Выбор и разработка процедуры управления динамикой подключения ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Вихров, Михаил Евгеньевич

• Вихров, Михаил Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вихров, Михаил Евгеньевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор и разработка процедуры управления динамикой подключения ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Вихров, Михаил Евгеньевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вихров, Михаил Евгеньевич, 2013 год

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.