Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Рагуткин, Александр Викторович

• Рагуткин, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рагуткин, Александр Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ требований современной нормативной базы к обеспечению электробезопасности установок. Классификация источников бесперебойного питания статического типа.

1.1. Анализ требований к времени отключения токов повреждения в сетях 0.4 кВ в соответствии с новой нормативной базой.

1.2. Электрофизические реакции при протекании электрического тока через тело человека.

1.3. Классификация потребителей особой группы.

1.4. Классификация источников бесперебойного питания.

1.4.1 Источники бесперебойного питания резервного типа (passive standby).

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

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

1.5. Структура схем гарантированного электроснабжения с источниками бесперебойного питания статического типа.

1.5.1 Системы с параллельным резервированием.

1.5.2 Схема с последовательным резервированием.

1.6. Выводы к первой главе.

Глава 2 Анализ функционирования источников бесперебойного питания при внешнем коротком замыкании и перегрузке. Разработка методики расчета тока однофазного КЗ за источником бесперебойного питания.

2.1. Классификация режимов работы источников бесперебойного питания с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении автоматическим отключением питания.

2.2. Особенности функционирования источников бесперебойного питания при внешнем коротком замыкании или перегрузке.

2.3. Поведение различных схем при внешней перегрузке и коротком замыкании.

2.4. Анализ существующей документации и технической литературы по расчету тока однофазного КЗ при питании от источников бесперебойного питания статического типа.

2.5. Расчет тока однофазного КЗ при питании от источников бесперебойного питания.

2.5.1 Расчет тока однофазного КЗ в инверторном режиме работы.

2.5.2 Расчет тока однофазного КЗ в режиме работы от сети.

2.6. Сравнение инверторного режима работы и режима работы от сети при расчета тока однофазного КЗ.

2.6.1 Учет вышестоящей сети.

2.6.2 Соотношение между рассчитанным и реальным током однофазного КЗ.

2.7. Выводы ко второй главе.

Глава 3 Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании от источника бесперебойного питания статического типа.

3.1. Общие положения.

3.2. Методика обеспечения защиты при косвенном прикосновении автоматическим отключением питания в случае электроснабжения от источников бесперебойного питания.

3.2.1 Инверторный режим работы.

3.2.2 Режим работы от сети.

3.3. Дополнительные мероприятия по обеспечению защиты при косвенном прикосновении при электроснабжении от источников бесперебойного питания.

3.4. Рекомендации по проектированию систем электроснабжения с источниками бесперебойного питания статического типа.

3.5. Выводы к третьей главе.

Глава 4 Программный комплекс и расчетно-экспериментальное исследование токов однофазного КЗ за источниками бесперебойного питания.

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-экспериментальное исследование тока КЗ за источниками бесперебойного питания.

4.2.1 Расчетно-экспериментальное исследование тока однофазного КЗ за

4.2.2 Пример расчета тока однофазного КЗ по разработанной методике

4.3. Выводы к четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа»

Почти каждое промышленное предприятие и административное здание содержит в составе нагрузок системы электроснабжения ответственные потребители, которые предъявляют особые требования к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. Это потребители первой категории и особой группы по надежности электроснабжения [1]. К приемникам особой группы, в первую очередь, относятся различные вычислительные комплексы и центры, системы управления технологическими процессами, системы собственных нужд электростанций, эвакуационное освещение, электрозадвижки и системы охлаждения на нефтеперерабатывающих предприятиях; в объектах инфраструктуры это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий. С каждым годом доля чувствительной нагрузки увеличивается в основном за счет повсеместной компьютеризации производственных процессов. Перерыв электроснабжения потребителей первой категории 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 электроприемников первой категории и особой группы должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. п. В последнее время в качестве третьего независимого источника питания благодаря преимуществам все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП) статического типа. Следует отметить недостаточность нормативной базы, описывающей вопросы электроснабжения от ИБП статического типа. Так, у нас в стране отсутствует аналог стандарта IEC 62040-3. Также необходимо указать на отсутствие методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении 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. При фазном напряжении 220 В время автоматического отключения питания не должно превышать 0,4 с [1]. 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 [2,3,4,5]. Первым шагом к решению этих вопросов стала разработка на кафедре ЭПП Московского энергетического института (технического университета) методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ на этапе проектирования систем электроснабжения [6]. Основополагающая идея, взятая при разработке методики заключается в том, что в системе заземления TN любое повреждение изоляции превращается в однофазное КЗ между фазным и РЕ (PEN) проводником из-за непосредственной связи отрытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью источника питания. Таким образом, автоматическое отключение питания эффективно, если ток повреждения изоляции достаточен для срабатывания защиты от сверхтока и время ее работы не превышает максимально допустимого, зависящего от фазного напряжения сети. Это условие должно быть обеспечено на этапе проектирования электроустановки путем наложения минимальных значений тока КЗ на время-токовую характеристику аппарата защиты на всех уровнях системы электроснабжения.

Критерием успешности работы защиты, предложенным в этой методике, является максимально допустимая длина, выраженная для каждого номинала тока срабатывания токовой отсечки применяемого автомата защиты и каждого сечения кабеля, при которой обеспечивается защита при косвенном прикосновении [6].

К сожалению, данная методика не применима к сетям с ИБП статического типа, так как в ней не описан алгоритм расчета тока однофазного замыкания при питании от ИБП и как следствие, невозможно определить минимальный ток однофазного КЗ за ИБП и, следовательно, нельзя найти максимально допустимую длину, при которой обеспечивается срабатывание аппарата защиты при косвенном прикосновении.

Поэтому в диссертационной работе решаются следующие задачи: анализ функционирования источника бесперебойного питания статического типа при внешнем однофазном КЗ; разработка методики расчета тока однофазного КЗ при питании от источника бесперебойного питания статического типа; разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа.

Актуальность решаемой задачи обусловлена двумя факторами: изменением нормативной документации, в особенности, ужесточение требований к времени автоматического отключения питания; увеличением с каждым годом доли чувствительной нагрузки, для обеспечения бесперебойности питания которой используют ИБП статического типа.

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.

Целью работы является разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа в сетях с системой заземления Т]Ч, ориентированной на широкий круг электриков, проектировщиков и наладчиков, позволяющей практически реализовать требования современной нормативной базы.

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

1. Анализ источников бесперебойного питания статического типа.

2. Анализ функционирования источников бесперебойного питания статического типа при внешнем однофазном КЗ.

3. Разработка методики расчета тока однофазного КЗ за источником бесперебойного питания статического типа.

4. Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1кВ при электроснабжении от источника бесперебойного питания статического типа.

5. Разработка комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, использующих разработанную методику.

Научная новизна

1. Предложена классификация режимов работы источников бесперебойного питания статического типа для обеспечения защиты при косвенном прикосновении.

2. Выполнено исследование функционирования источника бесперебойного питания топологии двойного преобразования при внешнем однофазном коротком замыкании и предложена методика расчета тока однофазного КЗ за ИБП.

3. Разработана методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1кВ при электроснабжении от источника бесперебойного питания статического типа, позволяющая практически реализовать требования современной нормативной базы по отношению к времени автоматического отключения питания.

4. Разработаны алгоритмы и комплекс программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенный для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении. Программы внедрены в проектную практику ОАО «ВНИПИнефть» и АСНИ «Электроснабжение» кафедры электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (технического университета).

Практическая ценность работы и ее реализация состоят в том, что разработанная методика позволяет 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 ориентирована на широкий круг пользователей и может быть рекомендована к применению в проектных, научно-исследовательских и других организациях.

Разработанная методика и комплекс программ внедрены в практику проектирования научно-исследовательского института ОАО

ВНИПИнефть» г. Москва.

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: IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009); международной научно-практической конференции «Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации: проблемы и перспективы» посвященной 50 - летию Рудненского индустриального института (Рудный, 2009); VII -ой международной научно-практической интернет-конференции Энерго- и ресурсосбережение XXI век (Орел, 2009); на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» МЭИ. Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 103 странице основного текста, содержит 33 иллюстрации и 17 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 55 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Рагуткин, Александр Викторович

4.3. Выводы к четвертой главе

1. При анализе таблиц 4.4.- 4.7 видно, что при относительно больших сечениях при расчете тока однофазного КЗ в инверторном режиме работы, полученный расчетный ток больше номинального ограниченного тока ИБП, заявленного производителем. Это означает, что в сети в течение времени токоограничения будет протекать ограниченный ток ИБП, который может быть в несколько раз меньше, чем рассчитанный ток. Это обстоятельство может привести к неправильному выбору аппарата защиты, если не будут учтены рекомендации, данные в третьей главе диссертационной работы.

2. При уменьшении сечения ограниченная длина уменьшается, что упрощает выбор аппарата защиты с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении.

3. При одинаковом сечении, но разных номинальных ограниченных токах устойчивее к внешним перегрузкам будет ИБП с большим ограниченным током, что подтверждает рекомендации, данные в третьей главе диссертационной работы.

Заключение

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена классификация режимов работы источников бесперебойного питания статического типа с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении.

2. Исследовано функционирование источника бесперебойного питания топологии двойного преобразования при внешнем однофазном коротком замыкании, на основании этого исследования предложена методика расчета тока однофазного КЗ за ИБП.

3. Разработана методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1кВпри электроснабжении от источника бесперебойного питания статического типа, позволяющая практически реализовать требования современной нормативной базы к времени автоматического отключения питания.

4. Разработан алгоритм и на его основании универсальная программа «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенная для автоматизированного выбора сечений токоведущих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении. Программа внедрена в проектную практику ОАО «ВНИПИнефть» и АСНИ кафедры электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (ТУ).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рагуткин, Александр Викторович, 2009 год

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

2. Саженкова Н.В. Повышение надежности систем электроснабжения до 1 кВ. // XII международная научно-техническая конференция «Радио, электроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, 2005. -С. 371-372.

3. Саженкова Н.В., Цырук С.А., Кулага М.А. Обеспечение безопасности при косвенном прикосновении // Электрика. 2006. - №3. - С.21-25.

4. Саженкова Н.В., Цырук С.А., Кулага М.А. Обеспечение безопасности при косвенном прикосновении // Сб. материалов «Электрофикация металлургических предприятий Сибири» выпуск 12 Томск: Издательство Томского университета - С. 107-115.

5. Саженкова Н. В. Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ на этапе проектирования систем электроснабжения — диссертация. М.:2006.

6. Рагуткин A.B., Ужесточение требований к обеспечению электробезопасности // 4 Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» том 3. 2009. - С. 219 .

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

8. Ю.Фишман B.C. Новые ПУЭ требуют модернизации существующем защитной аппаратуре в сетях до 1000В. -Новости Электротехники, 2003 №2

9. П.Беляев A.B. Выбор аппаратуры защит и кабелей в сетях 0,4 кВ. Л-: Энергоатомиздат, 1988, 176 с.

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

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

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

13. Быков Е.А. Разработка принципов построения систем гарантированного питания электроснабжения промышленных предприятий диссертация. М.: 2005.

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

15. Rasmussen N. Les différents types des onduleurs. — Livre blanc, №1.

16. McCarty K. Comparaisons des configuration des types des onduleurs- — Livre blanc, №75

17. Руководящая спецификация. Система бесперебойного питаний переменного тока. Гутор.

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

19. Климов В.П., Климова C.P. Энергетические показатели ИБП переменного тока. Электронные компоненты

20. Цырук С.А., Быстрицкий Г.Ф., Зиборов Б.Н., Потаихина Н.И. Условия выбора и проверки силовых кабелей в сети 0,4 кВ. -Промышленная энергетика, 1997. №8.

21. Fiorina J.N. Cahier Technique Merlin Germ №159, Onduleurs et harmoniques (cas des charges non lineaires), 1992. -20c.

22. ГОСТ 27699-88 Системы бесперебойного питания.

23. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 632 с.

24. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.:Энергоатомиздат, 1992.-296 с.

25. Бердфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов, перевод с англ. под. ред. И.В. Антика. М.: «Энергия», 1969. - 280 с.

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

27. Calvas R., De Metz Noblat В., Ducluzaux A., Thomasset G.Calc. Calcul des courants de court-circuit- Cahier technique, №158 (Groupe Schneider).

28. Geinder J.A., Davidson O.C., Brendel R.W., Determination of ground-fault current on common A-C grounded neutral systems in standard steel or aluminum conduit. Applications and Industry, 1960, № 48.

29. IEC Standard 60909-0. First edition 2001-07. Short-circuit currents in three-phase a.c. systems Part 0: Calculation of currents.

30. РД 153-34.0-20.527-98 Руководящие указания no расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования.

31. В.В. Жуков Короткие замыкания в узлах комплексной нагрузки электрических систем. -М.: Издательский дом МЭИ, 1994. 224 с.

32. В.В. Жуков Короткие замыкания в электроустановках напряжением до 1 кВ М.: Издательский дом МЭИ, 2004. - 224 с.

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

34. UTE С15-105, Guide pratique, Determination des sections de conducteurs et choix des dispositifs de protection, Methodes pratiques.-UTE, juillet 2003

35. Демирчян K.C. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 1. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2006. — 463с.

36. Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 2. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2006. — 473с.

37. Guide de Г installation électrique. Schneider Electric -France.: Citef SAS, 2003.

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

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

40. Krotoff H. Approche industrielle de la surete de fonctionement. — Cahier technique, №134 (Groupe Schneider).

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

42. Саженкова Н.В., Цырук С.А., Кулага М.А. Обеспечение безопасности при косвенном прикосновении // Сб. материалов «Электрофикация металлургических предприятий Сибири» выпуск 12 — Томск: Издательство Томского университета — С. 107-115.

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

44. ГОСТ P 50030.2. Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. Автоматические выключатели.

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

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

47. Lacroix В., Calvas R. Les schémas de liaisons a la terre en ВТ (regimes du neutre). Cahier technique, №172 (Groupe Schneider).

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

49. Воробьев А. Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. -М.: Экотрендз, 2003. -279 с.

50. 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.(Казань)

51. 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. (Москва)