автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Выбор и разработка процедуры управления динамикой подключения ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения

На правах рукописи

005051160

ВИХРОВ МИХАИЛ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ВЫБОР И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013г.

005051160

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Цырук Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

заведующий кафедрой «Электроснабжение и электрические машины» Московского государственного агроинженерного

университета им. В.П. Горячкина, доктор технических наук, профессор Лещинская Тамара Борисовна

генеральный директор ООО кандидат технических наук, Понаровкин Дмитрий Борисович

«ЭНИЗАН»,

Ведущее предприятие:

ОАО «ВНИПИнефть» г. Москва

Защита состоится 15 марта 2013 года в аудитории М-611 в 12 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьк организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НШ> «МЭИ».

Автореферат разослан «У?» орДюралЛ 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном мире всё большее распространение получают технологии и установки, предъявляющие повышенные требования к бесперебойности электроснабжения. С каждым годом доля чувствительной нагрузки увеличивается. В основном это происходит за счет повсеместного внедрения микроконтроллерной автоматизации и компьютеризации производственных процессов. Поэтому мы всё чаще сталкиваемся с понятием «ответственный потребитель». Перерыв электроснабжения ответственных потребителей может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Для предотвращения нарушения питания таких электроприемников необходимо принимать ряд мер, которые позволят повысить степень бесперебойности системы питания данных потребителей. Одной из таких мер может служить пересмотр рабочей системы заземления нейтрали с системы ТЫ, повсеместно распространенной у нас в стране, на систему 1Т, имеющую ряд преимуществ с точки зрения бесперебойности питания. Другой мерой можно считать организацию дополнительного питания от независимого источника. В последнее время в качестве независимого источника питания все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП) статического типа. Следует отметить недостаточную проработку нормативной базы, описывающей вопросы электроснабжения от ИБП статического типа.

В 2003 году введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-ого издания, что привело к ужесточению требований к времени автоматического отключения питания в сетях до 1 кВ. Принятие новых нормативных документов с более жесткими требованиями к обеспечению электробезопасности потребовало пересмотра применяемой коммутационно-защитной аппаратуры, методик выбора кабелей и изменения существующих подходов к проектированию систем электроснабжения в целом.

Актуальность решаемой задачи обусловлена несколькими факторами:

• увеличением с каждым годом доли ответственных потребителей, чувствительных к перерывам электроснабжения;

• отсутствием рекомендаций по подключению ответственных потребителей в условиях ужесточившихся требований к электробезопасности.

Следует отметить, что на данный момент отсутствуют методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа в сетях ГГ.

Целью работы является исследование мер по повышению бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей и разработка рекомендаций по построению систем электроснабжения таких потребителей в

условиях ужесточения нормативов по обеспечению электробезопасности в электроустановках до 1 кВ.

Достижение конечной цели диссертационной работы осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1. выявление причин нарушения электроснабжения потребителей и оценка часовой стоимости простоя; I 2. анализ систем заземления нейтрали с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей;

3. исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей;

4. сравнительный анализ источников бесперебойного питания и их конфигураций;

5. исследование принципов работы системы питания и защиты ответственных потребителей в случаях перехода от системы заземления TN к системе заземления IT;

6. разработка рекомендаций по подключению ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения;

7. разработка дополнений для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, в части ответственных потребителей.

Основные методы научных исследований. Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных. Комплекс программ разработан с использованием программы Delphi, версия 7. Базы данных разработаны на Access-2000. Расчетный эксперимент проводился в среде программного комплекса «Mathcad Professional».

Научная новизна заключается в следующем:

1. Проведен комплексный анализ мер по повышению надежности и бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей. На основании полученных результатов даны рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания.

2. Разработана методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления IT при питании об ИБП статического типа.

3. Обосновано использование разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления TN на сеть с изолированной нейтралью.

4. Предложены рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления TN на сеть IT при питании ответственных электроприемников.

5. Разработаны дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенного для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении и позволяющего вести расчет для ответственных потребителей.

Практическая ценность работы и ее реализация состоят в том, что разработанные подходы и рекомендации позволяют построить схему электроснабжения ответственных потребителей таким образом, что время нарушения питания потребителей будет удовлетворять современным требованиям. В работе решается задача выбора параметров схемы электроснабжения электроприемников напряжением до 1кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении в соответствии с требованиями современной нормативной базы (ПУЭ 7-ого издания, ГОСТ Р 50571). Дополнения к комплексу программных средств позволяют сокращать сроки проектирования за счет автоматизации процесса выбора сечения токопроводящих жил кабелей напряжением до 1кВ как при электроснабжении от понижающего трансформатора так и от ИБП статического типа. Разработанная методика и рекомендации ориентированы на широкий круг пользователей и могут быть рекомендованы к применению в проектных, научно-исследовательских и других организациях.

Достоверность результатов Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, теории электрических цепей, численных методов решения систем алгебраических уравнений. Достоверность результатов исследования подтверждается корректностью исходных посылок, корректным использованием апробированных математических моделей элементов системы электроснабжения. Расчетный эксперимент проводился в среде программного комплекса «Mathcad Professional».

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в практику проектирования организаций ООО «Коэнергия», ООО «Сложные инструменты».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ для питания ответственных потребителей с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания. Методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления IT при питании об ИБП статического типа

2. Обоснование использования разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления TN на сеть с изолированной нейтралью.

3. Рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления TN на сеть IT при питании ответственных электроприемников

4. Дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования и использующих разработанные методики.

Апробация. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались и обсуждались на ряде конференций и семинарах, в том числе: VII межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2010); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); ХЬ Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) «Фёдоровские чтения -2010» (Москва, 2010); XVII Ежегодной международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011); X Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (Орел, 2012), на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» НИУ «МЭИ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 печатных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 228 страницах, включая 24 таблиц и 34 иллюстрацию. Список использованной литературы включает 52 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Приложения представлены на 101 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.

В первой главе дан обзор современной нормативной базы в области электробезопасности, сформулированы основные принципы защиты от электропоражения, приведена классификация потребителей особой группы, рассмотрены системы заземления нейтрали в сетях до 1 кВ с точки зрения повышения бесперебойности питания.

Практически все промышленные объекты и административные здания содержат в своей структуре электроприемники первой категории и особой группы по бесперебойности электроснабжения. К таким объектам относятся: нефтеперерабатывающие предприятия, химические комбинаты, информационно-вычислительные комплексы, диспетчерские аэропортов, реанимационные и операционные отделения больниц и прочее.

На основании данных европейских комиссий часовая стоимость простоя ответственных потребителей, связанная с перебоями электроснабжения, достигает миллионов евро.

Для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей особой группы первой категории все чаще используются источники бесперебойного питания статического типа. Электроснабжение от ИБП имеет ряд важных особенностей, отличающих его от электроснабжения через понижающий трансформатор.

Говоря о системах заземления нейтрали, нужно сказать, что, с точки зрения бесперебойности питания, лучше всего использовать систему заземления IT, в которой нет необходимости отключать однофазные замыкания на корпус, которые составляют до 80% всех замыканий в сети. При этом необходимо учитывать, что сеть с изолированной нейтралью более сложна в эксплуатации и требует постоянного контроля изоляции.

Необходимость обеспечивать выполнение требований к электробезопасности электроустановок накладывает определенные особенности на решение задачи бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей. Основной мерой защиты человека при косвенном прикосновении является автоматическое отключение установки или ее части при повреждении изоляции. В ПУЭ успешность защиты определяется временем отключения. Чем больше напряжение прикосновения, тем быстрее должно происходить отключение.

Во второй главе приведены меры по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей, приведена классификация ИБП в соответствии со стандартом IEC 62040-3 и структура схем гарантированного питания, приведены методики расчета токов КЗ в сетях ГГ, предложено использование разделительного трансформатора как меры по переходу на систему заземления IT.

Как уже было сказано ранее, в качестве мер по повышению надежности и бесперебойности питания ответственных потребителей можно предложить две меры.

Первой мерой является использование источников бесперебойного питания

Стандарт IEC 62040-3, выделяет 3 топологии ИБП:

• passive standby - ИБП резервного типа;

• line interactive - ИБП линейно-интерактивного типа;

• double conversion - ИБП с двойным преобразованием.

Наибольшее распространение при питании промышленных потребителей

получила топология с двойным преобразованием энергии.

Преимуществами топологии ИБП с двойным преобразованием являются:

• постоянное поддержание выходного напряжения на выходе ИБП при питании от сети и батареи;

• изоляция нагрузки от вышестоящей сети, отсутствует передача помех в сеть питания нагрузки, таких как перенапряжения и импульсы;

• широкий диапазон входного напряжения, позволяющий поддерживать регулировку выходного напряжения в заданных пределах;

• мгновенный переход в автономный режим работы при повреждении сети.

Второй мерой по повышению надежности и бесперебойности питания ответственных потребителей является переход с системы заземления ТМ на систему заземления 1Т в питающей сети. Для использования этой системы заземления и правильного построения защиты необходимо производить проверку срабатывания аппарата защиты за требуемый промежуток времени при минимальном токе двухфазного короткого замыкания.

Существуют два вида систем заземления 1Т в зависимости от структуры нулевого рабочего проводника: с нераспределенной нейтралью и с распределенной нейтралью.

Прямое прикосновение здесь может быть опасно при большой емкости сети или плохой изоляции. Ток замыкания на землю в системе 1Т определяется конфигурацией данной системы: наличием или отсутствием распределения нулевого рабочего проводника, способом заземления потребителя. При первом замыкании ток имеет очень низкие значения, поэтому отключение данной сети не требуется, необходимо только своевременно обнаружить и устранить причину одиночного замыкания. При неустраненном первом замыкании и возникновении в сети второго замыкания возникает режим опасный для здоровья человека, и в этом случае требуется немедленное отключение такой сети.

Из формул расчета тока двухфазного КЗ можно сделать вывод, что при использовании отдельных заземлителей электроустановок отключение сети должно производиться устройством защиты по дифференциальному току, а при общем заземлителе - защитой от сверхтоков. Как правило, отдельные заземлители применяют на установках, которые расположены достаточно далеко друг от друга. Если же установки находятся рядом, то используется общий заземлитель. Таким образом, можно считать, что при отдельных заземлителях человек не может одновременно коснуться двух корпусов с замыканием.

Кроме того, с точки зрения питания ответственных потребителей, нам необходимо отказаться от УЗО, чтобы не было ложных срабатываний и отключений сети при первом замыкании. Поэтому далее мы будем рассматривать только сети с общим заземлителем, в которых стоит только одна защита - защита от сверхтоков.

В действующей сети с системой заземления ПМ переход на систему заземления 1Т может осуществляться установкой разделительного трансформатора, принцип действия которого заключается в гальванической развязке. Нейтраль вторичной обмотки изолирована от земли. Чаще всего разделительные трансформаторы встречаются с коэффициентом трансформации 1.

Примером таких трансформаторов могут служить трансформаторы типа ТРТ. Основные характеристики таких трансформаторов:

• Мощность от 6 до 120 кВА;

• Схема соединения обмоток Уя/У или Ун/Д;

• Входное напряжение 380/220, выходное напряжение 380/220.

На рисунке 1 представлена схема подключения разделительного трансформатора.

_ А

В /

С 2.

N

I Тсточник Разделительный

питания трансформатор

Отеетствтный потребитель

Рисунок 1 - Схема подключения разделительного трансформатора

В третьей главе рассмотрены вопросы построения системы питания и защиты ответственных потребителей в сетях с переходом от системы заземления "Ш к системе заземления 1Т, методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях с системой заземления ТО и ГГ.

В действующей сети с системой заземления ТЫ переход на систему заземления 1Т осуществляется установкой разделительного трансформатора. Таким образом, схема питания ответственного потребителя разбивается на два участка, на которых необходимо обеспечить защиту: участок с системой заземления ТЫ и участок с системой заземления 1Т.

Согласно ГОСТ 28249-93, если электроснабжение электроустановки до 1 кВ осуществляется через понижающий трансформатор, то значение тока однофазного КЗ рассчитывается по формуле (1)

/(1) =

п0

+ ґоі) + г: + *ое)2

где (7Ср.нн - среднее номинальное напряжение сети, в которой произошло короткое замыкание, В; г^ , х^ - соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ, мОм.

Для сетей типа ТО предложена упрощенная методика расчета тока повреждения и тока однофазного КЗ 1К(,). Методика действительна для сетей, питающих конечные электроприемники (1-й, П-й уровень системы электроснабжения), находящиеся достаточно далеко от источника питания.

Выражение для тока однофазного КЗ имеет вид:

у-0) _ 0,8■£/„

КрЬ + КрЕ

где Яр)„ Яре - соответственно активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводника, Ом.

Автоматическое отключение питания в качестве меры защиты при косвенном прикосновении эффективно, если ток повреждения изоляции достаточен для срабатывания защиты от сверхтока и время ее работы не превышает максимально допустимого, зависящего от фазного напряжения сети.

В случае если защитный аппарат предохранитель необходимо проверить, что выполняется условие:

(3)

где ¡1 — время срабатывания предохранителя при однофазном КЗ, с; ¿о -нормированное время срабатывания предохранителя, зависящие от номинального напряжения сети, принимается согласно ПУЭ, с;

Если защитный аппарат - автоматический выключатель, то достаточно проверить, что величина тока однофазного КЗ превышает уставку тока срабатывания отсечки:

(4)

где 1То - уставка срабатывания токовой отсечки автоматического выключателя, А.

В этом случае размыкание контактов автоматического выключателя происходит за время намного меньшее, чем установленное допустимое время в ПУЭ.

Максимально допустимая длина кабеля Ьт, при которой гарантируется

защита при косвенном прикосновении определяется по формуле (5):

ь (5)

" 1,25р0 • (1 + ш) • 1ТО Таким образом, условие (2) преобразуется до следующего вида:

Ь<1а, (6)

где Ь — фактическая длина проверяемой линии, м; Ьт — максимально допустимая длина линии, по условию обеспечения защиты при косвенном прикосновении, м.

В инверторном режиме работы ИБП ток однофазного КЗ рассчитывается по формуле (7)

^(1) _ Цщгм.вьа.ИБП (7)

КрИ+К-РЕ

где ином.еых.ит - номинальное выходное напряжение ИБП; ЯрЬ Яре ~ активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводника соответственно.

В инверторном режиме работы возможны два варианта соотношения между рассчитанным и реальным током КЗ. В случае, когда рассчитанный ток однофазного КЗ меньше ограниченного тока ИБП,

1к0)<1огр,

то необходимо отстраивать применяемый аппарат защиты от величины рассчитанного тока однофазного КЗ 1к(1>.

1к(,)<1ог„ (8)

Если рассчитанный ток КЗ больше ограниченного тока ИБП,

1к0)>1огр (9)

то применяемый аппарат защиты необходимо отстраивать от величины ограниченного тока 1огр.

Расчет токов КЗ в сетях 1Т проводиться по точной формуле согласно ГОСТ 28249-93 (10):

и.

ср.НН

Так же ток может рассчитываться по приближенным формулам. При распределенной нейтрали:

0,8 Цп

К-ри + 2 • КрЕ + Км

При нераспределенной нейтрали:

, _ 0,8->/з•£/„

2

В инверторном режиме работы ИБП при распределенной нейтрали:

^ном.вых.ИБП '

2 '

В инверторном режиме работы ИБП при нераспределенной нейтрали:

+ 2 • КрЕ + К

(И)

(12)

(13)

(14)

Проверка эффективности работы защиты происходит аналогично с сетями ТЫ.

Общий алгоритм методики проверки на обеспечение защиты при косвенном прикосновении при питании нагрузки от ИБП представлен на рисунке 2.

Режим питания нагрузки

|От инвертора

| От сети

| Расчет 1к

| Расчет Ь |

кЛ^ІОГ^і I Ь<1сгр I | Ь>1огр |

I Ь>Ьяс"1 |1огр>1стс!

I Ь> Готс. I

Рисунок 2 - Блок схема алгоритма методики проверки на обеспечение защиты при косвенном прикосновении при питании нагрузки от ИБП

При переходе в сети с действующей системой заземления TN на систему заземления IT посредством установки разделительного трансформатора последний можно устанавливать либо на шинах цехового трансформатора, либо на участке сети с системой TN на определенном расстоянии от шин.

Вероятность отключения питающей линии на участке с системой заземления TN выше, чем на участке с изолированной нейтралью, поэтому для ответственных потребителей предпочтительнее устанавливать разделительный трансформатор как можно ближе к шинам цехового трансформатора.

В случае, когда длина питающей линии на участке с системой IT не удовлетворяет условиям обеспечения защиты при косвенном прикосновении, можно прибегнуть к двум вариантам увеличения длины питающей линии:

1. Увеличение сечения линии;

2. Увеличение длины участка с системой заземления TN при соответствующем уменьшении длины участка с системой IT, при которой условие обеспечение защиты при косвенном прикосновении для электроприемника будет выполнено.

Увеличение сечения весьма затратное мероприятие. Кроме того, при увеличении сечения может увеличиться номинал автоматического выключателя, и тем самым уменьшиться максимальная длина линии.

Вариант с регулированием длин участков с системами заземления TN и IT является более предпочтительным. Однако, необходимо отметить, что для выбора одного или другого варианта увеличения длины питающей линии необходимо делать технико-экономический расчет для каждого конкретного случая.

В четвертой главе приведены комплекс программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ», позволяющий автоматизировать процесс выбора кабеля в сетях до 1 кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении, и представлен расчетный эксперимент.

Для определения сечений кабелей в сетях с системой заземления IT и источнике питания трансформатор или ИБП разработана программа «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ». Программа предназначена для использования на локальных компьютерах. Операционная среда: Windows NT/2000/XP. Программа разработана с использованием программного средства Delphi, версия 7. Базы данных разработаны на Access-2000.

Программа выполняет функции чтения параметров элементов сети из базы данных, выбор марки и сечения кабеля, расчет максимальной длины кабеля, расчет потерь напряжения, расчет токов КЗ при питании от трансформатора или ИБП, формирование выходного документа.

Для подтверждения результатов работы были проведены расчетные эксперименты.

На рисунке 3 представлена условная схема электроснабжения предприятия, в составе которого есть ответственные потребители.

ЯЛ.ХТІ — тпрвтибятия иеадо*в тротфорнотсро

ЯШ,ХШ! сыфатиЬпш/в шшюараОодв

ЯАВІ.ХАВІ - сопротивления АЗІ

ИАВ2.ХАВІ - сспротиЬллним А32

КкМ.ХЮЇЇ — солротийлатія каввмнав линии 1

ЯГ2,ХТ2 — еопротийяша ршдвлитееоново транефортторо

ЯЛЗХМДО- еспрітийленип АВЗ

РА34,ХА34 - еопротиймниа ЛВ4

ИКЛІ,ХКП2 - сопротиЯмния коОіяьноа іонии і

Рисунок 3 - Схема электроснабжения ответственного потребителя Как видно из схемы питание ответственного потребителя осуществляется через цеховой трансформатор, шинопровод, кабельную линию КЛ1 (система заземления ТЫ), разделительный трансформатор и кабельную линию КЛ2 (система заземления ГГ).

Для такого случая сделан ряд расчетных экспериментов по определению величины токов двухфазного и трехфазного КЗ в точке питания ответственного потребителя К1 и в точке К2. В ходе экспериментов изменялись следующие параметры:

1. Мощность трансформатора Т1 - от 250 до 2500 кВА (тип ТМ).

2. Мощность трансформатора Т2 - от 6 до 120 кВА (тип ТРТ).

3. Мощность конечного потребителя соответствует мощности разделительного трансформатора Т2, т.е. трансформатор подбирается таким образом, чтобы к нему подключался один потребитель.

4. В соответствии с мощностью конечного потребителя и мощностью трансформатора Т1 выбирались соответствующие сечения шинопровода ИИ, кабельных линий КЛ1, КЛ2 и номиналы автоматических выключателей.

Длина шинопровода Ш1 принимается 10м, суммарная длина кабельных линий КЛ1 и КЛ2 варьировалась от 20 до 200 метров с шагом 20 м, соотношение длин КЛ1 и КЛ2 между собой менялось в процентном

соотношении. Варьирование соотношения длин кабелей KJI1 и КЛ2 проводилось для того, чтобы проверить, есть ли зависимость величины тока КЗ в точке К1 от соотношения длин кабелей в сетях с разными системами заземления. Марка кабелей ВВГ.

Целью расчетного эксперимента было:

- оценить влияние соотношения длин кабельных линий KJI1 и KJI2 на величину тока двухфазного и трехфазного КЗ, при которых должно происходить отключение питания установки;

- вычислить максимальные длины кабельных линий KJI1 и KJI2, при которых будет обеспечиваться защита при косвенном прикосновении

Расчетный эксперимент проводился при использовании программного комплекса «Mathcad Professional», в среде которого была создана математическая модель расчета режимов симметричных и несимметричных КЗ в начальный и произвольный момент времени. Разработанная математическая модель позволила получить токи КЗ в точках К1 и К2 при различных параметрах элементов системы электроснабжения.

Исходные данные по сопротивлениям отдельных элементов системы электроснабжения были взяты из соответствующих таблиц ГОСТ ГОСТ 2824993 и базы данных программы «GUEXPERT».

Из результатов расчёта видно, что различные соотношения длин линий ЮТ 1 и КЛ2 никак не влияют на значения двухфазного и трехфазного тока КЗ в точке присоединения ответственного потребителя. Это связано с тем, что при расчете токов двух- и трёхфазного КЗ нам необходимы только значения сопротивлений прямой последовательности. По кабелям KJI1 и KJI2 течет одинаковая мощность при одинаковом напряжении, поэтому для простоты принимаем, что сечения этих кабелей одинаковые и не меняются при переходе с одной системы заземления на другую. Таким образом и сопротивление прямой последовательности кабелей одинаковое.

При установке разделительного трансформатора в действующей сети TN имеется ряд ограничений. В первую очередь это ограничение по мощности подключаемого приемника, т.к. разделительные трансформаторы выпускаются на мощность до 120 ьсВА, то и потребителя большей мощности подключить к сети через такой трансформатор мы не можем.

Из расчетов видно, что при установке разделительно трансформатора в действующей сети с системой заземления TN необходимо убедиться, что трансформатор подключается по линии, длина которой не выходит за предел максимальной допустимой длины с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении.

В таблице 1 представлены результаты расчетов одного из экспериментов.

Исходные данные:

Трансформатор Т1 - марка ТМ-250, Ri.Ti=Ro.ti=9,47 мОм, Xi.ti=Xo.ti=27,20 мОм.

Трансформатор Т2 - марка ТРТ-6000М, Ri.ti=Ro.ti=1 11,11 мОм, XI.ti=XO.TI=227,67 мОМ.

Автоматический выключатель АВ1 - 1ЫОМ=400А, Ri.ABpRo.ABpO,55 мОм, Хі.аві~Хо_аві=0>1 мОм.

Автоматические выключатели АВ2-АВ4 - ІНОМ=10А, Кі.аві=Ко.аві=29 мОм, Хі.аві=Х0.аві=40 мОм.

Кабельная линия КЛ1 - марка кабеля ВВГ 4x2,5, Ri.kjp7.12 мОм/м, Ro.тl=28,48 мОм/м, Хі.Ті=0,107 мОм/м, Хо.ті=0,427 мОм.

Кабельная линия КЛ2 - марка кабеля ВВГ 3x2,5, Rl.кл=7,12 мОм/м, Ro.Tp28.48 мОм/м, Хі.Ті=0,107 мОм/м, Х0.ті=0,427 мОм.

Таблица 1

Результаты расчета токов КЗ

LcVM» М ZRI, МОМ 1/,кА 1ЛкА Zk2, МОМ lit', кА 1Т0,кА

20 1024,63 0,195 0,225 1115,96 0,621 0,10

60 1294,80 0,154 0,178 2795,75 0,248 0,10

100 1570,17 0,127 0,147 4497,60 0,154 0,10

140 1848,40 0,108 0,125 6203,38 0,112 0,10

180 2128,38 0,094 0,109 7910,54 0,088 0,10

220 2409,50 0,083 0,096 9618,36 0,072 0,10

260 2691,40 0,074 0,086 11326,53 0,061 0,10

300 2973,86 0,067 0,078 13034,91 0,053 0,10

340 3256,73 0,061 0,071 14743,44 0,047 0,10

380 3539,92 0,056 0,065 16452,06 0,042 0,10

Результаты всех расчетов сведены в аналогичные таблицы. Для всех номиналов параметров сети произведен расчет максимальных длин кабелей при определенном сечении Результаты этих расчетов для линий КЛ1 и КЛ2 сведены в таблицы 2,3.

Таблица 2

Максимальные длины линий и сечения кабелей КЛ1, м.

Мощность КЛ 1 (система заземления TN)

трансформатора, кВА 250 400 630 1000 1600 2500

6/2,5 42 43 43 43 43 43

8/2,5 26 27 27 27 28 28

10/4 42 43 43 44 44 44

12/4 33 34 34 35 35 35

Мощность 16/10 64 67 68 69 70 70'

нагрузки, 20/16 45 50 52 54 54 55

кВА/ 25/16 45 50 52 54 54 55

Сечение 30/16 45 50 52 54 54 55

кабельной 35/16 45 50 52 54 54 55

линии, 40/25 47 53 57 59 61 62

мм2 50/25 39 48 53 56 58 60

63/35 39 48 53 56 58 60

80/70 40 58 68 75 79 82

100/70 40 58 68 75 79 82

120/185 32 71 92 107 116 122

Таблица 3

Максимальные длины линий и сечения кабелей КЛ2, м.

Мощность трансформатора, кВА КЛ 2 (Система заземления IT при L-n^O) КЛ 2 (Система заземления IT при Ltn=Lmaxi

250 400 630 1000 1600 2500 250 400 630 1000 1600 2500

Мощность нагрузки, кВА/ 6/2,5 107 109 110 111 112 112 70 72 72 73 73 74

8/2,5 42 44 46 46 47 47 21 23 24 24 25 25

10/4 114 117 119 120 121 122 77 80 81 82 82 83

Сечение кабельной линии, мм2 12/4 84 88 89 91 92 92 57 59 60 61 62 62

16/10 164 173 177 180 182 184 105 111 113 116 117 118

20/16 85 67 57 50 45 42 44 35 30 27 25 23

25/16 44 26 18 10 6 3 25 16 12 8 6 4

30/16 83 96 102 108 111 ИЗ 42 50 55 59 61 62

35/16 109 122 128 134 137 139 68 76 81 85 87 88

40/25 72 91 101 109 114 117 29 42 49 54 57 60

50/25 21 47 60 71 77 81 14 3 12 19 23 26

63/35 40 66 79 90 96 101 5 23 31 39 43 46

80/70 72 37 60 80 91 98 48 18 3 9 16 21

100/70 51 97 120 140 151 159 13 43 57 70 77 82

120/185 11 36 80 119 140 155 4 17 38 16 29 38

Для случая питания нагрузки от ИБП статического типа топологии двойного преобразования так же проведен ряд расчетных экспериментов.

На рисунке 4 приведена часть схемы электроснабжения ответственного потребителя при питании от ИБП.

ИАВ1,ХА&! — сопротиЬіениа АВІ

ЙКЛ!,ХКЛ1 - сапротиблвиив кабельноїі линии 1

ЯП.ХП — сопротивления раздавитеданоео трансформатора

ИАВ2.ХАВ2— сопротивление АВ2

ЯАВЗ,ХАВЗ - сопротибления АВЗ

ЙКП2,ХКЛ2 — сопротивлений ко&вяьмоО І

Рисунок 4 - Схема электроснабжения ответственного потребителя при питании от ИБП статического типа.

В ходе экспериментов изменялись те же параметры, что и в случае питания от понижающего трансформатора, только вместо трансформатора менялась мощность ИБП от 5 до 120 кВА (тип ОиЮг РХР 3000).

Мощность ИБП выбиралась таким образом, чтобы она была больше либо равна мощности разделительного трансформатора Т1.

В таблице 4 представлены результаты расчетов одного из экспериментов.

Исходные данные:

ИБП - марка ОиЮг РХР 3000, Б=7 кВА.

Трансформатор Т1 - марка ТРТ-6000М, Кі.ті=І^о.ті=111,11 мОм, Хі.ті=Х0.ті=227,67 мОм.

і

і

Автоматические выключатели АВ1-АВЗ - ІНОм=10А, Кі.аві=і^о.аві=29 мОм, Хі.лві=Х0.аві=40 мОм.

Кабельная линия КЛ1 - марка кабеля ВВГ 4x2,5, 111КЛ=7,12 мОм/м, Ко.ті=28,48 мОм/м, Хі.Ті=0,107 мОм/м, Х0.Ті=0,427 мОм.

Кабельная линия КЛ2 - марка кабеля ВВГ 3x2,5, К1кл=7,12 мОм/м, Ко.ті=28,48 мОм/м, Х1.Т1=0,107 мОм/м, Х0.ті=0,427 мОм.

Таблица 4

І^суМї М 2кь мОм ІЛ кА 1,ДкА 2к2> мОм Ік'.кА 1-го, кА

20 1003,46 0,199 0,230 3181,12 0,218 0,10

60 1275,45 0,157 0,181 4856,98 0,143 0,10

100 1552,05 0,129 0,149 6549,98 0,106 0,10

140 1831,18 0,109 0,126 8249,58 0,084 0,10

180 2111,83 0,095 0,109 9952,40 0,070 0,10

220 2393,47 0,084 0,096 11657,02 0,059 0,10

260 2675,79 0,075 0,086 13362,76 0,052 0,10

300 2958,59 0,068 0,078 15069,24 0,046 0,10

340 3241,74 0,062 0,071 16776,23 0,041 0,10

380 3525,17 0,057 0,066 18483,59 0,037 0,10

Результаты прочих расчетов сведены в аналогичные таблицы таблицы. Для всех номиналов параметров сети произведен расчет максимальных длин кабелей при определенном сечении. Результаты этих расчетов для линий КЛ1 и КЛ2 сведены в таблицу 5.

Таблица 5.

Максимальные длины линий КЛ1 и КЛ2, м.

Мощность Тр-ра, кВА Мощность ИБП, кВА Ьмакс КЛ 1 (та),м Ьмакс КЛ2 (ІТ при 1Л№=0), м Ьмакс КЛ2 (ІТ при І/Ш= Ьмакс), м

6 7 44 113 74

10 10 45 123 83

16 16 72 186 120

20 20 57 32 20

30 30 57 117 65

40 40 65 123 64

50 50 63 89 32

63 65 63 109 51

80 80 87 113 31

100 100 87 173 91

120 120 134 183 54

Областью применения разделительных трансформаторы является питание ответственных потребителей мощностью до 120 кВт.

Разделительный трансформатор можно устанавливать на любом участке сети ТЫ, на котором обеспечивается защита при косвенном прикосновении.

Установка разделительного трансформатора может рассматриваться как мера увеличения суммарной длины питающей линии любого потребителя при неизменном сечении в случае, если максимальной длины в системе ТЫ не хватает для подключения потребителя. Увеличение суммарной длины питающей линии может достигать 200% в зависимости от параметров сети.

Вероятность бесперебойного электроснабжения выше, если устанавливать разделительный трансформатор таким образом, чтобы длина линии в системе 1Т была максимальной, желательно, подключать

разделительный трансформатор непосредственно к шинам низкого напряжения цехового трансформатора.

При маленькой мощности приемника, а соответственно маленькой мощности разделительного трансформатора, мощность цехового трансформатора оказывает малое влияние на максимальную длину. Это связано с большим значением сопротивления у разделительного трансформатора при его маленькой мощности. Следовательно, сопротивлением цехового трансформатора можно пренебречь.

При расчете параметров в сети 1Т с распределенной нейтралью величины токов и максимальных длин нужно уменьшить в «корень из трёх» раз. Т.к. в случае с нераспределенной нейтралью токи и длины будут пропорциональны линейному напряжению (двойное замыкание возможно только между фазами), а в случае с распределенной нейтралью токи и длины будут пропорциональны фазному напряжению сети (двойное замыкание возможно между фазой и нейтральным проводником).

В случае, если от разделительного трансформатора питается не один, а несколько потребителей, расчеты будут аналогичными, однако изменятся параметры выключателей и линий за разделительным трансформатором, что приведет к изменению величины токов КЗ и максимальных длин линий.

Для любого другого набора элементов сети можно вычислить максимальную длину линий, при которой будет осуществляться защита при косвенном прикосновении.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты по диссертационной работе.

В приложении представлены результаты расчётных экспериментов в виде ряда таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача повышения бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей за счёт использования источников бесперебойного питания и перехода питающей сети с системы заземления ТЫ на систему заземления ГГ совместно с обеспечением электробезопасности.

На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Проанализированы различные системы заземления и сделан вывод о преимуществе применения системы заземления ГГ при питании ответственных потребителей с точки зрения повышения степени бесперебойности питания.

2. На основании проведенной комплексной оценки мер по повышению надежности и бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей разработаны рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания.

3. Проанализированы особенности функционирования ИБП статического типа при внешнем КЗ и сделаны выводы о необходимости учета режима токоограничения и поддержания постоянного выходного напряжения на выходе при расчетах токов КЗ и построении защиты.

4. Разработана методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления 1Т при питании об ИБП статического типа

5. Обосновано использование разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления ТЫ на сеть с изолированной нейтралью.

6. Расчетные эксперименты показали, что установка разделительного трансформатора в сети с действующей системой заземления ТЫ позволяет увеличить максимально допустимую длину питающей линии электроприемника, при которой выполняется защита при косвенном прикосновении.

7. Предложены рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления ТЫ на сеть 1Т при питании ответственных электроприемников .

8. Разработаны дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенного для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении и позволяющего вести расчет для ответственных потребителей.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Вихров М.Б., Рагу тки н А.В., Раубаль Е.В. Обеспечение защиты при косвенном прикосновении в системах электроснабжения с заземлением ПЧ от источников бесперебойного питания // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2009. - № 9-10 - С. 74-80.

2. Вихров М.Е., Саженкова Н.В., Рагуткин А.В. Комплексный подход к решению проблемы обеспечения электробезопасности при различных источниках питания и системах заземления // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.- 2011. - №1.- С. 59-64.

3. Вихров М.Е., Бирюков И.С. Системы заземления "Ш и ГГ с точки зрения обеспечения электробезопасности // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт,- 2012. -№1.- С. 61-62.

4. Вихров М.Е. Применение ИБП статического типа и системы заземления ГГ для повышения надежности электроснабжения // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.- 2012. - №10.- С. 60-68.

5. Вихров М.Е., Саженкова Н.В., Рагуткин А.В. Обеспечение защиты при косвенном прикосновении при электроснабжении от источников бесперебойного питания. статического типа без применения автоматического отключения питания //7-я Международная научно-практическая интернет конференция. Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. - 2009. - С. 63-65.

6. Вихров М.Е., Ратуткин A.B. Обеспечение защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа без применения автоматического отключения питания // Международная научно-практическая конференция «Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации: проблемы и перспективы», посвященная 50-летию Рудненского индустриального института. - 2009 г.

7. Вихров М.Е. Обеспечение бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»,- 2010.- Т.З. - С 100-101.

8. Вихров М.Е. Особенности источников бесперебойного питания статического типа топологии двойного преобразования // XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тезисы докладов.- 2010. —Т2.

9. Вихров М.Е. Электроснабжение ответственных потребителей и выбор системы заземления // Тезисы докладов Седьмой межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика». - 2010.

10. Вихров М.Е. Методика защиты при косвенном прикосновении при электроснабжении от источника бесперебойного питания статического типа // Сборник работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2009».- 2010.

11. Вихров М.Е. Сравнение систем заземления TN и IT с точки зрения электробезопасности // Федоровские чтения-2010. XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи. — 2010.

12. Вихров М.Е. Использование системы заземления ГГ в системах электроснабжения ответственных потребителей // XVI меяедународная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тезисы докладов.- 2011.- Т. 3.

13. Вихров М.Е. Методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании ответственных потребителей // X Международная научно-практическая интернет конференция. Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. - 2012. - С. 63-65.

Подписано в печатьGZ>20i3 Зак.<3^ Тир. /00 П.л. •/, Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

Введение.

1.1 Электроснабжение ответственных потребителей.

1.2 Выбор системы заземления нейтрали при питании ответственных потребителей.

1.2.1 Система заземления TN.

1.2.2 Система заземления IT.

1.2.3 Система заземления ТТ.

1.2.4 Анализ систем заземления нейтрали и выбор наилучшей с точки зрения бесперебойности питания потребителя.

1.3 Основные положения защиты от поражения электрическим током.

1.4 Электрофизические реакции при протекании электрического тока через тело человека.

1.5 Анализ требований к времени отключения токов повреждения в сетях 0,4 кВ в соответствии с новой нормативной базой.

1.6 Выводы к первой главе.

Глава 2. Исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей.

2.1 Электроснабжение ответственных потребителей от источников бесперебойного питания статического типа как мера повышения бесперебойности.

2.1.1 Источники бесперебойного питания резервного типа (passive standby).

2.1.2 Источники бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (line interactive).

2.1.3 Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием (double conversion).

2.1.4 Структура схем электроснабжения ответственных потребителей с источниками бесперебойного питания статического типа.

2.1.4.1 Системы с параллельным резервированием.

2.1.4.2 Схема с последовательным резервированием.

2.2 Использование системы заземления 1Т в сетях питания ответственных потребителей как меры по повышению бесперебойности.

2.2.1 Первое замыкание.

2.2.1.1 Сеть 1Т с изолированной и нераспределенной нейтралью.

2.2.1.2 Сеть 1Т с заземленной через сопротивление и нераспределенной нейтралью.

2.2.1.3 Сеть 1Т с изолированной и распределенной нейтралью.

2.2.2 Второе замыкание при не устраненном первом.

2.2.2.1 Сеть 1Т с нераспределенной нейтралью и общим заземлителем потребителей.

2.2.2.2 Сеть 1Т с распределенной нейтралью и общим заземлителем потребителей.

2.2.2.3 Сеть 1Т с нераспределенной нейтралью и отдельными заземлителями потребителей.

2.2.2.4 Сеть 1Т с распределенной нейтралью и отдельными заземлителями потребителей.

2.3 Использование разделительного трансформатора как меры по переходу на систему заземления 1Т.

2.4 Выводы ко второй главе.

Глава 3. Построение системы питания и защиты ответственных потребителей в сетях с переходом с системы заземления ТЫ на систему заземления 1Т.

3.1 Расчёт токов короткого замыкания и проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении на участке ТЫ при питании через понижающий трансформатор.

3.1.1 Расчет токов однофазного короткого замыкания на участке ТЫ.

3.1.2 Методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении на участке ТЫ при питании через понижающий трансформатор.

3.2 Расчёт токов короткого замыкания и проверки защиты при косвенном прикосновении на участке ТЫ при питании от ИБП статического типа.

3.2.1 Расчет тока однофазного КЗ на участке ТЫ в инверторном режиме работы.

3.2.2 Расчет тока однофазного КЗ на участке ТЫ в режиме работы от сети.

3.2.3 Сравнение инверторного режима работы и режима работы от сети при расчете тока однофазного КЗ.

3.2.4 Методика проверки эффективности защиты при косвенном прикосновении на участке ТЫ при питании от ИБП статического типа.

3.3 Расчет токов и проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании через понижающий трансформатор на участке ІТ.

3.4 Расчёт токов короткого замыкания при питании от ИБП статического типа на участке ІТ.

3.4.1 Расчет тока КЗ в инверторном режиме и режиме работы от сети в сетях с нераспределенной нейтралью.

3.4.2 Расчет тока двухфазного КЗ в инверторном и режиме работы от сети в сетях с распределенной нейтралью.

3.5 Проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании от ИБП статического типа.

3.6 Методика построения системы электроснабжения ответственного потребителя в действующей сети ТЫ с переходом на систему ІТ.

3.7 Выводы к третьей главе.

Глава 4. Программный комплекс и расчетно-экспериментальное исследование сетей с переходом от системы заземления ТИ к системе заземления 1Т.

4.1 Программный комплекс «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ».

4.1.1 Выполняемые функции.

4.1.2 Структура и ведение баз данных нормативно-технической информации.

4.1.3 Входные данные.

4.1.4 Выходные данные.

4.2 Расчетно-эксперементальное исследование методов расчета токов КЗ в сетях с переходом от системы заземления ПЧГ к системе заземления 1Т.

4.3 Расчетно-эксперементальное исследование методов расчета токов КЗ сетях с переходом от системы заземления ТЫ к системе заземления 1Т при питании от ИБП.

4.4 Выводы к четвертой главе.

В современном мире всё большее распространение получают технологии и установки, предъявляющие повышенные требования к бесперебойности электроснабжения. С каждым годом доля чувствительной нагрузки увеличивается. В основном это происходит за счет повсеместного внедрения микроконтроллерной автоматизации и компьютеризации производственных процессов. Поэтому мы всё чаще сталкиваемся с понятием «ответственный потребитель». Перерыв электроснабжения ответственных потребителей может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Для предотвращения нарушения питания таких электроприемников необходимо принимать ряд мер, которые позволят повысить степень бесперебойности системы питания данных потребителей. Одной из таких мер может служить пересмотр рабочей системы заземления нейтрали с системы Т1Ч, повсеместно распространенной у нас в стране, на систему 1Т, имеющую ряд преимуществ с точки зрения бесперебойности питания. Второй мерой можно считать организацию дополнительного питания от независимого источника. В последнее время в качестве независимого источника питания все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП) статического типа. Следует отметить недостаточную проработку нормативной базы, описывающей вопросы электроснабжения от ИБП статического типа. Так, у нас в стране отсутствует аналог стандарта 1ЕС 62040-3.

В 2003 году введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-ого издания, что привело к ужесточению требований к времени автоматического отключения питания в сетях до 1 кВ.

Принятие новых нормативных документов с более жесткими требованиями к обеспечению электробезопасности потребовало пересмотра применяемой 6 коммутационно-защитной аппаратуры, методик выбора кабелей и изменения существующих подходов к проектированию систем электроснабжения в целом.

Поэтому в работе решаются следующие задачи:

• выявление причин нарушения электроснабжения потребителей и оценка часовой стоимости простоя;

• анализ систем заземления нейтрали с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей;

• исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей сравнительный анализ источников бесперебойного питания и их конфигураций;

• исследование принципов работы системы питания и защиты ответственных потребителей в случаях перехода от системы заземления ТЫ к системе заземления 1Т;

• разработка рекомендаций по подключению ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения;

• разработка дополнений для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, в части ответственных потребителей.

Актуальность решаемой задачи обусловлена двумя факторами:

• увеличением с каждым годом доли ответственных потребителей, чувствительных к перерывам электроснабжения;

• отсутствием рекомендаций по подключению ответственных потребителей в условиях ужесточившихся требований к электробезопасности.

Следует отметить, что на данный момент отсутствуют методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа в сетях 1Т.

Целью работы является исследование мер по повышению бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей и разработка рекомендаций по построению систем электроснабжения таких потребителей в условиях ужесточения нормативов по обеспечению электробезопасности в электроустановках до 1 кВ.

Достижение конечной цели диссертационной работы осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1. выявление причин нарушения электроснабжения потребителей и оценка часовой стоимости простоя;

2. анализ систем заземления нейтрали с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей;

3. исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей;

4. сравнительный анализ источников бесперебойного питания и их конфигураций;

5. исследование принципов работы системы питания и защиты ответственных потребителей в случаях перехода от системы заземления ТЫ к системе заземления 1Т;

6. разработка рекомендаций по подключению ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения;

7. разработка дополнений для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, в части ответственных потребителей.

Научная новизна

1. Проведен комплексный анализ мер по повышению надежности и бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей. На основании полученных результатов даны рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания. 8

2. Разработана методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления 1Т при питании об ИБП статического типа.

3. Обосновано использование разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления ТЫ на сеть с изолированной нейтралью.

4. Предложены рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления ТМ на сеть 1Т при питании ответственных электроприемников .

5. Разработаны дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенного для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении и позволяющего вести расчет для ответственных потребителей.

Практическая ценность работы и ее реализация состоят в том, что разработанная методика и рекомендации позволяют построить схему электроснабжения ответственных потребителей, таким образом, что время нарушения питания потребителей будет удовлетворять современным требованиям, выбрать параметры схемы электроснабжения электроприемников напряжением до 1кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении в соответствии с требованиями современной нормативной базы (ПУЭ 7-ого издания, ГОСТ Р 50571). Реализованный на основе методики комплекс программных средств позволяет сокращать сроки проектирования за счет автоматизации процесса выбора сечения токопроводящих жил кабелей напряжением до 1кВ при электроснабжении от ИБП статического типа. Разработанная методика и рекомендации ориентированы на широкий круг пользователей и могут быть рекомендованы к применению в проектных, научно-исследовательских и других организациях.

Разработанная методика и комплекс программ внедрены в практику проектирования организаций ООО «Коэнергия», ООО «Сложные инструменты».

Достоверность результатов

Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных. Комплекс программ разработан с использованием программы Delphi, версия 7. Базы данных разработаны на Access-2000. Расчетный эксперимент проводился в среде программного комплекса «Mathcad Professional».

Апробация

Основные результаты диссертационной работы были доложены на: VII межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2010); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); XL Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) «Фёдоровские чтения - 2010» (Москва, 2010); XVII Ежегодной международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011); X Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (Орел, 2012), на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» МЭИ.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 228 страницах, включая 24 таблицы и 34 иллюстрации. Список использованной литературы включает 52 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Приложения представлены на 101 странице.

4.4 Выводы к четвертой главе

1. Выявлено ограничение по области применения разделительных трансформаторов и, как следствие, по числу и мощности подключаемых ответственных электроприемников.

2. Обосновано, что разделительный трансформатор необходимо устанавливать таким образом, чтобы требования электробезопасности выполнялись по всей длине питающей линии.

3. Расчетные эксперименты показали, что установка разделительного трансформатора в сети с действующей системой заземления ТК позволяет увеличить максимально допустимую длину питающей линии электроприемника, при которой выполняется защита при косвенном прикосновении.

4. Вероятность отключения питающей линии на участке с системой заземления ТК выше, чем на участке с изолированной нейтралью, поэтому для ответственных потребителей предпочтительнее устанавливать разделительный трансформатор как можно ближе к шинам цехового трансформатора.

5. Расчетным путем установлена зависимость соотношений предельных длин, при которых обеспечивается защита при косвенном прикосновении, на различных участках сети от мощности разделительного трансформатора.

Заключение

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проанализированы различные системы заземления и сделан вывод о преимуществе применения системы заземления 1Т при питании ответственных потребителей с точки зрения повышения степени бесперебойности питания.

2. На основании проведенной комплексной оценки мер по повышению надежности и бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей разработаны рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания.

3. Проанализированы особенности функционирования ИБП статического типа при внешнем КЗ и сделаны выводы о необходимости учета режима токоограничения и поддержания постоянного выходного напряжения на выходе при расчетах токов КЗ и построении защиты.

4. Разработана методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления 1Т при питании об ИБП статического типа

5. Обосновано использование разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления TN на сеть с изолированной нейтралью.

6. Расчетные эксперименты показали, что установка разделительного трансформатора в сети с действующей системой заземления ТМ позволяет увеличить максимально допустимую длину питающей линии электроприемника, при которой выполняется защита при косвенном прикосновении.

7. Предложены рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления TN на сеть 1Т при питании ответственных электроприемников .

8. Разработаны дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенного для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении и позволяющего вести расчет для ответственных потребителей.

1. Быков Е.А. Разработка принципов построения систем гарантированного питания электроснабжения промышленных предприятий: Дис. канд.техн.наук.- М., 2005

2. Leonardo Power Quality Initiative rapport 2.1

3. UPS European Guide by CEMEP (European committee of manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics)

4. Вихров M.E. Обеспечение бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения».- 2010.- Т. 3. -С100-101.

5. UPS and power protection solution. Design guide, MGE UPS systems, 159,2005.

6. Вихров M.E. Электроснабжение ответственных потребителей и выбор системы заземления // Тезисы докладов Седьмой межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика».- 2010.

7. Ожиганов С.Н. Сравнительный анализ безопасности электрических сетей TN и ТТ. // Промышленная энергетика.- 2003.- №2.

8. Лыков Ю. Ф. Сравнительная характеристика систем заземления сетей напряжением до 1 кВ. // Промышленная энергетика.- 2003.- №12.

9. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). Издание 7-ого издания. -М.: Издательстово НЦ ЭНАС, 2002.

10. Вихров М.Е. Сравнение систем заземления TN и IT с точки зрения электробезопасности // Федоровские чтения-2010. XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи. 2010.

11. Вихров М.Е., Бирюков И.С. Системы заземления TN и IT с точки зрения обеспечения электробезопасности // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.- 2012.-№1.

12. Lacroix В., Calvas R. Les schémas de liaisons a la terre dans le monde et evolutions. — Cahier technique, № 173 (Groupe Schneider).

13. Саженкова H. В. Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ на этапе проектирования систем электроснабжения: Дис. канд.техн.наук.-М., 2006.

14. Правила Устройства Электроустановок (ГТУЭ). Издание 6-е переработанное и дополненное с изменениями. М.: Энергоатомиздат, 1998, 608 с.

15. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. М.: Знак, 2000, 440 с.

16. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок: Справочник. -М.: Энерогосервис.-1998.

17. ГОСТ Р50571.3-94 (МЭК 364-4-41-92). Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током.

18. Рагуткин A.B. Ужесточение требований к обеспечению электробезопасности // Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения».- 2009.- Т. 3. -С219.

19. Саженкова Н.В. Повышение надежности систем электроснабжения до 1 кВ, в связи с изменившейся нормативной базой. // Третья всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления элетротехническими объектами»: Тез. докл.- 2005 Вып.З.- С62-64.

20. Фишман B.C. Новые ПУЭ требуют модернизации существующей защитной аппаратуре в сетях до 1000В. // Новости Электротехники.- 2003.- №2.

21. Беляев A.B. Выбор аппаратуры защит и кабелей в сетях 0,4 kB. JL: Энергоатомиздат, 1988, 176 с.

22. Рагуткин A.B. Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжения от источников бесперебойного питания статического типа: Дис.; канд.техн.наук.- М., 2009.

23. Обзоры травматизма в электроэнергетике. Журнал «Новое в российской электроэнергетике». Издательство «Энерго-Пресс».

24. IEC 62040-3 (1999-03) Uninterruptible power systems (UPS) Part 3: Method of specifying the performance and test requirements.

25. Вихров М.Е. Применение ИБП статического типа и системы заземления IT для повышения надежности электроснабжения // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.- 2012. -№10.

26. Саженкова Н.В., Рагуткин A.B., Вихров М.Е. Комплексный подход к решению проблемы обеспечения электробезопасности при различных источниках питания и системах заземления // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт.- 2011. №1.

27. Вихров М.Е. Методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании ответственных потребителей // X Международная научно-практическая интернет конференция. Энерго- и ресурсосбережение XXI век. - 2012. - С. 63-65.

28. Раубаль Е.В. Разработка методик проверки эффективности работы защит в электроустановках до 1 кВ с различными системами заземления: Дис. канд.техн.наук.- М., 2010.

29. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ. -М.: Издательство стандартов, 1993. -59с.

30. UTE С15-105, Guide pratique, Determination des sections de conducteurs et choix des dispositifs de protection, Méthodes pratiqucs.-UTE, juillet 2003

31. Guide de Finstallation électrique. Schneider Electric France.: Citef SAS, 2003.

32. Schneider Electric Catalogue distribution électrique. -France.: Imaye Graphie, 2002.

33. Саженкова H.B., Цырук С.A., Кулага M.A. Обеспечение безопасности при косвенном прикосновении // Электрика. 2006. - №3. - С.21-25.

34. Саженкова H.B. Повышение надежности систем электроснабжения до 1 кВ. // XII международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. 2005. - С. 371-372.

35. Рагуткин A.B. Обеспечение времени автоматического отключения питания при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа. // Электрика. 2009. - № 8. - С. 16-19.

36. Рагуткин A.B., Раубаль Е.В., Вихров М.Е. Обеспечение защиты при косвенном прикосновении в системах электроснабжения с заземлением TN от источников бесперебойного питания // Изв. вузов. Проблемы энергетики. -2009. № 9-10. - С. 74-80.

37. ГОСТ Р 50030.2-99 (МЭК60947-2-98) Аппаратура распределения и управления низковольтная.

38. Рагуткин A.B. Классификация источников бесперебойного питания статического типа в соответствии со стандартом IEC 62040-3 // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2009. - № 8. - С. 16-19.

39. UTE С15-402, Guide pratique, Alimentation sans interruption (ASI) de type statiqueet système de transfert statique (STS), Règles d'installation, UTE, 2004.

40. РД 153-34.0-20.527-98 Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.

41. Fraisse D. Les onduleurs. Cahier technique, №268 (Groupe Schneider).

42. Krotoff H. Approche industrielle de la surcte de fonctionement. Cahier technique, №134 (Groupe Schneider).

43. Alain Bonzy Selectivite sur reseau ondule Schneider-electric SA

44. Florina J.N. Cahier Technique Merlin Gerin №129, Protection des personnes et alimentation statiques sans coupure, 1992. 20c.

45. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев, В.А. Старшинов и др.; Под ред. И.П. Крючкова и В.А. Старшинова. -М.: Издательский центр «Академия», 2005, 416 с.

46. Руководство по устройству электроустановок. Технические решения Schneider Electric, 2007.

47. Руководящие указания по расчету коротких замыканий, выбору и проверке аппаратов и проводников по условиям короткого замыкания. -М.: МЭИ, 1978, 321 с.