Модели и алгоритмы тепловой защиты в цифровых расцепителях автоматических выключателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Пильцов, Михаил Владимирович

• Пильцов, Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Пильцов, Михаил Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИФРОВОЙ

ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

1.1 Современные требования к защитным коммутационным аппаратам низкого напряжения

1.2 Классификация выпускаемых в настоящее время автоматических выключателей

1.3 Устройство и недостатки механического автоматического выключателя

1.4 Обзор и сравнение существующих моделей потребителей электроэнергии, используемых для обеспечения тепловой защиты

1.5 Задача разработки алгоритма защиты от перегрузки в автомате, оснащенном цифровым расцепителем

1.6 Определение температурного диапазона модели защищаемого объекта

1.7 Обзор математических моделей, потенциально пригодных для реализации защиты от перегрузки

1.8 Выводы и постановка цели исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

ЦИФРОВОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

2.1 Вывод уравнения тепловой модели

2.2 Выбор объекта для тепловой модели

2.3 Тепловая модель для экспоненциально растущего и убывающего постоянного тока

2.4 Тепловая модель для линейно растущего и убывающего постоянного тока

2.5 Тепловая модель для синусоидального тока с постоянной и экспоненциально возрастающей амплитудой

2.6 Построение время-токовой характеристики на основе тепловой модели

2.7 Тепловая модель с учетом температуры окружающей среды

2.8 Тепловая модель с учетом температурной зависимости удельного сопротивления материала объекта защиты

2.9 Применение методов теории подобия к математической модели защищаемого объекта

2.10 Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

3.1 Постановка задачи создания алгоритма защиты от перегрузки в цифровом расцепителе

3.2 Краткий анализ и выбор методов решения дифференциального уравнения для основы алгоритма тепловой защиты

3.3 Алгоритм тепловой защиты на основе метода Эйлера

3.4 Алгоритм тепловой защиты на основе модифицированного метода Эйлера

3.5 Алгоритм тепловой защиты на основе метода Рунге—Кутта 4-го порядка

3.6 Проверка методов Эйлера, Эйлера модифицированного и Рунге-Кутта на примере типовых воздействий

3.7 Разработка блока контроля температуры окружающей среды и построение итогового алгоритма

3.8 Формулировка требований к быстродействию микропроцессора и частоте дискретизации аналого-цифрового преобразователя

3.9 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА ЦИФРОВОГО РАСЦЕ-

ПИТЕЛЯ

4.1 Постановка задачи экспериментальной проверки тепловой модели

4.2 Выбор объекта для эксперимента

4.3 Разработка аппаратной и программной части автоматического измерителя температуры

4.4 Промежуточные результаты эксперимента и модификация модели

4.5 Выбор методики проведения эксперимента и проверка применимости статистических методов к обработке результатов эксперимента

4.6 Обработка результатов основного эксперимента

4.7 Исследование реализации тепловой защиты при использовании действующего значения тока

4.8 Разработка модуля измерительного канала цифрового расцегште-

ля

4.9 Исследование влияния усреднения и разрядности аналогово-цифрового преобразователя на сигнал датчика тока

4.10 Исследование влияния нестабильности задающего генератора на погрешности вычисления действующего значения напряжения

4.11 Построение модели погрешности измерительного канала цифрового расцепителя

4.12 Проверка стабильности времени срабатывания цифровой тепловой защиты

4.13 Разработка программного комплекса, упрощающего практическое применение разработанной тепловой защиты

4.14 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и алгоритмы тепловой защиты в цифровых расцепителях автоматических выключателей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В России в 2010 году была утверждена федеральная программа по "Энергосбережению и повышению энергетической эффективности на период до 2020 года". Принятая программа распространяется практически на все сферы деятельности в России, такие как энергетика, промышленность, сельское хозяйство, коммунальная инфраструктура и т.д.

Применение концепции "умных" сетей в России в рамках программы повышения энергетической эффективности имеет свои особенности, связанные с наличием большого парка изношенных устройств энергетики. В связи с этим под данной концепцией понимается постепенная замена всех субъектов энергетики на инновационные. Такая сеть должна использовать современные принципы управления. В конечном итоге предполагается объединение-источников электроэнергии, электрических сетей и потребителей в единую систему.

Возникает важный вопрос интеграции автоматических выключателей, как основных устройств защиты в электроустановках до 1 кВ в современную энергосеть. Очевидно, что старая концепция построения механических автоматов не позволяет достигнуть требуемой функциональности и нуждается в замене. Неотъемлемой частью такого перехода является отказ от расцепите-лей, обеспечивающих защиту от перегрузки, путем замены их на датчики тока и микропроцессорные устройства управления. Отсюда вытекает важность разработки и реализации высокоточных алгоритмов, способных обеспечивать защиту от перегрузки в соответствии с новой концепцией автоматических выключателей. В настоящее время целый ряд фирм (ABB, Moeller, Legrand) разрабатывает подобные алгоритмы, однако некоторые их реализации находят применение только в мощных автоматических выключателях, где это экономически целесообразно.

Целью работы является разработка модели и алгоритма тепловой за-

щиты в цифровых расцепителях автоматических выключателей, применение которых повысит качество защиты и расширит функциональные возможности.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Провести анализ современных моделей и методов, применяемых при реализации защиты от перегрузки потребителей электроэнергетической сети.

2. Разработать математическую модель защищаемого объекта, которая позволяла бы определять его температуру через протекающий ток и физические параметры объекта и учитывала влияние таких факторов, как температура окружающей среды и температурную зависимость сопротивления материала объекта, провести её экспериментальную проверку.

3. На основе полученной математической модели разработать методику построения стандартных время-токовых характеристик и алгоритм тепловой защиты, сформулировав требования, которые он предъявляет к производительности микропроцессора и частоте дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

4. Разработать и реализовать программный комплекс, упрощающий практическое применение полученного алгоритма тепловой защиты, а также проверить возможность реализации алгоритма на экономически целесообразной элементной базе.

Методы исследования. В теоретических и экспериментальных исследованиях работы были применены аппараты дифференциального и интегрального исчисления, численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, вероятностные методы определения погрешностей, методы планирования эксперимента, регрессионный анализ.

Научную новизну составляют и на защиту выносятся:

1. Модифицированная математическая модель объекта тепловой защиты, которая позволяет получить проверочную аналитическую модель, имеет простую алгебраическую реализацию и позволяет вводить учет влияния дополнительных внешних факторов.

2. Методика построения стандартных время-токовых характеристик на основе математической модели объекта тепловой защиты.

3. Алгоритм тепловой защиты на основе метода Рунге-Кутта 4-го порядка.

4. Критерий выбора оптимального шага в методе Рунге-Кутта 4-го порядка, реализующего тепловую защиту на микропроцессоре.

5. Программный комплекс, автоматизирующий построение стандартных время-токовых характеристик и экспериментальное определение параметров моделей защищаемых объектов.

Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:

•1. Разработан алгоритм, который может являться базовым программным обеспечением при производстве цифровых автоматов защиты.

2. Сформулирована система требований к техническим параметрам мик- , роконтроллеров, реализующих вычислительные процедуры алгоритма защиты, позволяющая оптимизировать выбор элементной базы.

3. Разработан и реализован блок тепловой защиты на базе 8-битного микропроцессора. Установлено потенциальное превосходство данного блока по стабильности времени срабатывания защиты над используемыми в настоящее время устройствами.

4. Реализована и использована экспериментальная установка, позволяющая проверять адекватность и точность разработанных математических моделей, а также определять коэффициенты моделей конкретных защищаемых объектов.

Внедрение результатов. Разработанный алгоритм тепловой защиты принят к внедрению на Ангарском электромеханическом заводе (приложение А). Результаты данной диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ангарской государственной технической академии для студентов направления 210100 "Электроника и наноэлектроника" по дисциплинам "Электронные промышленные устройства", "Теория сигналов", "Программирование микропроцессорных систем" (приложение Б).

Апробация работы. По теме исследования сделаны доклады на следующих научных семинарах и конференциях:

1. IX и X Всероссийской НПК с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» при Иркутском государственном техническом университете. Иркутск, 2010 - 2011.

2. "Современные технологии и научно-технический прогресс", секция "Техническая кибернетика" при Ангарской государственной технической академии. Ангарск, 2010 - 2013.

3. IV Всероссийской конференции "Винеровские чтения", при Иркутском государственном техническом университете. Иркутск, 2011.

4. XXIII и XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» при Саратовском государственном техническом университете и Пензенской государственной технологической академии. Саратов, Пенза, 2010 - 2011.

Личный вклад автора в диссертации и в совместных публикациях состоит в выводе математических моделей объекта тепловой защиты, разработке алгоритма защиты, создании методики построения стандартных время-токовых характеристик, разработке программного комплекса и проведении всех требуемых экспериментов. Все результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о

государственной регистрации программы для ЭВМ(приложение В).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Общий объем работы — 175 страниц, в том числе 70 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 110 наименований.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИФРОВОЙ

ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ

1.1 Современные требования к защитным коммутационным аппаратам

низкого напряжения

В настоящее время происходит модернизация существующих субъектов электроэнергетики и переход к использованию концепции "Интеллектуальных" сетей. Данный переход предъявляет новые требования ко всем устройствам, участвующим в процессе генерации, передачи и распределения электроэнергии [1]. Поскольку без использования защитного коммутационного оборудования низкого напряжения невозможно выполнить модернизацию, проектирование и эксплуатацию систем электроснабжения, новые требования начинают распространяться и на данные аппараты [2]. В частности, в новом издании правил устройства электроустановок ужесточены требования к устройствам защиты до 1 кВ [3] по таким важным параметрам, как быстродействие и селективность [4].

На основании перечисленных тенденций сформируем ряд требований, которые предъявляет структура современной электросети к входящим в её состав аппаратам защиты:

1. Минимизация влияния факторов окружающей среды на характеристики и работу аппарата. В частности, исключение влияния температуры окружающей среды на пограничный ток и наклон время-токовой рабочей характеристики аппарата.

2. Повышение количества защит. Очевидно, что чем больше параметров будет контролировать защитное устройство, тем выше будет надежность осуществляемой им защиты [5]. Среди новых видов защит можно отметить защиту от удаленного КЗ, быстродействующую интегральную защиту и т.д.. Среди контролируемых параметров можно выделить па-

раметры качества электросети [6].

3. Наличие возможности гибкой настройки параметров аппарата в широких пределах, под которыми понимаются наклоны время-токовых характеристик, значения пограничных токов и токов отсечки, уставок обеспечивающих пуск ЭД и т.д.

4. Переход на блочную конструкцию, которая позволяет увеличивать функции защитного аппарата путем доукомплектации его необходимым узлом, что является экономически выгодным, поскольку исключает покупку нового аппарата целиком [7].

5. Возможность объединения защитных устройств в единую информационную сеть, что позволяет централизованно контролировать состояние электросети и происходящие в ней процессы [8]. Появляется возможность сбора статистики о работе потребителей, а также сведений, необходимых для диагностики аппаратов, таких как число циклов включения и выключения, количество которых влияет на ресурс аппарата. Рассмотренным выше требованиям соответствуют не все самые современные и дорогостоящие автоматы защиты, снабженные цифровыми расце-пителями [9]. Однако современные тенденции развития уже сформулированы [10], и производителям защитных устройств приходится стремиться им соответствовать.

1.2 Классификация выпускаемых в настоящее время автоматических

выключателей

Автоматические выключатели являются основными защитными устройствами в сетях 0,4 кВ, поэтому все требования современных электрических сетей предъявляются к ним в первую очередь. В настоящий момент отечественная и зарубежная промышленность выпускает большой спектр автоматических выключателей, работающих на номинальные токи до 6.5 кА и на

номинальное переменное напряжение до 690 В.

В самом общем виде автоматические выключатели можно разделить по конструктивному признаку на две больше группы:

1. Механические автоматические выключатели.

2. Автоматические выключатели, снабженные цифровыми расцепителями. Количество предприятий, выпускающих автоматы, довольно велико, поэтому необходимо произвести разделение данных устройств на ряд групп по критериям: функциональность, стоимость, марка, устройство. Подобная классификация позволяет полностью рассмотреть данную область и составить о ней представление. Данная классификация представлена ниже:

1. К первой группе относятся механические автоматические выключатели, выпускаемые частью отечественных и зарубежных предприятий. Они отличаются малой функциональностью, большим разбросом характе- ^ ристик, зависящих от условий окружающей среды. Востребованы по причине низкой стоимости.

2. Ко второй группе относятся автоматические выключатели, оснащенные цифровыми расцепителями. Их выпускают крупные европейские фирмы, такие как ABB [11], Schneider Electric [12], Legrand [13], Moeller • [14], SEIMENS [15]. Данные аппараты отличаются большой функциональностью и высоким качеством технического исполнения, стабильностью рабочих характеристик. Главным недостатком устройств данной группы является высокая цена.

3. К третьей группе относятся автоматические выключатели, оснащенные цифровыми расцепителями, которые выпускаются преимущественно североамериканскими, корейскими и японскими компаниями, такими как LS Industrial Systems [16], Hyundai [17], General Electric [18], Mitsubishi Electric [19]. Аппараты данной группы не уступают качеством технического исполнения и стабильностью рабочих характеристик аппаратам из второй группы, но при этом отличаются от них бо-

лее низкой функциональностью, которая компенсируется более низкой ценой.

4. К четвертой группе относятся автоматические выключатели, оснащенные цифровыми расцепителями, которые выпускают российские компании, например, Ульяновский завод "Контактор" [20]. Аппараты данной группы отличаются достаточно хорошим качеством технического исполнения и обладают довольно низкой ценой. Большим недостатком данной группы устройств является слабое использование возможностей микропроцессорных технологий, что сказывается на их низкой функциональности.

Очевидно, что автоматы, выпускаемые отечественной промышленностью, либо не используют возможности микропроцессорных технологий, либо используют их в недостаточной мере. Зачастую крупные отечественные компании являются дочерними предприятиями зарубежных фирм и используют их закрытые технологии ("Контактор" принадлежит концерну Ье§гапс1). В данных обстоятельствах проблема разработки алгоритмов защиты для отечественных микропроцессорных расцепителей стоит особенно остро.

1.3 Устройство и недостатки механического автоматического

выключателя

Рассмотрим устройство механического выключателя с целью выявить его недостатки и определить те его составные части, которые могут быть заменены микропроцессором управления. Составные части универсального автоматического выключателя приведены на блок-схеме (рисунок 1.1).

Главные контакты автоматического выключателя (ГК) устроены так, что один из контактов является подвижным, а другой неподвижен. Подвижный контакт осуществляет замыкание и размыкание автомата, находясь в дугогасительной камере. Контакты соединяются с выводами зажимов. Коли-

Рисунок 1.1 — Основные узлы автоматического выключателя: ГК — главные контакты; ПР — привод; MCP — механизм свободного расцепления; БК — блок контакты; РМТ — расцепитель максимального тока; РОТ — расцепитель обратного тока; РмН — расцепитель минимального напряжения; РН — расцепитель независимый; РТ — расцепитель тепловой

чество выводов определяется количеством полюсов у конкретного автомата.

Сила, замыкающая главные контакты, подается приводом (ПР). Привод представляет собой рычаг, который может быть взведен физической силой или электромотором.

Механизм свободного расцепления (MCP) предназначен для размыкания главных контактов в том случае, если на него воздействует один из расцепителей или кнопка отключения. Свободное расцепление — это свойство автомата, заключающееся в том, что в случае возникновения каких либо ситуаций в цепи защиты (КЗ или перегрузка) соответствующий расцепитель воздействует на этот механизм и происходит размыкание главных контактов, несмотря на то, что привод с электромотором продолжают находиться в положении "Включено". Это свойство обеспечивает непрерывную защиту.

Основные защитные функции автоматического выключателя выполняет группа расцепителей. Наибольшее распространение у автоматических вы-

ключателей получили [21]:

• расцепитель максимального тока (РМТ), - срабатывает, когда ток в контролируемой цепи превышает заданное значение;

• расцепитель минимального напряжения (РмН), - срабатывает, когда напряжение в контролируемой цепи понижается ниже заданного значения;

• расцепитель обратного тока (РОТ), - срабатывает, когда постоянный ток в контролируемой цепи меняет свое направление;

• расцепитель независимый (РН), - предназначен для дистанционного отключения автомата, посредством подачи напряжения на его обмотки;

• расцепитель тепловой (РТ), - имеет обратнозависимую время-токовую характеристику и срабатывает, когда его чувствительный элемент разогревается до заданной температуры.

Типовая схема устройства механического автоматического выключателя приведена на рисунке 1.2 [22].

Анализируя устройство механического автомата (рисунок 1.2), можно выделить следующие его недостатки:

• невозможность настройки рабочих параметров автомата;

• наличие зависимости параметров автомата от условий окружающей среды;

• отсутствие возможности гибкого наращивания функций;

• небольшое число контролируемых параметров и осуществляемых защит [23].

Очевидно, что данные устройства не соответствуют требованиям современных электросетей и требуют модернизации с использованием микропроцессорных технологий. Анализируя такой метод, можно выделить несколько особенностей:

Оз

Рисунок 1.2 — Устройство механического автоматического выключателя: 1) ручка взвода; 2) система рычагов; 3) отключающая пружина; 4) якорь; 5) биметаллический расцепитель; 6) пружина; 7), 8) защелка; 9) дугогасящая

камера; 10) дугогасительные контакты; 11), 15) пружина; 12) гибкий подвижный провод; 13) подвижный контакт; 14), 16) основные контакты; 17) контакт, компенсирующий электродинамическое воздействие тока; 18)

независимый расцепитель

1. Возможности микропроцессора позволяют выполнять функции всех расцепителей, приведенных выше, и исключают недостатки механического автомата. При этом возникает необходимость в оборудовании автомата датчиком тока (трансформатором тока, датчиком на эффекте Холла, катушкой Роговского).

2. Наличие электродинамических сил, воздействующих на цепи автомата, и возможность возникновения электрических дуг делает невозможным какую-либо замену сложившейся концепции коммутации в автомате, а также систем его взведения [24].

3. Использование микропроцессорных расцепителей, помимо существенных плюсов, ставит целый ряд сложных задач, основные из которых заключаются в разработке алгоритмов, выполняющих функции различных защит, которые до этого выполняли расцепители. К тому же сложной задачей является разработка структуры расцепителя. как сложного устройства, объединяющего в себе аналоговые входные цепи, блоки фильтров, блоки усиления, а также каналы аналогово-цифрового преобразования [25].

1.4 Обзор и сравнение существующих моделей потребителей электроэнергии, используемых для обеспечения тепловой защиты

В настоящее время реальный потребитель электроэнергетической сети представляется тремя видами моделей, которые описывают тепловые процессы, происходящие с ним во время работы.

Первая модель предполагает, что поведение реального защищаемого объекта моделирует биметаллическая пластина (на её основе строится термобиметаллический расцепитель ТБР). Она представляет собой соединение двух хорошо проводящих ток металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. При её нагреве протекающим током металлы начи-

нают расширяться, что приводит к изменению формы пластинки, и она прогибается в сторону металла, чей коэффициент расширения меньше. Меняя свою форму, пластинка приводит в действие механизм, и происходит разрыв защищаемой цепи. Данный подход позволяет моделировать нагревание и остывание реального объекта защиты.

Вторая модель предполагает, что реальный потребитель электроэнергии заменяется электромагнитом с выдержкой времени (на его основе реализуется электромагнитный расцепитель ЭМР). При протекании через электромагнит тока, вызывающего излишний нагрев проводника, начинает работать таймер в виде часового механизма. В случае, если по истечении заданного времени ток не уменьшился, происходит срабатывание автомата, и защищаемая цепь размыкается. Данный подход считается устаревшим и не применяется в настоящее время.

Третья модель предполагает, что защищаемый объект заменятся некоторой математической моделью (на её основе реализуется цифровой расцепитель ЦР). Данный подход реализуется только в современных автоматических выключателях, снабжённых микропроцессорами расцепителями. Предполагается, что математическая модель учитывает такие явления, происходящие с реальным объектом, как нагрев, остывание и другие. Как правило, источником информации для такой модели являются мгновенные значения тока, протекающего через защищаемый объект.

Разумеется, данные модели обладают своими достоинствами и недостатками. Рассмотрим их на примере целого ряда критериев.

По экономическому критерию:

• ТБР наиболее экономичен из-за меньшего числа узлов;

• ЭМР менее экономичен из-за сложности устройств замедления;

• ЦР самый затратный из-за стоимости датчиков тока [26].

По диапазону задержек времени, которые возможно обеспечить:

• ТБР позволяет получать требуемые выдержки при производстве;

• ЭМР в силу особенностей конструкции не может осуществлять большие задержки времени;

• ЦР позволяет задавать любую задержку времени, не меняя конструкцию устройства.

По точности регулировки пограничного тока:

• ТБР обеспечивает точность 10-12 %;

• ЭМР обеспечивает точность 5-7 %;

• точность ЦР ограничена видом датчика.

По степени зависимости характеристик модели от температуры окружающей среды они имеют существенные различия:

1. ТБР обладает серьезной зависимостью пограничного тока и всей рабочей кривой от данного критерия. Данное свойство является существен- . ным минусом и может приводить как к невыявленной перегрузке, так и

к неправомерному отключению.

2. ЭМР подвержены влиянию температуры в значительно меньшей степени, чем ТБР.

3. Характеристики ЦР не зависят от температуры окружающей среды. По критерию защиты от быстрого повторного включения модели различаются:

1. ТБР не допускает повторного пуска, пока не произойдет остывания биметаллической пластины.

2. ЭМР не учитывает предыдущий нагрев, и при мгновенном повторном включении после перегрузки может произойти перегрев проводников.

3. ЦР оснащается функцией тепловой памяти, что позволяет моделировать процесс остывания защищаемого объекта после отключения автомата. Тем самым учитывается и исключается повторная перегрузка.

По стойкости к большим токам короткого замыкания:

• ТБР обладают плохой стойкостью и могут быть разрушены токами КЗ и по этой причине часто требуют индивидуальную защиту с помощью РМТ;

• ЭМР обладают лучшей стойкостью к токам КЗ;

• ЦР не подвержен влиянию токов КЗ.

По диапазону используемых номинальных токов:

1. ТБР не могут быть выполнены на токи менее 5-10 А. Это объясняется малой толщиной биметаллической пластины и слабым усилием, которое она развивает. При номинальном токе более 100 А не допускается непосредственное протекание тока через пластину, а её нагрев происходит от расположенного рядом нагревателя. Такой подход усложняет конструкцию и приводит к чрезмерному нагреву не только пластины, но и других узлов автомата.

2. ЭМР не требуют существенных доработок при проектировании их на различные номинальные токи.

3. ЦР технологически не ограничен значением номинального тока и может быть выполнен на любой ток из стандартного ряда. Однако изготовление ЦР на малые номинальные токи экономически не выгодно. Анализируя сравнение моделей по приведенным критериям, можно сделать вывод, что математическая модель, которая используется в цифровых расцепителях значительно превосходит две другие модели по всем параметрам, кроме экономического.

1.5 Задача разработки алгоритма защиты от перегрузки в автомате,

оснащенном цифровым расцепителем

В сетях 0,4 кВ при использовании автоматических выключателей необходимо обеспечивать защиту сосредоточенных потребителей. В случае возникновения перегрузки, происходит разрушение проводников по всей их

Рисунок 1.3 — Время-токовая характеристика автомата защиты. Участок АВ - защита от перегрузки, ВС - селективная защита, СБ - отсечка

длине и, следовательно, требования к защите от перегрузки (Ь — защита) должны быть высокими.

Часто при реализации современных и многофункциональных микропроцессорных расцепителей крупные производители продолжают реализовывать защиту от перегрузки с использованием термобиметаллических расцепителей. В случае использования маломощных автоматов это объясняется экономическими причинами, так как установка в каждый автомат датчика тока и электронной составляющей делает их излишне дорогостоящими. Однако для автоматов средней и высокой мощности такой подход является устаревшим и малоэффективным, особенно с учетом постоянного удешевления электронной элементной базы.

Рассмотрим типовую время-токовую характеристику автомата защиты с биметаллическим расцепителем (рисунок 1.3).

Участок АВ на время-токовой характеристике отвечает за защиту от перегрузки, а форма кривой определяется типом автомата и биметаллической пластиной, расположенной в нем. Такой способ реализации защиты от перегрузки обладает существенными минусами:

• отсутствием возможности изменения формы кривой АВ на время-

токовой характеристике (рисунок 1.4);

• существенной зависимостью формы время-токовой характеристики от температуры окружающей среды;

• экономическими затратами на используемый биметалл. Следовательно, возникает необходимость разработать и реализовать эффективный алгоритм, который бы позволял осуществлять с помощью микропроцессорного расцепителя защиту от перегрузки на новом уровне качества, при этом, не обладая минусами предыдущих способов решения данной проблемы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пильцов, Михаил Владимирович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кобец, Б.Б. SMART GRID как концепция инновационного развития электроэнергетики за рубежом / Б.Б. Кобец, И.О. Волкова, В.Р. Окороков // ЭНЕРГОЭКСПЕРТ. - 2010. - Вып. 2. - С. 52 - 58.

2. Фишман, В. Новые ПУЭ требуют модернизации существующей защитной аппаратуры в сетях до 1000 В / В. Фишман // Новости электротехники. - 2003. - № 2. - С. 6 - 7.

3. Правила устройства электроустановок. ПУЭ-6 и ПУЭ-7. Седьмой выпуск. - Новосибирск: Изд-во Сиб.унив., 2007. - 607 с.

4. Иващенко, В. С. Повышение селективности низковольтных автоматических выключателей / B.C. Иващенко // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2009. - № 5. - С. 45 - 48.

5. Гапоненко, Г.Н. Повышение надежности защиты сетей 0.4 кВ выключателями с микропроцессорными расцепителями за счет расширения перечня защит, повышения чувствительности к удаленным КЗ и реализации режима "дальнего резервирования" / Г.Н. Гапоненко, A.C. Кобозев, В.В. Омельченко // Електротехшка i Електромеханжа. - 2008. -Вып. 5. - С. 19 - 23.

6. Micrologic. Блоки контроля и управления: Руководство по эксплуатации. - Schneider Electric, 2011.

7. Сосков, А.Г. Модернизация системы защиты городских электрических сетей 0.4 кВ за счет использования микропроцессорной техники в рас-цепителях выключателей. / А.Г. Сосков, A.C. Кобозев // Св1тлотехшка та Електроенергетика. - 2010. - Вып. 2. - С. 53 - 63.

8. Назаренко, Е. Контроль и управление состоянием электроустановок: новая Web технология от Schneider Electric / Е. Назаренко // Электропанорама. - 2005. - № 5. - С. 54 - 55.

9. Иванов, В.И. Новая продукция концерна АББ. Автоматические выключатели серии SACE Tmax / В.И. Иванов // Новости электротехники. -2004. - № 4. - С. 28-31.

10. Пильцов, М.В. Тенденции и перспективы применения цифровых технологий в устройствах линейной защиты / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов, В.И. Абергенов // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. тр. - Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та путей сообщения, 2011. - Вып. 19. - С. 65 - 68.

11. SACE Tmax XT. Новые низковольтные автоматические выключатели на номинальный ток до 250 А: Каталог. - ABB, 2012.

12. Compact NSX 100 - 630 А. Автоматические выключатели и выключатели-разъединители низкого напряжения. Измерение и передача данных: Каталог. - Schneider Electric, 2008.

13. Новые воздушные выключатели DMX3: Каталог. - Legrand, 2012.

14. Силовые автоматические выключатели IZM до 6300 А: Каталог. -Moeller, 2005.

15. Компактные автоматические выключатели до 1600 А: Каталог. -Siemens, 2009.

16. Низковольтные автоматические выключатели и контакторы: Каталог. -LS Industrial Systems, 2010.

17. Автоматы защиты двигателя: Каталог. - Hyundai, 2010.

18. М-РАСТ Plus. Воздушные автоматические выключатели 400 - 6300 А: Каталог, - General Electric. 2006.

19. Автоматические выключатели в литом корпусе. Дифференциальные автоматические выключатели: Каталог. - Mitsubishi Electric, 2009.

20. Автоматические выключатели ВА50-39 Pro: Каталог. - Контактор, 2011.

21. Кузнецов, P.C. Аппараты распределительных устройств низкого напряжения / P.C. Кузнецов. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 448 с.

22. Кабышев, A.B. Низковольтные автоматические выключатели : учебное пособие / A.B. Кабышев, Е.В. Тарасов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 346 с.

23. Харечко, В.Н. Расцепители автоматического выключателя / В.Н. Ха-речко, Ю.В. Харечко // Электрика. - 2007. - Вып. 11. - С. 38 - 42.

24. Аппараты распредустройств низкого напряжения: справочник / 4.1. Вып. 1 и 2. Автоматические выключатели до и свыше 630 А. - М.: Патент, 1992. - 308 с.

25. Шмурьев, В.Я. Цифровые реле защиты / В.Я. Шмурьев. - М.: НТФ "Энергопрогресс", 1999. - 56 с.

26. Сушко, В. Полноценная защита стоит дорого. Готов ли платить потребитель? / В. Сушко // Новости электротехники. - 2004. - № 5. - С. 14 - 17.

27. ГОСТ 16442-1980 Кабели силовые с пластмассовой изоляцией. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 21 с.

28. Сыромятников, И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / И.А. Сыромятников. - М.: Госэнергоиздат, 1984. - 240 с.

29. Корогодский, В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением свыше 1кВ / В.И. Корогодский, С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно. - М.: Госэнергоиздат, 1987. - 248 с.

30. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. - М.: Гл. ред. физ. - мат. лит., 1964. - 488 с.

31. Карслоу, Г. Теория теплопроводности / Г. Карслоу. - СПб.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1964. -488 с.

32. Шнеерсон, Э.М. Цифровая релейная защита / Э.М. Шнеерсон. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 549 с.

33. Варламов, Р.Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры / Р.Г. Варламов. - М.: Сов. радио, 1975. - 352 с.

34. Варламов, Р.Г. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Р.Г. Варламов. - М.: Сов. радио, 1980. - 480 с.

35. Себиси, Т. Конвекционный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы : [пер. с англ.] / Т. Себиси, П. Брэдшоу. - М.: Мир, 1987. - 592 с.

36. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

37. Коздоба, Л.А. Электромоделирование температурных полей / Л.А. Коз-доба. - СПб.: Судостроение, 1965. - 171 с.

38. Пильцов, М.В. Электрическая модель потребителя распределительной сети / М.В. Пильцов // Вестник АГТА. - 2012. - № 6. - С. 55 - 59.

39. Пиотровский, Л.М. Электрические машины / Л.М. Пиотровский. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 504 с.

40. Ландсберг, Г.С. Элементарный учебник физики : в 4 т. / Г.С. Ланд-сберг. - М.: Наука, 1982. - Т.2. - 530 с.

41. Беккер, Р. Теория теплоты : [пер. с англ.] / Р. Беккер. - М.: Энергия, 1974. - 504 с.

42. Вейник, А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности / А.И. Вейник. - М.: Госэнергоиздат, 1959. - 184 с.

43. Демидович, Б.П. Краткий курс высшей математики : учебное пособие для вузов / Б.П. Демидович, В.А. Кудрявцев. - М.: Астрель, 2008. -654 с.

44. Бугров, Я.С. Высшая математика. Дифференциальные уравнения. Кратные интегралы. Ряды. Функции комплексного переменного : учеб. для вузов / Я.С. Бугров, С.М. Никольский. - М.: Наука, 1989. - 464 с.

45. Камке, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям / Э. Камке. - М.: Наука, 1976. - 567 с.

46. Пантюшин, B.C. Общая электротехника : учебное пособие / B.C. Пан-тюшин. - М.: Высшая школа, 1970. - 568 с.

47. Матвеев, Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений / Н.М. Матвеев. - М.: Высшая школа, 1967. - 555 с.

48. Понтрягин, J1.C. Обыкновенные дифференциальные уравнения / J1.C. Понтрягин. - М.: Наука, 1974. - 331 с.

49. Хартман, Ф. Обыкновенные дифференциальные уравнения : [пер. с англ.] / Ф. Хартман. - М.: Мир, 1970. - 720 с.

50. Пильцов, М.В. Тепловая модель потребителя распределительной сети / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Винеровские чтения: сб. трудов IV Всероссийской конференции. - Иркутск: Из-во Иркутского гос. тех. университета, 2011. - С. 156 - 162.

51. Кошкин, Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. - М.: Наука, 1972. - 256 с.

52. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники / JI.A. Бессонов. - М.: Высшая школа, 1996. - 566 с.

53. ГОСТ Р 50345-1999 Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового назначения и аналогичного назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 70 с.

54. Бородулин, A.C. Конструкционные и электротехнические материалы / A.C. Бородулин, С.Я. Воробьев. - М.: Высшая школа, 1990. - 296 с.

55. Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородиц-кий. - СПб.: Энергия, 1977. - 352 с.

56. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика : в 5 т. / Д.В. Сивухин. - М.: Гл. ред. физ. - мат. лит., 2005. -Т.2. - 544 с.

57. Пильцов, M.B. Использование математических моделей при реализации цифровой защиты от перегрузки в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ 26: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф. -Иркутск: Изд-во Иркутского гос. тех. ун-та, 2013. - Ч. 1. - С. 116 - 119.

58. Самарский, A.A. Введение в численные методы / A.A. Самарский. -СПб.: Издательство "Лань", 2009. - 288 с.

59. Бабенко, К.И. Основы численного анализа / К.И. Бабенко. - М.: НИЦ "Регулярная хаотическая динамика", 2002. - 848 с.

60. Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. - М.: Издательство "БИНОМ. Лаборатория Знаний", 2008. - 640 с.

61. Дьяконов, В.П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах / В.П. Дьяконов. - М.: Наука, 1989. - 464 с.

62. Копченова, Н.В. Вычислительная математика в примерах и задачах : учебное пособие / Н.В. Копченова, И.А. Марон. - СПб.: Издательство "Лань", 2008. - 368 с.

63. Вержбицкий, В.М. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения / В.М. Вержбицкий. - М.: Высшая школа, 2001. - 382 с.

64. Демидович, Б.П. Основы вычислительной математики / Б.П. Демидо-вич, И.А. Марон. - М.: Наука, 1966. - 644 с.

65. Березин, И.С. Методы вычислений / И.С. Березин, Н.П. Жидков. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1962. - 446 с.

66. Хакимзянов, Г.С. Методы вычислений. Численные методы решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений : в 4 т. / Г.С. Хакимзянов, С.Г. Черный. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета, 2003. - Т.1. - 160 с.

67. Ануфриев, Е.И. MATLAB 7 / Е.И. Ануфриев, А.Б. Смирнов, E.H. Смирнов. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005. - 1104 с.

68. Половко, A.M. MATLAB для студента / A.M. Половко, П.Н. Бутусов.

- СПб.: БХВ - Петербург, 2005. - 320 с.

69. Терёхин, В.В. Основы моделирования в MATLAB / B.B. Терёхин. -Новокузнецк: Кузбассвузиздат, 2004. - 376 с.

70. Пильцов, М.В. Анализ алгоритмов тепловой защиты электрооборудования на основе аналитической модели / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ 24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф. - Пенза: Изд-во Пензенской гос. технол. академии, 2011. - Т. 10. - С. 74 - 77.

71. Пильцов, М.В. Алгоритм тепловой защиты на основе аналитической модели / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Вестник АГТА. - 2010. - № 5. - С. 64 - 66.

72. Дащенко, А.Ф. MATLAB в инженерных и научных расчетах / А.Ф. Дащенко, В.Х. Кириллов, JI.B. Коломиец. - Одесса: Астропринг, 2003.

- 214 с.

73. Дьяконов, В.П. MATLAB 7 / В.П. Дьяконов. - М.: ДМК Пресс, 2008.

- 768 с.

74. Заездный, A.M. Основы расчетов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей / A.M. Заездный. - М.: Связь, 1973. - 448 с.

75. Пильцов, М.В. Разработка алгоритма тепловой защиты для однополюсного автоматического выключателя / М.В. Пильцов // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. тр. - Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та путей сообщения, 2014. - Вып. 24. - С. 57 - 62.

76. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование : [пер. с англ.] / У. Кестер. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.

77. Естифеев, A.B. Микроконтроллеры AVR семейства Mega / A.B. Ести-феев. - М.: "Додэка-ХХГ, 2007. - 592 с.

78. Никамин, В.А. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи / В.А. Никамин. - М.: "Альтекс-А", 2003. - 224 с.

79. Кёнинг, А. Полное руководство по PIC микроконтроллерам / А. Кёнинг, М. Кёнинг. - Киев: "МК-Пресс", 2007. - 256 с.

80. Кулаков, М.В. Измерение температуры поверхности твердых тел / М.В. Кулаков, Б.И. Макаров. - М.: Энергия, 1969. - 136 с.

81. Лабутин, В.К. Книга радио-мастера / В.К. Лабутин. - М.: Энергия, 1964. - 528 с.

82. Волькенштейн, B.C. Сборник задач по общему курсу физики / B.C. Волькенштейн. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1979. - 352 с.

83. Двайт, Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические функции / Г.Б. Двайт. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1973. - 228 с.

84. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента / X. Шенк. - М.: Мир, 1972. - 376 с.

85. Мантгомери, Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных / Д.К. Мантгомери. - СПб.: Судостроение, 1970. - 384 с.

86. ГОСТ 8.207-1976 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. - М.: Изд-во стандартов, 1977. - 7 с.

87. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шеффер. - М.: Мир, 1977. - 552 с.

88. ГОСТ 24026-1980 Планирование эксперимента. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 14 с.

89. Куликовский, К.Л. Методы и средства измерений / К.Л. Куликовский, В.Я. Купер. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 448 с.

90. Алексеев, Е.Р. Scilab: Решение инженерных и математических задач / Е.Р. Алексеев, О.В. Чеснокова, Е.А. Руденко. - М.: Издательство "Лаборатория знаний", 2008. - 260 с.

91. Пильцов, М.В. Моделирование объекта тепловой защиты автоматического выключателя / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - № 3 (35). -С. 243 - 250.

92. Щербаков, B.C. Измерение среднеквадратического значения напряжения / B.C. Щербаков, И.Н. Гнездов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -120 с.

93. Щербаков, В.И. Электронные схемы на операционных усилителях / В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. - Киев: Техника, 1983. - 213 с.

94. Ленк, Д. Электронные схемы: Практическое руководство : [пер. с англ.] / Дж. Ленк. - М.: Мир, 1985. - 343 с.

95. Джонс, М.Х. Электроника. Практический курс : [пер. с англ.] / М.Х. Джонс. - М.: Техносфера, 2006. - 509 с.

96. Третьяк, Л.Н. Обработка результатов наблюдений : учебное учебное пособие / Л.Н. Третьяк. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 171 с.

97. Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. - М.: Издательский дом "Додэка - XXI", 2005. - 528 с.

98. Пильцов, М.В. Модуль измерительного канала цифрового расцепителя / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Вестник АГТА. - 2010. - № 4. - С. 36 - 38.

99. Пильцов, М.В. Анализ влияния нестабильности задающего генератора на погрешность преобразования сигнала в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Химия и химические технологии. Техническая кибернетика. Экспериментальная медицина. Транспорт. Фи-

зика, математика. Гуманитарные науки: сб. науч. тр. - Ангарск: Изд-во Ангарской гос. тех. академии, 2010. - С. 112 - 114.

100. Пильцов, М.В. Анализ погрешности квантования при вычислении среднеквадратичного значения напряжения / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Сборник научных трудов молодых ученых и студентов: сб. науч. тр.

- Ангарск: Изд-во Ангарской гос. тех. академии, 2009. - С. 63 - 66.

101. Пильцов, М.В. Анализ влияния нестабильности задающего генератора на погрешность преобразования сигнала в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Современные технологии и научно-технический прогресс: тез. докл. науч. - техн. конф. - Ангарск: 2010. -С. 13.

102. Пильцов, М.В. Анализ одного вида погрешности вычислительных алгоритмов в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ 23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф. - Саратов: Изд-во Саратовского гос. тех. университета, 2010. - Т. 9. - С. 220 - 222.

103. Пильцов, М.В. Исследование нестабильности задающего генератора при выполнении преобразования сигнала в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Современные проблемы радиоэлектроники и связи: Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Иркутск: Изд-во Иркутского гос. тех. ун-та, 2010. - С. 148.

104. Пильцов, М.В. Моделирование информационных процессов в цифровых расцепителях / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов // Вестник ИРГТУ.

- 2012. - № 11 (70). - С. 21 - 26.

105. Грановский, В.А. Динамические измерения: основы метрологического обеспечения / В.А. Грановский. - СПб.: Энергоатомиздат, 1984. - 224 с.

106. Автоматические выключатели серии ВА88: Каталог. - IEK, 2012.

107. Выключатели автоматические. Серия ВА08: Каталог. - Контактор, 2011.

108. Магда, Ю.С. Программирование последовательных интерфейсов / Ю.С. Магда. - СПб.: Издательский дом "БХВ - Петербург", 2009. - 305 с.

109. Архангельский, А.Я. Программирование в С++ Builder б / А.Я. Архангельский. - М.: ООО "Бином - Пресс", 2005. - 1168 с.

110. Автоматизированная система измерения температуры неизолированных проводников / М.В. Пильцов, Б.Ф. Кузнецов, Д.К. Бородкин // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617880. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.08.2014.