20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 621.317.333:316.13

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення методів і засобів контролю ізоляції та захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Романюк Микола Валентинович

Вінниця 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розподільні мережі постійного струму застосовують для живлення різних споживачів у гірничорудній, вугільній, хімічній, машинобудівній та інших галузях промисловості, а також як оперативні на електричних станціях та підстанціях. Найбільш розповсюдженими є двопровідні мережі постійного струму. Досвід експлуатації розподільних мереж постійного струму (РМПС) показав, що характерним видом пошкодження в них є однополюсне замикання на землю, яке складає до 95 % від загальної кількості пошкоджень. Такий вид пошкодження призводить до виникнення міжфазного к.з., пожеж, вибухів, уражень людини електричним струмом, простою високопродуктивних машин і механізмів, хибного спрацювання релейного захисту і автоматики на електричних станціях і підстанціях.

Наявна система технічного обслуговування РМПС є регламентною та застосовує систему діагностування, що періодично повторює діагностичні цикли. Існуючі засоби безперервного контролю ізоляції мають різний рівень чутливості до зміни значень провідності ізоляції полюсів відносно землі та не реагують на симетричне зниження опору ізоляції полюсів відносно землі, що накопичує приховані дефекти ізоляції. Засоби захисного вимкнення двопровідних мереж постійного струму на промислових підприємствах хоча і забезпечують виконання існуючих стандартів електробезпеки, але на всьому діапазоні зміни опору ізоляції полюсів мають „перезахист”, тобто хибно спрацьовують і невиправдано вимикають живлення високопродуктивних машин і механізмів. Недосконала оцінка технічного стану опору ізоляції полюсів відносно землі засобами безперервного та періодичного контролю ізоляції, а також захисного вимкнення робить неефективною систему технічного обслуговування РМПС. Оптимізувати взаємодію між об'єктивним процесом заміни технічного стану ізоляції та суб'єктивним процесом технічної експлуатації можна шляхом виявлення прихованих дефектів на основі застосування більш чутливих до зміни параметрів ізоляції методів контролю ізоляції полюсів мережі відносно землі та струму витікання на землю через шунтувальний зв'язок.

Тому вдосконалення методів безперервного і періодичного контролю ізоляції та захисного вимкнення з метою створення діагностичного забезпечення керування технічним станом ізоляції полюсів відносно землі РМПС під час їх експлуатації, що збільшить період їх безвідмовної роботи, зменшить недовідпуск електроенергії споживачам, є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились відповідно до наукового напряму кафедри електропостачання Луцького національного технічного університету. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до Програми наукових досліджень і розробок Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки у рамках науково-дослідних робіт за напрямком „Автоматизація систем електропостачання та діагностика” кафедри електропостачання Луцького національного технічного університету.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є зменшення похибки вимірювання омічного опору ізоляції полюсів відносно землі та оптимізація функціональної характеристики засобів захисного вимкнення шляхом зменшення впливу ємності мережі відносно землі та визначення струму через місце витікання на землю, що забезпечує вищий рівень надійності, безпеки та ефективності використання двопровідних мереж постійного струму.

Для досягнення поставленої мети в роботі розв'язано такі основні завдання:

- дослідження процесу зміни технічного стану ізоляції в двопровідних мережах постійного струму та аналіз існуючих методів і засобів контролю ізоляції та захисного вимкнення з метою визначення напрямку їх вдосконалення;

- теоретичне обґрунтування методів зменшення похибки безперервного та періодичного вимірювання омічного опору ізоляції полюсів відносно землі в двопровідних мережах постійного струму;

- оптимізація функціональної характеристики пристрою захисного вимкнення та теоретичне обґрунтування методу її реалізації;

- розробка принципової схеми пристроїв безперервного та періодичного контролю ізоляції, захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму, виготовлення макетів, їх лабораторні випробування;

- оцінка ефективності застосування запропонованих методів та засобів безперервного контролю ізоляції та захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму.

Об'єкт дослідження - процес зміни технічного стану ізоляції полюсів відносно землі в двопровідних мережах постійного струму.

Предмет дослідження - методи та засоби контролю опору ізоляції та захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму.

Методи дослідження. Використані теоретичні та експериментальні методи, зокрема методи аналізу нормальних, анормальних і аварійних режимів роботи двопровідних мереж постійного струму, для оцінки відповідності досягнутих показників надійності, безпеки та ефективності використання РМПС показникам, заданим в технічних вимогах; для обґрунтування математичних моделей застосовувались методи теорії комплексно-операторного опису перехідних процесів і математичного аналізу, засновані на властивостях перетворення Лапласа. Для визначення параметрів еквівалентних заступних схем застосовувались методи теорії синтезу лінійних електричних кіл.

Вірогідність і ефективність отриманих результатів забезпечені коректним застосуванням методів дослідження, підтверджені результатами тестування розроблених засобів, порівнянням результатів моделювання з експериментальними даними.

В основу вирішення наукової задачі покладені праці та результати досліджень:

- з методів контролю ізоляції в РМПС: Борухмана А. В., Волотковського С. А., Кулдикіна А. Н., Колосюка В. П., Кузнєцова В. Г., Кутіна В. М., Овсяннікова А. А., Рубаненко О. Є., Трояновського В. А., Цапенка Є. Ф.;

- з методів захисного вимкнення: Гладиліна Л. В., Дзюбана В. С., Кононенко В. П., Кутіна В. М., Лейбова Р. М., Маліновського А. А., Сінчука О. М., Шуцького В. І.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано метод селективного контролю омічного опору ізоляції в двопровідній мережі постійного струму шляхом накладання змінного струму промислової частоти на контрольовану мережу з автоматичною компенсацією ємності мережі відносно землі та вимірювання активної складової струму від стороннього джерела живлення на кожному приєднанні, що забезпечує зменшення похибки вимірювання та автоматизує процес пошуку пошкодженого приєднання.

2. Вперше запропоновано метод захисного вимкнення в двопровідній мережі постійного струму, який контролює величину струму через шунтувальний зв'язок, як в сталому, так і в перехідному режимі, що дозволяє зменшити кількість хибних спрацювань пристрою захисного вимкнення та забезпечує селективну дію.

3. Вдосконалено метод періодичного контролю омічного опору ізоляції окремих полюсів відносно землі, в якому шляхом вимірювання напруги між середньою точкою дільника, під'єднаного до РМПС, та землею і струму замикання середньої точки на землю визначають загальний омічний опір полюсів відносно землі, а окремих полюсів відносно землі за відношенням напруги джерела живлення до максимального значення струму заряду конденсатора, який під'єднується між полюсом мережі та землею, що дозволяє зменшити методичну похибку, так як зменшується вплив ємності мережі, перехідних процесів при зміні навантаження і не співпадаючих з часом вимірювань.

Практична цінність результатів роботи полягає в тому, що проведені в роботі дослідження дозволили отримати нове розв'язання актуальної задачі контролю ізоляції та захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму.

На основі наукових результатів:

- синтезовано принципову схему пристрою для безперервного контролю омічного опору ізоляції полюсів відносно землі РМПС, який на відміну від існуючих забезпечує селективність дії, зменшує похибку вимірювання;

- синтезовано пристрій для періодичного контролю омічного опору ізоляції полюсів відносно землі, який на відміну від існуючих зменшує похибку вимірювання опору ізоляції шляхом порівняння статичних і динамічних характеристик вимірювання; сумісне застосування результатів безперервного і періодичного контролю дозволяє зменшити вплив ємності мережі на результати контролю і похибку від неспівпадаючих з часом вимірювань;

- розроблено пристрій захисного вимкнення, який на відміну від існуючих, при заданому рівні безпеки, дозволяє зменшити кількість хибних спрацювань і автоматизувати процес визначення пошкодженого приєднання.

На основі об'єднання отриманих технічних і програмних рішень розроблено діагностичний комплекс контролю ізоляції полюсів РМПС відносно землі, який передано для дослідної експлуатації до ВП "Шахта №9 "Нововолинська".

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.

В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належить: [1] - розроблення методу накладання постійного струму різної полярності на контрольовану мережу; [2] - ідея постановки задачі та побудова математичної моделі; [3] - розроблення методу неперервного контролю ізоляції розподільних мереж постійного струму, побудова математичних моделей, виконання розрахунків, графічна інтерпретація результатів; [5] -ідея постановки задачі та побудова математичних моделей; [6] - розроблення методу вимірювання загального опору ізоляції полюсів електричної мережі відносно землі; [7] - розроблення методу виділення активної складової струму.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідались на міжнародних конференціях: “Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” (Луцький національний технічний університет, м. Луцьк, 2008, 2010 рр.); “Проблеми енергозбереження в електротехнічних системах” (Кременчуцький державний політехнічний університет імені М.Остроградського, м. Кременчук, 2009, 2010, 2011 рр.), а також на конференціях професорсько-викладацького складу (Луцький національний технічний університет, 2009, 2010, 2011 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 5 статей у фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з втупу, чотирьох розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел (80) найменувань. Основний зміст викладений на 141 сторінках друкованого тексту, містить 47 рисунків, 7 таблиць.Загальний обсяг дисертації - 180.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами кафедри електропостачання Луцького національного технічного університету, де вона виконувалась. Сформульовано наукову новизну, практичне значення дослідження, впровадження отриманих результатів, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі проведено аналіз технічних характеристик двопровідних мереж постійного струму. Показано, що найненадійнішим елементом розподільної мережі є ізоляція полюсів відносно землі. На стан ізоляції РМПС впливають механчні, електричні та атмосферні збурюючі дії. Встановлено, що кількість несправностей і пов'язаних з ними відмов описується U-подібною кривою, яка характеризує інтенсивність відмов за час життєвого циклу обладнання.

Зменшення похибки методів безперервного вимірювання ізоляції лежить на шляху застосування комбінації методів вимірювання та дублювання експерименту на основі більш чутливих методів періодичного вимірювання параметрів ізоляції.

Проведені дослідження показали, що жоден із відомих методів виконання ПЗВ загального для мережі не забезпечує достатнього наближення до потрібної захисної характеристики спрацювання.

При накладанні стороннього джерела живлення промислової частоти за умови забезпечення ідеальної компенсації ємності мережі відносно землі або при використанні фазочутливої схеми, яка виділяє активну складову струму, захисна характеристика забезпечує виконання умов електробезпеки, але на всьому діапазоні зміни активного опору ізоляції полюсів мережі буде мати “перезахист” і не забезпечує селективності дії.

Пристрої, які реагують на струм перехідного процесу при виникненні витікання струму (дотику людини до струмоведучої частини), дозволяють визначити лише максимальне значення струму через місце витікання і не реагують на симетричну зміну опору ізоляції полюсів мережі відносно землі. Отже, для підвищення рівня надійності, безпеки та ефективності використання двопровідних мереж постійного струму необхідно вдосконалити методи та засоби контролю ізоляції та захисного вимкнення.

У другому розділі запропоновано комбінований метод контролю ізоляції, в якому здійснюються безперервний контроль омічного опору ізоляції РМПС та окремих приєднань і періодичний контроль ізоляції окремих полюсів.

Функціональна схема пристрою безперервного контролю ізоляції зображена на рис. 1. Змінний оперативний струм від обмотки W1 проміжного трансформатора TL подається в РМПС 1 через фільтр приєднання 2 з ємністю Сф. Вимірювання ємності РМПС здійснюється LC генератором, який входить до складу пристрою вимірювання і компенсації ПВК. В ПВК є керований дросель, індуктивність якого Lк буде змінюватись залежно від ємності мережі.

Рис. 1. Функціональна схема пристрою для безперервного контролю ізоляції РМПС

Якщо знехтувати опором джерела живлення і активним опором компенсуючого пристрою порівняно з ізоляцією мережі, то комплекс струму від джерела живлення може бути визначений як:

(1)

де R1, R2 - активний опір ізоляції окремих полюсів відносно землі; - загальний активний опір ізоляції полюсів відносно землі; С, Сф - відповідно ємність полюса відносно землі та фільтра; - індуктивність дроселя компенсації ємнісної складової; - комплекс напруги джерела живлення.

Для зменшення похибки вимірювання опору ізоляції полюсів мережі відносно землі метод передбачає компенсацію ємнісної складової струму і виділення активної складової струму у вимірювальному каналі за допомогою фазочутливої схеми ФЧС (рис. 1) Навантаження фазочутливої схеми підключено до середніх точок дільників напруги R3 і R4 та R5 і R6. Дільники напруги R3 і R4 підключено до вторинної обмотки трансформатора струму ТА, а R5, R6 - до проміжного трансформатора TL. Напруга обмотки W2 є керуючою, тобто вона тільки відкриває або закриває діодну схему ФЧС, а струм в колах навантаження фазочутливої схеми створюється меншою напругою та протягом кожного напівперіоду проходить через відкриті діоди. При такому режимі середнє значення напруги на виході фазочутливої схеми

,

де ц - кут між напругою, що є керуючою, і струмом, який визначається опором ізоляції. Так як напруга на виході W1, W2 проміжного трансформатора TL (рис. 1) однакова, то із (1) визначаємо активну складову струму

, (2)

де - коефіцієнт трансформації трансформатора струму.

Виміряний опір ізоляції полюсів відносно землі:

. (3)

Оскільки , то із (3) маємо

, (4)

де , тобто методична похибка виміру ізоляції буде залежати від співвідношення .

В схемі рис. 1 обмотка W3 і випрямляч В виконують функцію стабілізованого джерела живлення ПВК і виконавчого органа ВО схеми контролю. Кілоомметр kЩ передбачено для періодичного вимірювання опору ізоляції полюсів відносно землі.

Запропонований метод використано для непрервного селективного контролю технічного стану ізоляції окремих приєднань, які відходять від системи збірних шин збірки постійного струму.

Функціональна схема контролю ізоляції окремих приєднань показана на рис. 2 в якій ПЗКІ - пристрій загального контролю ізоляції, який було розглянуто вище (рис.1); ПСКІ - пристрій селективного контролю ізоляції; Н - навантаження РМПС. Пристрій селективного контролю ізоляції застосовано для виділення активної складової змінного струму приєднання; R1П, R2П - активний опір ізоляції окремих полюсів в приєднаннях відносно землі; Rек1, Rек2 - активний опір ізоляції окремих полюсів всієї РМПС відносно землі, крім виділеного приєднання; СП - ємність полюса приєднання відносно землі; СФ - ємність фільтра приєднання пристрою до РМПС.

Рис. 2. Функціональна схема селективного контролю ізоляції полюсів окремих приєднань РМПС

Якщо знехтувати внутрішнім опором джерела живлення та навантаженням РМПС і вважати, що

- омічний опір ізоляції полюсів окремого приєднання, то активна складова струму окремого приєднання може бути визначена як:

(5)

Коефіцієнт N характеризує методичну похибку вимірювання активного опору ізоляції окремого приєднання.

Проведемо дослідження похибки визначення загального омічного опору ізоляції РМПС відносно землі.

Використовуючи рівняння (2), визначимо відносну похибку опору ізоляції як:

, (6)

де - гранична відносна похибка вимірювання напруги джерела живлення, що накладається на контрольовану мережу, яка визначається класом точності вимірювальної системи;

- відносна похибка визначення струму, яка складається із відносної похибки вимірювальної системи і методичної похибки. Методичну похибку можна визначити із (2) як:

, (7)

де - відповідно дійсне і визначене значення активної складової струму; - ємність недокомпенсації.

Установлено, що за найнесприятливіших умов: компенсації ємності мережі ек ? 10 % при Смах = 20 мкФ, і Сф=40 мкФ - методична похибка незалежно від активного опору ізоляції не перевищує ем ? 9 %. При визначенні струму на окремому приєднанні (селективний контроль), враховуючи рівняння (5), (7), маємо:

(8)

;

.

Для визначення методичної похибки були прийняті такі обмеження. Опір ізоляції приєднання має граничне значення, тобто Rіз.п = 20 кОм, похибка пристрою компенсації знаходиться на рівні ек = 10 %, Сек ? 2 мкФ, Сф = const=40; 100 мкФ.

Аналіз даних показав, що при прийнятих обмеженнях відносна методична похибка визначення активної складової струму окремого приєднання не перевищує 4%, а ємність фільтра приєднання практично не впливає на величину методичної похибки.

Для підвищення вірогідності діагнозу про технічний стан ізоляції система неперервного контролю ізоляції доповнюється підсистемою для періодичного контролю ізоляції, яка дублює вимірювальний експеримент. Метод періодичного контролю ізоляції передбачає вимірювання напруги Uхх та струму Ік.з. між загальною точкою дільника напруги, під'єднаного до РМПС, та землею, за результатами значень яких обчислюється загальний опір мережі відносно землі (рис. 3). Для визначення опору ізоляції полюса відносно землі додатково застосовано режим введення між полюсом мережі та землею незарядженого конденсатора з ємністю С0 та вимірювання максимального значення струмів і1(0), і2(0) заряду конденсатора і напруги між полюсами контрольованої мережі U0. За відношенням цих величин визначають опір полюса мережі відносно землі. Розрахункова схема показана на рис. 3. Якщо знехтувати впливом внутрішнього опору амперметра і вольтметра на результати вимірювання, а перемикач SA знаходиться в положенні 1, то напругу між загальною точкою дільника і землею визначають як (рис. 3)

Рис. 3. Розрахункова схема для визначення омічного опору полюсів мережі відносно землі

(9)

а струм

(10)

тоді загальний опір між полюсами мережі та землею

(11)

де Rд - опір плеча дільника.

Для визначення опору ізоляції кожного полюса відносно землі перемикач SA поставимо в положення 2 і визначаємо перехідні струми і1(t), і2(t) при почерговому під'єднанні незарядженого конденсатора С0 (рис. 3) між додатним та від'ємним полюсом мережі та землею за допомогою перемикача SА1 та кнопки SB:

(12)

Максимальне значення струм має в перший момент під'єднання конденсатора до полюса мережі, тобто при t=0. Із системи рівнянь (12) маємо:

(13)

В реальних умовах значення С0 не обмежують, тому можна підібрати його величину так, щоб 2С/С0 > 0, тоді

(14)

тобто алгоритм визначення загального опору Rіз і опору ізоляції окремих полюсів значно спрощується, а ємність мережі не впливає на результати вимірювань.

Середньоквадратичну похибку визначення Rіз в методі періодичного контролю можна знайти із виразу (11)

(15)

Враховуючи те, що внутрішній опір вимірювальних приладів амперметра Ra і вольтметра Rv має кінцеве значення, визначимо величину Uхх і Ікз як

(16)

(17)

Граничні відносні похибки, що виникають при вимірюванні напруги та струму

(18)

(19)

двопровідний мережа постійний струм

де - дійсне значення напруги і струму.

Для граничного випадку, коли , , , методичною похибкою можна знехтувати.

Гранична відносна похибка - визначення опору ізоляції окремих полюсів, або враховуючи систему рівнянь (13)

(20)

де еU0, еі(0) - граничні відносні похибки вимірювання напруги та струму і визначаються класом точності вимірювальних пристроїв; еС - гранична відносна похибка установки додаткової ємності С; б = 2С/С0.

У третьому розділі теоретично обґрунтована оптимальна функціональна характеристика (ОФХ) пристрою захисного вимкнення та методи її реалізації, виходячи з того, що значення струму через тіло людини або інший шунтувальний зв'язок не повинне перевищувати норму, наведену у ГОСТ 12.1038-82, за умовами електробезпеки. Враховуючи цю норму, оптимізація захисної характеристики ПЗВ буде полягати в максимальному наближенні її до нормованої залежності значення струму через тіло людини іh(t) від допустимого часу його існування.

При побудові оптимальної функціональної характеристики необхідно обмежувати величину струму витікання як в сталому Ih, так і в перехідному ih режимах, а при визначенні струму витікання через шунтувальний зв'язок необхідно враховувати зворотну е.р.с., що генерується двигунами постійного струму після вимкнення робочого джерела живлення ПЗВ.

Проведені дослідження показали, що при симетрії ізоляції полюсів R1=R2=R відносно землі функціональна характеристика ПЗВ повинна обмежувати симетричне зниження омічного опору ізоляції полюсів до рівня

(перша ділянка ОФХ), де , а ; - гранично допустиме значення струму через тіло людини, коли час дії більше 1 с, - напруга джерела живлення. При зміні (друга ділянка ОФХ) переважають вимоги до обмеження струму у сталому режимі і допустима величина омічного опру шунтувального зв'язку визначається як

,

- відносна величина омічного опору полюса;

- відносна допустима величина омічного опору шунтувального зв'язку в сталому режимі виникнення шунтувального зв'язку.

У випадку зміни переважають вимоги до обмеження струму в перехідному режимі і

,

де , - граничне значення струму через тіло людини, коли час дії .

Для несиметрії ізоляції плюсів відносно землі при граничному випадку несиметрії, коли виникає шунтувальний зв'язок між другим полюсом мережі та землею через опір, при якому ПЗВ знаходиться на межі спрацювання, тобто , переважають вимоги до обмеження струму в сталому режимі та при зміні , допустимий опір шунтувального зв'язку на першому полюсі

.

Для реалізації оптимальної функціональної характеристики в перехідному режимі доцільно контролювати максимальну величину струму перезаряду додатково введених конденсаторів С0. В цьому випадку як при симетрії, так і при несиметрії ізоляції полюсів відносно землі максимальна величина струму через реагуючий орган , тобто при , співпадає з величиною струму через шунтувальний зв'язок . Для реалізації першої і другої ділянок ОФХ доцільно застосовувати комбінацію двох методів: вимірювання максимальної величини струму перехідного процесу перезаряду додатково введених ємностей С0 при виникненні шунтувального зв'язку і накладання синусоїдального сигналу промислової частоти (f=50 Гц) з вимірювання активної складової струму, який зворотно пропорційний загальному опору мережі постійного струму до моменту виникнення шунтувального зв'язку І0 та після його виникнення Іш. Використовуючи їх значення, струм через тіло людини в усталеному режимі можна визначити як

.

Узгодження захисної характеристики ПЗВ з ОФХ, в заданому інтервалі зміни опору ізоляції мережі, можна досягти шляхом вибору співвідношення між значеннями напруг джерела постійного і змінного струму, тобто . У найнесприятливіших випадках реальна захисна характеристика буде співпадати або перевищувати ОФХ не більше ніж на 16%, коли m=0,158.

Використовуючи комбінований метод захисту, можна забезпечити селективність дії ПЗВ.

У четвертому розділі розроблено діагностичний комплекс для визначення технічного стану ізоляції полюсів відносно землі в двопровідній мережі постійного струму. Діагностичний комплекс складається з пристрою для безперервного контролю ізоляції та пристрою для періодичного контролю ізоляції під робочою напругою. Розроблено принципову схему пристрою безперервного контролю ізоляції, який ґрунтується на принципі накладання змінного оперативного струму частотою f=50 Гц через ємнісний фільтр приєднання. Для зменшення впливу ємності полюсів мережі відносно землі здійснюються автоматична компенсація ємності мережі відносно землі та виділення активної складової струму за допомогою фазочутливої схеми. Лабораторні випробування пристрою показали, що при поступовій зміні загального опору ізоляції полюсів відносно землі в межах і ємності мережі полюсів відносна похибка вимірювання знаходиться в межах при напрузі мережі постійного струму 220 В і 42 В напруги змінного струму, яка накладається на мережу постійного струму. У випадку виникнення раптового шунтувального зв'язку відносна похибка контролю загального опору ізоляції знаходилась в межах .

Розроблено принципову схему пристрою для періодичного контролю ізоляції під робочою напругою за методом, який запропоновано в другому розділі. Лабораторні випробування показали, що при вибраній елементній базі та ємності незарядженого конденсатора, що під'єднується до мережі С0=200 мкФ, похибка визначення омічного опору полюсів при їх зміні від 192 кОм до 30 кОм на полюс не перевищувала ±7,6 %. Ємність мережі, яка змінювалась в межах 0-2 мкФ, не впливає на результати вимірювання.

Запропоновано принципову схему і розроблено макетний зразок пристрою захисного вимкнення. При симетричному зниженні опору ізоляції полюсів похибка спрацювання захисту не перевищує . У випадку виникнення шунтувального зв'язку похибка в спрацюванні при сталому та перехідному режимах не перевищує . Запропонований пристрій забезпечує необхідну швидкодію (час спрацювання захисту ).

Запропоновано методику розрахунку економічної ефективності при впровадженні діагностичного комплексу. Економічний ефект досягається за рахунок підвищення надійності експлуатації РМПС шляхом виявлення пошкодження на ранній стадії його розвитку і зменшення кількості відмов, а також автоматизації процесу пошуку пошкодженого елемента.

Основні результати та висновки

У дисертаційній роботі наведено нове вирішення наукової задачі контролю технічного стану ізоляції полюсів відносно землі та захисного вимкнення в двопровідній мережі постійного струму з метою створення діагностичного забезпечення системи керування індивідуальною надійністю і безпекою експлуатації двопровідних мереж постійного струму під час їх експлуатації, розробки і впровадження автоматизованого комплексу для його реалізації. Впровадження діагностичного комплексу на етапі експлуатації та ремонту двопровідної мережі постійного струму збільшить період безвідмовної роботи та рівень безпеки експлуатації, зменшить енергетичні і ресурсні витрати, пов'язані з цими етапами життєвого циклу об'єкта.

В результаті досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, отримані наступні наукові та практичні результати.

1. Вперше запропоновано метод селективного контролю омічного опору ізоляції в двопровідній мережі постійного струму шляхом накладання змінного струму промислової частоти з автоматичною компенсацією ємності мережі відносно землі та вимірювання активної складової струму від стороннього джерела живлення на кожному приєднанні.

2. Доведено, що точність селективного контролю омічного опору ізоляції залежить від співвідношення між ємністю фільтра приєднання пристрою контролю до двопровідної мережі постійного струму і ємності мережі. Показано, що в найнесприятливішому випадку, коли відносна похибка компенсації ємності мережі сягає 10 % і граничної ємності мережі С=20 мкФ, методична похибка вимірювання активного опору ізоляції всієї мережі відносно землі не перевищує 10 %, а окремих приєднань ? 4,0 %.

3. Для підвищення точності визначення омічного опору ізоляції полюсів в двопровідній мережі постійного струму запропоновано використовувати комбінацію результатів безперервного і періодичного контролю ізоляції під робочою напругою. Це дозволяє зменшити вплив ємності мережі на результати вимірювань і похибку від не співпадаючих з часом вимірювань при коливанні напруги та зміні навантаження двопровідної мережі постійного струму.

4. Вдосконалено метод періодичного контролю ізоляції окремих полюсів відносно землі, який ґрунтується на визначенні загального омічного опору полюсів відносно землі шляхом вимірювання напруги між середньою точкою дільника напруги, під'єднаного до РМПС, і землею і струму замикання цієї точки на землю. Для вимірювання опору ізоляції окремих полюсів відносно землі запропоновано метод накладання постійного струму різної полярності на двопровідну мережу постійного струму, похибка визначення омічного опору окремих полюсів не перевищує 10 %, а також метод, в якому омічний опір ізоляції окремих полюсів визначають як відношення напруги джерела живлення і максимального значення струму заряду конденсатора, який під'єднується між полюсом мережі та землею. Похибка визначення омічного опору ізоляції полюсів у даному випадку може бути зведена до інструментальної похибки.

5. Теоретично обґрунтована оптимальна функціональна характеристика пристрою захисного вимкнення в двопровідній мережі постійного струму, яка обмежує значення струму через місце витікання, як в сталому, так і в перехідному режимах, а також при симетричному зниженні омічного опору ізоляції полюсів відповідно до існуючих стандартів електробезпеки, що дозволяє значно зменшити кількість хибних спрацювань пристрою захисного вимкнення при їх реалізації.

6. Вперше синтезовано принципову схему пристрою захисного вимкнення з селективною дією в двопровідній мережі постійного струму. Пристрій селективного захисту передбачає використання підсистеми загального захисного вимкнення двопровідної мережі та індивідуальної, яка розташовується на кожному приєднанні і запускається від загальної.

7. Результати експериментальних досліджень показали, що при симетричному зниженні опору ізоляції полюсів похибка спрацювання захисту не перевищує е ? 14 %. У випадку виникнення шунтувального зв'язку і несиметрії ізоляції полюсів похибка спрацювання не перевищувала е ? 10 %. Експериментальна функціональна характеристика не перевищує оптимальну не більше ніж на 15 %.

8. Економічний ефект від впровадження діагностичного комплексу для безперервного контролю ізоляції оперативних мереж постійного струму на промислових підприємствах при прийнятих вхідних даних складає Е=7929 грн/рік на один комплекс.

Застосування пристрою захисного вимкнення, крім соціального ефекту, дозволяє зменшити недовідпуск електроенергії за рахунок зменшення кількості хибних спрацювань, так як реальна функціональна характеристика практично збігається з оптимальною. Розроблено методику розрахунку економічної ефективності застосування ПЗВ.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Романюк М. В. Метод контролю ізоляції в двопровідних мережах постійного струму / Добровольська Л. Н., Романюк М. В. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - № 3(56). - Ч.1. - 2009. - С. 181-182.

2. Романюк М. В. Контроль ізоляції в двопровідних мережах постійного струму / Добровольська Л. Н., Романюк М. В. // Електротехніка і електромеханіка. - № 6. - 2009. - С. 50-52.

3. Романюк М. В. Селективний контроль омічного опору ізоляції в двопровідних мережах постіного струму / Добровольська Л. Н., Романюк М. В. // Вісник Кременчуцького державного потехнічного університету імені Михайла Остроградського. - № 3(62). - Ч.2. - 2010. - С. 90-94.

4. Романюк М. В. Оптимізація функціональної характеристики пристрою захисного вимикання в двопровідних мережах постіного струму/ Романюк М. В. // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. - № 666. - 2010. - С. 74-80.

5. Романюк М. В. Використання усталених та перехідних процесів в розподільній мережі постійного струму для періодичного контролю омічних опорів ізоляції полюсів відносно землі / Добровольська Л. Н., Романюк М. В. // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - № 45. -2010. - С. 120-124.

6. Романюк М. В. Метод періодичного контролю ізоляції в двопровідних мережах постійного струму / Л. Н. Добровольська, М. В. Романюк // Проблеми і перспективи енергозбереження комунального господарства і промислових підприємств : науковий семінар : матеріали семінару. - Луцьк, 2009. - С. 72-75.

7. Романюк М. В. Метод неперервного контролю омічного ізоляції в РМПС відносно землі / Л. Н. Добровольська, М. В. Романюк, Собчук Д. С. // Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах : ІІІ-я міжнародна науково-технічна конференція : матеріали конференції. - Луцьк, 2010. - С. 74-76.

Анотація

Романюк М. В. Вдосконалення методів і засобів контролю ізоляції та захисного вимкнення в двопровідних мережах постійного струму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Вінницький національний технічний університет. - Вінниця, 2011.

В роботі розв'язана наукова і практична проблема підвищення рівня надійності, безпеки і ефективності використання двопровідних мереж постійного струму.

Сутність розв'язку проблеми полягає в підвищенні точності діагнозу про характер і суттєвість технічного стану (ТС) ізоляції полюсів двопровідної мережі постійного струму, автоматизації процесу пошуку пошкодженого приєднання. В дисертаційній роботі проведено аналіз статичних і динамічних характеристик режимів роботи РМПС в процесі їх експлуатації.

Запропоновано діагностичний комплекс, який забезпечує більш точний безперервний і періодичний контроль ізоляції окремих полюсів відносно землі. Безперервний контроль ґрунтується на принципі накладання стороннього гармонічного сигналу частотою 50 Гц. Метод періодичного контролю ізоляції ґрунтується на вимірюванні напруги між загальною точкою дільника, під'єднаного до РМПС, і струму замикання загальної точки на землю. Побудовано оптимальну функціональну характеристику (ОФХ) захисного вимкнення. Метод захисного вимикання, який реалізує ОФХ, ґрунтується на вимірюванні струму через шунтувальний зв'язок як в перехідному, так і в сталому режимах і порівнянні його з нормою, це дозволяє виключити хибне спрацювання захисту. Методична похибка вимірювання омічного опору ізоляції полюсів відносно землі в найбільш несприятливих умовах експлуатації всієї мережі відносно землі не перевищує 10 %, а окремих приєднань - 4 %.

Ключові слова: двопровідна розподільна мережа постійного струму, пошкодження ізоляції полюсів мережі відносно землі, контроль ізоляції, захисне вимкнення.

The summery

Romanyuk M. V. Perfection methods and means of isolation control and protective shutdown in two-wire networks of direct-current. - A manuscript.

Dissertation for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) on Specialty 05.09.03 - Electrical Engineering complexes and systems. - Vinnytsia National Technical University. - Vinnytsia, 2011.

The scientific and practical problem of increase of level of reliability, safety and efficiency of the use of two-wire networks of direct-current is in-process decided.

Essence of decision of problem consists in the increase of exactness of diagnosis about character and importance of the technical state (TS) of isolation of poles of two-wire network of direct-current (TNDC) of automation of process of search of the damaged joining. In dissertation work conducted analysis of static and dynamic descriptions of the modes of operations of TNDC in the process of their exploitation.

A diagnostic complex which provides more exact continuous and periodic control of isolation of separate poles in relation to earth is offered. Continuous control is based on principle of imposition of extraneous harmonic signal by frequency 50 Hertzs. The method of periodic control of isolation is based on measuring tension between the general point of divizor and current of short circuit of general point on earth. Construct an optimal functional characteristics (OFH) protective shutdown. The method of the protective shorting, which will realize OFD based on the method of measuring of current through shunt connection as in transitional so in permanent modes and comparison of him with a norm, it allows to eliminate to erroneous defence. Methodical error of control of isolation, in unfavorable external of all network environments in relation to earth does not exceed 10 %, and separate joining 4 %.

Key words: two-wire distributive network of direct current, damage of isolation of poles of network in relation to earth, control of isolation, protective shutdown.

Аннотация

Романюк М. В. Совершенствование методов и средств контроля изоляции и защитного отключения в двухпроводных сетях постоянного тока. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Винницкий национальный технический университет. - Винница, 2011.

В диссертационной работе решена научная и практическая проблема повышения уровня надежности, безопасности и эффективности использования двухпроводных сетей постоянного тока.

Сущность решения проблемы состоит в уменьшении погрешностей и обеспечении селективного контроля омического сопротивления изоляции в двухпроводной сети постоянного тока.

Предложен метод селективного контроля омического сопротивления изоляции в двухпроводной сети постоянного тока путем наложения переменного тока промышленной частоты с автоматической компенсацией емкости сети относительно земли и измерением активной составляющей тока от постороннего источника питания на каждом присоединении.

Для измерения изоляции отдельных полюсов относительно земли предложен метод наложения постоянного тока разной полярности на двухпроводную сеть постоянного тока. Показано, что этот метод позволяет исключить влияние емкости сети относительно земли на результат измерения. Погрешность определения омического сопротивления отдельных полюсов не превышает 10%.

Усовершенствован метод периодического контроля изоляции отдельных полюсов относительно земли, который основывается на определении общего омического сопротивления полюсов относительно земли путем измерения напряжения между средней точкой делителя напряжения и землей. Омическое сопротивление изоляции отдельных полюсов определяют как отношение напряжения источника питания до максимального значения тока заряда конденсатора, который подключается между полюсом сети и землей. Доказано, что погрешность определения омического сопротивления изоляции полюсов в данном случае может быть сведена к инструментальной погрешности, так как существенно уменьшается влияние емкости сети, переходных процессов при изменении нагрузки двухпроводной сети и не совпадающих во времени измерений.

Теоретически обоснована оптимальная функциональная характеристика устройства защитного отключения в двухпроводной сети постоянного тока, которая ограничивает величину тока в месте утечки как в установившемся, так и в переходном режимах, а также при симметричном снижении омического сопротивления изоляции полюсов в соответствии с существующими стандартами. Это позволяет значительно уменьшить количество ложных срабатываний устройств защитного отключения при их реализации.

Впервые синтезирована принципиальная схема устройства защитного отключения с селективным действием в двухпроводной сети постоянного тока. Устройство селективной защиты предусматривает использование подсистемы общего защитного отключения двухпроводной сети и индивидуальных подсистем, которые располагаются на каждом присоединении. Общая подсистема реализует оптимальную функциональную характеристику и использует комбинацию двух методов измерения максимальной величины тока переходного процесса перезаряда емкостей, введенных между полюсами сети и землей при возникновении шунтирующей связи и наложения синусоидального сигнала промышленной частоты с измерением активной составляющей тока до момента возникновения шунтирующей связи и после него. Индивидуальная подсистема измеряет величину активной составляющей тока через изоляцию присоединения к моменту возникновения шунтирующей связи и после него и сравнивает их абсолютные значения.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при симметричном снижении сопротивления изоляции полюсов, погрешность срабатывания защиты е ? 14%. В случае возникновения шунтирующей связи и несимметрии изоляции полюсов погрешность срабатывания е ? 10%.

Внедрение диагностического комплекса для непрерывного контроля изоляции оперативных сетей постоянного тока на промышленных предприятиях при принятых исходных данных составляет Е = 7928,84 грн/год на один комплекс.

Применение устройства защитного отключения позволяет уменьшить недоотпуск электроэнергии за счет уменьшения количества ложных срабатываний, так как реальная функциональная характеристика практически совпадает с оптимальной. Разработана методика расчета экономической эффективности применения устройств защитного отключения.

Ключевые слова: двухпроводная распределительная сеть постоянного тока, повреждение изоляции полюсов сети относительно земли, контроль изоляции, защитное отключение.

Размещено на Allbest.ru