Раціональні способи побудови, управління та експлуатації установок зовнішнього освітлення

Обґрунтована раціональність виконання системи двостороннього електропостачання ділянок мережі ЗО при каскадних схемах вмикання шляхом стабілізації режимів електропостачання за допомогою тиристорних ключів.

При реалізації системи телеуправління потужністю мереж ЗО запропоновано використання нового способу передачі командних сигналів силовими проводами шляхом деформації півхвилі напруги мережі, що полягає у формуванні імпульсів струму (при фіксованих кутах комутації ел.градусів та ел.градусів), які забезпечують мінімальну потужність модулятора струму при максимальній величині прирощення амплітуди напруги, що використовується як сигнал телеуправління.

Запропоновано новий вид передачі сигналів телеуправління - вибіркове включення джерел світла шляхом комутації напруги мережі на початку заданого за полярністю півперіоду - полярно-стартова ознака.

Запропоновано спосіб плавного регулювання потужності розрядних джерел світла з двобаластними ПРА, що комутуються тиристорним ключем, шляхом плавної зміни кута відпирання останнього.

Запропоновано новий спосіб оптимізації роботи імпульсних запалювальних приладів (ІЗП) для натрієвих ламп високого тиску (НЛВТ) шляхом чергування робочих періодів з паузами, що знижує імовірність виходу ІЗП з ладу при несанкціонованих згасаннях НЛВТ.

Запропоновано нові системи контролю роботи мережі ЗО з каскадним включенням, що забезпечують захисне відключення ділянок мережі ЗО та локалізацію аварій в каскадному ланцюгу із збереженням роботоспроможності каскаду ЗО в цілому.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що

способи модернізації системи електропостачання мережі освітлення шляхом створення двостороннього живлення ділянок каскаду з елементами контролю рівня напруги тиристорними приладами, запропоновані в цій роботі, дозволяють вирішити проблему стабілізації напруги, що підводиться до джерел світла, виключити несанкціоноване погасання РЛВТ при провалі напруги на одному з джерел живлення, попередити відмови в роботі цілих каскадних напрямків через низьку якість електропостачання, що має місце при живленні ділянок мережі від одного джерела;

розроблений спосіб передачі сигналів телеуправління дозволяє побудувати в каскаді ЗО системи регулювання потужності джерел світла, зокрема РЛВТ, без відключення окремих ДС у нічні години доби.

Запропонований спосіб полярно-стартової передачі команди управління по мережах ЗО дозволяє реалізувати вибіркове включення світильників на ділянках мережі як за кількістю, так і за потужностю, що дозволяє обирати раціональний режим роботи освітлювальної установки відповідно до експлуатаційних умов для даного періоду роботи.

Способи управління освітлювальним навантаженням, рекомендовані в дисертації, відрізняються простотою і не потребують спеціальної апаратної обробки мереживного контуру, що забезпечує експлуатацію мереж ЗО в оптимальному економічному режимі без порушення світлового комфорту в різні періоди доби;

використання імпульсного запалюючого приладу з програмованим режимом роботи знімає проблему тривалої холостої роботи останнього при несанкціонованому погасанні розрядної лампи, що попереджує передчасний вихід з ладу ІЗП;

нові варіанти програмних і фотоелектричних приладів для управління мережею ЗО, розроблені в роботі, забезпечують алгоритм роботи цих приладів у повній відповідності з світловим графіком для даного режиму експлуатації;

системи контролю аварійних ситуацій в мережах ЗО відключають аварійну ділянку від джерела напруги, одночасно забезпечуючи роботу справних ділянок каскаду ЗО, що знаходяться за аварійним. У даному випадку вирішуються два завдання: здійснюється захист людей від ураження електричним струмом, наприклад, при обриві проводів повітряних ЛЕП, і забезпечується робота каскадного ланцюга в цілому при аварії на одній з проміжних ділянок мережі ЗО.

Результати дисертаційної роботи були використані спеціальним конструкторським бюро “Полісвіт” ВО “Комунар”, м. Харків при підготовці технічної документації на системи контролю та локалізації аварій відповідно до цільової комплексної програми України “Розробка освоєння виробництва і випуск приладів автоматизації зовнішнього освітлення міст”. Акт впровадження наведено у додатку.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати досліджень з дисертаційної роботи повідомлялися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на:

ХХХ науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства 18-20 травня 2000 р;

Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика (SIEMA 2000)”, м.Харків, 2000;

ХХХІ науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства 22-24 травня 2002 р;

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 18 наукових працях, в тому числі в 8 статтях у фахових наукових виданнях, 7 свідоцтвах на винахід.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві:

[2] - виконаний аналіз та оцінка роботи розрядних ламп з двобаластними ПРА;

[3] - виконаний аналіз режиму напруги в мережах ЗО, показані наслідки роботи розрядних ламп при провалах напруги лінії живлення;

[4] - запропонована схема живлення освітлення при двосторонньому живленні та виконано її дослідження;

[5] - виконана розробка способу передачі сигналів телеуправління по силових мережах ЗО з

різними кутами комутації формувателя сигналу;

[6] - досліджена робота симисторного ключа яскравості розрядних ламп (РЛ). Зроблена оцінка залежності світлового потоку РЛ від величини сумарного струму ланцюга регулювання;

[7] - виконана розробка датчика струму освітлювальної мережі;

[8] - виконана розробка та дослідження роботи системи локалізації аварій у каскадах зовнішнього освітлення;

[9] - розроблена блок-схема алгоритму роботи програмного приладу управління установкою зовнішнього освітлення.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатків. Повний обсяг роботи складає 292 сторінки, в тому числі 149 сторінок основного тексту, 103 рисунки, 31 таблиця, 13 сторінок списку використаної літератури з 133 найменувань і 29 сторінок додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі, які вимагають вирішення, викладено основні положення наукової і практичної цінності отриманих результатів, наведено дані з апробації результатів роботи, визначено особистий внесок здобувача в наукових працях.

У першому розділі розглянуті питання побудови мереж ЗО з каскадним включенням за оцінкою норм світлотехнічної частини та характеристик побудови електротехнічної частини установок НО. При цьому відзначені особливості електропостачання ділянок ліній освітлення та об'єднання їх у каскадно-керовані напрямки. Особливої уваги приділено режимам напруг, що підводяться від міських підстанцій загального призначення до джерел світла (ДС), в якості яких превалюють розрядні лампи високого тиску. Визначена залежність параметрів мережі ЗО від рівня напруги (рис.1), з якої виходить, що нестабільність напруг обумовлює роботоспроможність не тільки окремих ДС, а також цілих каскадних напрямків.

Також був проведений аналіз побудови систем контролю та управління каскадів ЗО, в якому особливо було розглянуте питання можливості передачі командно-контрольної інформації силовими проводами ділянок каскаду ЗО, та як задовільний, був означений спосіб передачі інформації деформацією півхвилі робочого струму або напруги.

При аналізі особливостей експлуатаційної ситуації мереж ЗО з'ясовано, що при каскадно-керованих побудовах мережі ЗО відмічається тиражування аварійних ситуацій на ділянках каскаду, що знаходяться за місцем аварії, відносно головного пункту живлення (ГПЖ) каскаду ЗО. Огляд відомих рекомендацій з удосконалення роботи ліній освітлення і порівняння їх з питаннями раціональної експлуатації установок ЗО дозволили сформулювати постановку завдання даної роботи у вигляді переліку способів побудови, управління та експлуатації установок ЗО, що містить: раціоналізацію системи електропостачання установок ЗО; організацію системи телеуправління установками ЗО з передачею командно-контрольної інформації по силових проводах мережі; оптимізацію елементів мережі ЗО з метою забезпечення якісних вихідних характеристик ОУ при нестабільних експлуатаційних умовах; розробку елементної бази систем контролю та управління режимами роботи мереж ЗО з каскадним включенням.

Другий розділ присвячений побудові систем раціонального електропостачання установок ЗО. У результаті аналізу особливостей побудови мереж освітлення з каскадним включенням

запропоновані системи двостороннього живлення (СДЖ) ділянок каскаду ЗО, що забезпечують підтримання рівня напруги на джерелах світла в діапазоні нормативних меж і виключають найбільш небезпечний для РЛВТ режим - глибокі провали напруги. При розгляді характеристик СДЖ ліній освітлення відмічено наявність зрівноваженої потужності , що зумовлена різницею напруг та , яка протікає лінією освітлення з опором від джерел живлення А і В (рис.2):

, (1)

де - номінальна напруга.

Як міру обмеження впливу зрівняльної потужності і стабілізації роботи мережі за напругою пропонується виконувати живлення ділянки мережі освітлення через тиристорні ключі ТК1 та ТК2 з фазовим законом регулювання. Для ділянки мережі ЗО, що оснащена РЛВТ з індуктивними ПРА, рівень напруги на освітлювальному навантаженні при варіації кута управління тиристорними ключами визначається як

, (2)

де - напруга джерела живлення;

- кут затягування струму при індуктивному навантаженні.

Відповідно до (2) встановлено, що стабілізація напруги в лінії освітлення може бути досягнута при автоматичній зміні кута управління тиристорів з урахуванням збуджуючих факторів у вигляді відхилень напруги мережі й зміни потужності освітлювального навантаження за алгоритмом, який запропоновано в роботі. Аналіз світлотехнічних характеристик роботи РЛВТ в ланцюзі з тиристорним ключем показав, що наявність пауз струму лампи при фазовому законі регулювання обумовлює різке зниження світлового потоку. Раціональним рішенням при цьому є побудова індивідуальних комбінованих ПРА у вигляді додаткових дроселів, які зашунтовані тиристорним ключем. У цьому випадку комбіноване регулювання забезпечує зниження світлового потоку лише до 2%, відносно 50% за умов тільки фазового регулювання для пропорції напруг .

Третій розділ присвячений організації системи телеуправління установок ЗО з передачею сигналів по силових проводах мереж освітлення. При прийнятті як ознаки передачі командно-контрольної інформації деформації півхвиль струму або напруги завданням дослідження було визначення оптимальних параметрів сигналів, що впевнено фіксуються у будь-якій точці ділянки мережі і мають мінімальний вплив на системи електропостачання ділянки ЗО і, як наслідок, на роботу джерел світла. Встановлено, що при передачі контрольної інформації від кінця ділянки ЗО до її початку оптимальним є формування струмового сигналу в межах 5-10 ел.градусів відносно робочого струму з кратністю порядку .

Як спосіб передачі сигналу телеуправління по ділянці трифазної мережі освітлення розглянуто метод формування сигналу у вигляді прирощення фазних напруг , в контурі фаз В та С при струмовій модуляції в третій фазі А (рис. 3, 4).

Дослідження процесу стійкості проходження сигналу телеуправління ОУ по силових проводах мережі освітлення та його вплив на роботоспроможність РЛВТ в галузі стабілізації фазового розряду в момент струмового імпульсу довели, що оптимальною величиною фазового кута комутації модулятора слід вважати кут 150 ел.градусів.

Розгляд найбільш простих способів телеуправління ОУ, наприклад, в системі вибіркового включення світильників показує, що як останні може бути прийнята полярно-стартова ознака передачі інформації, при якій включення джерела світла Е1 або Е2 (режим роботи І або ІІ) виконується вибором полярності стартової півхвилі напруги мережі - моментом комутації апарату КА - та виділенням його датчиком ДС, що впливає на комутатор ІК (рис. 5).

Експериментально встановлено, що стійкість роботи РЛВТ як джерел світла, що особливо чутливі до збуджень мереживного контуру за напругою, при передачі вказаних командних сигналів гарантована.

Четвертий розділ присвячений розробці управляючих контурів установок ЗО, зокрема дослідженню способів регулювання потужності РЛВТ за допомогою двобаластних ПРА, один з яких зашунтований тиристорним ключем VS2, як в індивідуальному варіанті, так і регулювання потужності ділянки мережі з РЛВТ групи ламп.

Оскільки при комутації в схемі ПРА-РЛВТ додаткового дроселя відзначається різкий перепад світлового потоку: зниження на 26% - момент та зростання на 35% - момент (рис. 6), що впливає на швидкість адаптування очей людини, особливо при напруженій зоровій праці, зокрема водіїв транспорту, в розділі розглянуте питання виключення цього негативного впливу. У даному випадку була досліджена можливість плавного регулювання яскравості ДС при впровадженні до схеми ПРА додаткового дроселя L2 шляхом поступової зміни фазового кута симистора VS2 від 0 до 180 ел.градусів, що дозволило попередити стрибкоподібність (від точки а до точки б) переходу світлового потоку Ф до плавного переходу (точки а, б', в) під час інтервалу часу . Разом з тим при збільшенні потужності ДС - шунтуванні дроселя L2 - стрибок (від точки г' до точки д) світлового потоку замінено плавним його наростанням через точки г', д', е в інтервалі часу шляхом поступової зміни кута відпирання симистора від 180 до 0 ел.градусів. Плавний перехід від номінальної величини світлового потоку до зниженої ( см. рис. 6) обумовлений фазовою провідністю симисторного ключа, що працює в контурі додаткового дроселя.

У розділі також розглянута оптимізація роботи імпульсних запалювальних пристроїв (ІЗП) у вигляді циклічних включень на період пробою РЛВТ, що виключає холостую роботу ІЗП під час підготовки до запалення лампи, яка раптово погасла. Відзначені варіанти програмного управління автоматизованого освітлювального комплексу, що передбачає зміну кроку включення і відключення освітлювальної установки за заданим алгоритмом (рис. 7) з коректуванням програми фотоелектричними приладами.

П'ятий розділ присвячений розгляду систем контролю та управління мережами зовнішнього освітлення. Був досліджений розвиток типової аварійної ситуації - обриву проводу з наступним коротким замиканням - шляхом аналізу перехідних процесів, що дозволили визначити види й параметри елементів контролю установок ЗО - датчиків струму і напруги. На підставі цього запропоновані варіанти систем захисного відключення мережі освітлення, а також комплекту приладів локалізації аварійного стану в каскадних схемах ЗО.

Як раціональне технічне рішення розглянута система регулювання потужності джерел світла в каскаді ЗО, побудована відповідно до рекомендацій третього розділу щодо реалізації способу передачі сигналів телеуправління потужністю, а також четвертого розділу щодо способу зміни яскравості РЛВТ двобаластними ПРА та управління роботою імпульсних запалювальних пристроїв у циклічному режимі.

Для оцінки ефективності запропонованих у дисертації нових науково обгрунтованих технічних рішень з управління та експлуатації установок ЗО було прийняте порівняння кількості світлової енергії освітлювальних установок при традиційній будові каскадно-керованих ліній зовнішнього освітлення і систем автоматичного контролю аварійного стану каскаду ЗО, а також систем регулювання потужності мереж освітлення при використанні двобаластних ПРА. Проведені порівняння показали, що типова аварійна ситуація - відмова нічної фази управління - призводить до недовідпуску світлової енергії до 69% від нормального режиму, тоді як при оснащенні пунктів живлення каскаду ЗО комплектом локалізування аварій “КУЛОН” величина недовідпуску світлової енергії по аналогічному каскаду ЗО знижується до 9,6% (табл. 1).

Таблиця 1. Вироблення світлової енергії каскадом зовнішнього освітлення у нормальному й аварійному режимах роботи

Ефективність регулювання потужності мережі освітлення за допомогою зміни яскравості джерел світла в різні експлуатаційні періоди доби (схема з двобаластними ПРА) відносно часткового відключення світильників у нічні години (схема однобаластного ПРА) обумовлена підвищенням як якості освітлення - забезпеченням рівномірного освітлення об'єктів, так і якості електропостачання - рівномірністю струмового навантаження, а також економією електричної енергії (табл. 2).

ВИСНОВКИ