (рис.1) выбраны наиболее простые принципиальные схемы на базе интегральной микроэлектроники, приведены расчетные соотношения для выбора их элементов. Для макетов каждого из блоков экспериментально получены выходные характеристики в статических и динамических режимах работы. Выходные характеристики УКИ представлены на рис.3.

Экспериментальные зависимости выходного напряжения логарифмирующего усилителя LOG от сопротивления изоляции:

1 - номинальная характеристика;

2 - для Сд-0.01 мкФ без компенсации емкостного тока при 1)л-220 В;

3 - для Сд-0.01 мкФ с компенсацией емкостного тока при ид-220 В;

4 - для Сд-0.01 мкФ с компенсацией емкостного тока при Ua-1?0 В

УКИ с измерительными органами на базе интегральных операционных усилителей, построенные по функциональной схеме рис.1, позволяют обеспечить:

- унификацию блоков, с помощью которых могут быть собраны измерительные органы с. различными, минимально необходимыми в заданных условиях эксплуатации УКИ,' функциональными возможностями;

- стандартную логарифмическую градуировку шкалы прибора PV в диапазоне измерений УКИ от 25 до Й500 кОм;

- независимость показаний УКИ от отклонений напряжения и от значения емкости табельного ответвления контролируемой зоны сети;

Рис.3. Кривая

- помехозащищенность УКИ от постоянных составляющих

I

блуждающих токов, апериодических составляющих переходных процессов и высших гармоник в контролируемой зоне сети;

- термостабильность показаний УКИ в диапазоне температур от -40°С до +40°С;

- выходной сигнал в стандартном диапазоне 0+10 В для прямого сопряжения с АЦП массового применения;

- непрерывный самоконтроль выходного каскада LOG и индикаторного прибора PV, работающих в нагруженном режиме при отсутствии утечки в контролируемой зоне сети;

- совместимость в одном устройстве функционального контроля изоляции с функциями устройств защитного отключения.

В главе пятой "Разработка модификаций, производственные испытания и результаты внедрения устройств непрерывного контроля сопротивления изоляции" все электроустановки АПК по достигаемому эффекту от внедрения устройств непрерывного контроля сопротивления изоляции разделены на три группы:

1-е высокими требованиями к электробезопасности;

2-е высоким экономическим эффектом от внедрения УКИ;

3 - электроустановки с недостаточной надежность», но незначительным ущербом от отказа.

Принцип формирования области эффективного применения устройств контроля изоляции проиллюстрирован на рис.4 и заключается в приоритетном совмещении множеств электроустановок типа 1-3 с областью 4 рационального применения УКИ (табл.1). Стремление упростить и удешевить конструкцию устройств контроля привело к формированию четырех модификаций устройств.

Наиболее простым из них является устройство, выполняющее только функции защитного отключения (УЗО).

При ущербе, соразмерном с затратами на устройство, целесообразно усложнить конструкцию, добавив прибор визуального контроля сопротивления изоляции, логарифмический усилитель для выравнивания шкалы и регулируемую уставку сигнализации (УКИ-1).

При совмещении диагностических и защитных функций устройство практически отличается от УКИ-1 лишь тем, что электронное реле действует на отключение напряжения сети (УКЗ-1).

1 - Установки с повышенными требованиями к электробезопасности (преимущественно ЭП мобильных машин I;

2 - Ответственные установки, отказ ЭГ1 которых приводит к ощутимому ущербу от внезапности отказа и простоя оборудования (преимущественно ЭП животноводства);

8 - Установки малой надежности, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, но с малым ущербом от отказа (преимущественно пП растениеводства);

4 - Рациональная область применения УСТ (табл.1);

5 - Все электроустановки АПК.

Рис.4. Иллюстрация подхода к формированию модификаций блок-схем и области эффективного применения УКИ.

Наконец, при малом ущербе, но недостаточной наработке целесообразно с помощью одного измерительного органа контролировать изоляцию злектроприемникоЕ нескольких отходящих линий. Для обеспечения селективного контроля нелинейные датчики тока подключаются к измерительному органу через селектор канала с максимальным входным сигналом. Принципиальная схема селектора разработана для четырех (УКИ-4) контролируемых линий и допускает многократное расширение входов.

ОСНОВНЫЕ вывода

1. На основе проведенного анализа и выполненных исследований обоснована целесообразность и перспективность использования чувствительных устройств непрерывного контроля сопротивления изоляции для электроустановок АПК.

2. ¡"формулированы требования к УКИ электроустановок предприятий АПК. Г-)то селективность действия, широкий диапазон измерений, регулируемая уставка с действием на сигнал (отключение для УоО). Показано, что достоверность показаний УКИ обеспечивается при числе электроприемников в контролируемой группе не более 6-8. Показано, что существующие УКИ и защиты от утечек не удовлетворяют сформулированным требованиям, а главными их недостатками являются низкая чувствительность или отсутствие селективности действия.

?>. Разработаны новые аффективные УКИ, на основе шунтов с нелинейными вольт-амперными характеристиками, обеспечивающие высокую чувствительность, широкий диапазон измерений, селективность действия, простоту схемных решений. Предложенные устройства сочетают в себе функции диагностических средств и устройств защитного отключения. Предусмотрен встроенный контроль основных узлов УКИ в процессе работы. Часть узлов УКИ охвачена непрерывным автоматическим самоконтролем исправности. При нарушении их работы подача напряжения в контролируемое оборудование становится невозможной.

4. Предложена расчетная схема распределительной сети напряжением до 1000 В, на основе которой разработаны математические модели для оценки влияния параметров сети на погрешность измерений УКИ. Достоверность математических моделей подтверждена экспериментальными исследованиями на физической модели распределительной сети. Исследовано влияние 17 параметров сети. Установлено, что ток в цепи зануления ЭП АПК !р в достаточной степени отражает состояние изоляции, а задача измерения сопротивления изоляции при определенных условиях (.табл.1) сводится к измерению тока в цепи зануления.

< >о

Ь. Найдены ограничения по восьми наиболее сильно влияющим параметрам распределительной сети (табл.1), внутри которых обеспечивается наиболее широкая область применения разработанных УКИ. Экспериментальным и расчетным путем выявлены два основных параметра сети, определяющие рациональную область применения УКИ. Уто емкость сети и сопротивление естественного заземления зоны контроля. Выявлено влияние параметров сети на селективность действия УКИ и получены условия ее обеспечения.

6. На основе математических моделей влияния параметров сети синтезирована функциональная схема измерительного органа УКИ с автоматической компенсацией погрешности контроля от влияния отклонения напряжения, напряжения нулевой последовательности и высших гармоник в сети, емкости сети относительно земли, неуравновешенности емкостей Фаз. Получены соотношения для выбора функций преобразований и коэффициентов передачи всех функциональных блоков измерительного органа с автоматической компенсацией погрешности контроля сопротивления изоляции.

?. Обоснована область аффективного использования УКИ с учетом экономических факторов, особенностей распределительных сетей, конструкций цепей вануления различных групп электроприемников на предприятиях АПК и модификаций схемотехнических ревенш разработанных УКИ. Обоснована минимально необходимая конфигурация блок-схем каждой из модификаций УКИ.

8. Изготовлены и внедрены опытно-промышленные образцы УКЗ-1 для мобильных электроустановок АПК. Использование разработанных устройств в производственных условиях ь течение более 2. лет подтвердило их высокую эффективность, отсутствие ложных срабатываний, надежность и удобство в уксплуатации.

9. Определены перспективы внедрения УКИ различных модификаций для повышения нфф«ктииности использования электроустановок. на предприятиях АПК путем непрерывного контроля сопротивления изоляции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Озерский В.М., Кузин С.Г., Чесноков Б.П. Погрузчик работает бив аккумулятора/'/' Степные просторы, 1994, N11. -С.14.

?.. Озерский В.М. Компромиссный выбор допустимой погрешности измерений и полноты решения задачи непрерывного контроля сопротивления изоляции в сетях с. глухозаземленной нейтралью. 1988. -19с. Дел. в ИНФОРМНЛЕКТРО 01.07.8В, N204-3t88.

о. Шаткин А.Н., Озерский В.М., Львицин A.B. Блок питания мобильного электропогрузчика //Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Медвуз, научн. сборн. -Саратов: Сарат. гос. техн. университет, 1994. -С.54-60.

4. Озерский В.М. Влияние стоимостных показателей на допустимое значение сопротивления изоляции при непрерывном контроле группы токоприемников// Межвузовск. научн. сборн.: "Повышение эффективности использования энергоресурсов Поволжья". -Саратов, 1У91, -С.80-85.

5. Озерский В.М. Эффективность непрерывного контроля сопротивления изоляции в сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью// Сборн. научн. трудов "Электроснабжение и электрооборудование отраслей народного хозяйства". -Ульяновск, 1У90. -С.48-52.

6. Озерский В.М., Резчиков А.Ф., Митяшин Н.П. Алгоритм многокритериального проектирования сложных преобразовательных устройств// Межвузовск. научн. сборн.: "Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода". -Саратов, 1У91. -С.40-44.

7. Озерский В.М., Кожевников В.Ю. Динамическое управление работой сверхвысокочастотной электротермической установки для сушки сельхозпродуктов с использованием микропроцессорной системы/7 Межвузовск. научн. сборн.: "Волновые линии, системы и элементы технологических установок СВЧ". - Саратов: Ротапринт СГТУ, 1994. -С.78-81".

8. Озерский В.М., Львицин A.B. Расчет маломочного прецизионного выпрямителя с емкостным фильтром в цепи обратной связи //Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. научн. сборн. -Саратов: Сарат. гос.;

- 24 -

техн. университет, 1Й94. -П.4-8.

Я. о»срскйй B.W., Хусаинов И.М. Конструктивный расчет дросселя с ферромагнитным сердечником к немагнитным зазором. -Паратов, 1УЯ4. -9с. -Деп. в ВИНИТИ Ю.06.У4, М1440-ВУ4.

Ю. Озерсжда R.M. Непрерывный^ контроль сопротивления изоляции в сетях с гдухозаземленной нейтралью// Создание преобразовательных устройств для систем электроснабжения: Сборн. статей. -Паратов. 1988. -0.30-34 -Деп. в ИНФОРМЭНЕРРО 15. 0?.. yf, N"744 - MI1Ö8.

13. A.c. 1223172 СССР, МКИ S01R12/32. Устройстве для непрерывного контроля сопротивлений изоляции токопри."мников б сетях с .глухозаземленной нейтралью/ В.М.Озерский, А.Н.Шат-кин. (СССР).

ОЗЕРСКИЙ Владимир Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ аНЕКТРОПРИВОДОВ МОБИЛЬНЫХ машин НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Автореферат

Ответственный за выпуск к.т.н., доцент И.М.Хусаинов Корректор O.A.Панина

Подписано в печать 10.05.95

Бум. оберт. Усл. —печ. л. 1,0

Тираж IOO экз. Заказ Í0?.

Саратовский государственный технический уннверентет 4100,16 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Ротапринт СГТУ, 4)0016 г. Саратов, ул. Политех лическая, 77

Формат 60Х&4 1-16 Уч. — изд. л. 1,0 Бесплатно