Методы повышения селективности низковольтных автоматических выключателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Иващенко, Вадим Степанович

• Иващенко, Вадим Степанович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иващенко, Вадим Степанович

Введение

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ НА НИЗКОМ

НАПРЯЖЕНИИ

1.1 Понятие полной и частичной селективности

1.2 Зона селективности

1.3 Токовая селективность

1.4 Временная селективность

1.5 Использование токоограничивающих выключателей и псевдовременная» селективность

1.6 Селективная совместная работа ограничивающих выключателей с предохранителями

1.7 Селективность "БЕШМ"

1.8 Логическая селективность

1.9 Классификация методов обеспечения селективности

1.10 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 ЕСТЕСТВЕННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

РАСЩЕПИТЕЛЕЙ

2.1 Полная селективность автоматических выключателей

2.2 Математическая модель электромагнитного расцепителя

2.3 Графоаналитический метод решения

2.4 Программное моделирование

2.5 Экспериментальное исследование поведения математической модели

2.6 Сравнительный анализ поведения программной модели и реальной системы электроснабжения

2.7 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 СЕЛЕКТИВНОСТЬ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ

АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

3.1 Токоограничение и графики представления энергии

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

3.3 Энергетические характеристики расцепителей автоматических выключателей

3.3.1 Электромагнитные расцепители

3.3.2 Электронные расцепители

3.3.3 Расцепители с детектором электрической дуги

3.4 Преимущества и практическая реализация энергетической селективности

3.5 Выводы по третей главе

ГЛАВА 4 РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМАТИЧЕСКИХ

ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

4.1 Классификация направлений совершенствования конструкций низковольтных аппаратов защиты

4.2 Повышение надежности при небольших токах короткого замыкания

4.3 Повышение точности работы автоматического выключателя

4.4 Обеспечение полной селективности

4.5 Автоматический выключатель с электронным расцепителем

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения селективности низковольтных автоматических выключателей»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Разработать методики теоретической проверки селективности

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

Предмет исследования - аппараты защиты электроустановок низкого напряжения.

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

Научная новизна полученных результатов.

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

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

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

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

Практическая ценность и реализация.

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

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

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

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

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

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

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

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

2005 г. - вып.6. - С. 44-51.

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

2006 г. - вып.4. - С. 24-27.

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Иващенко, Вадим Степанович

Заключение

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

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

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

• Разработана методика проверки полной селективности электромагнитных расцепителей.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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