На правах рукописи

РАГУТКИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОВЕРКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЗАЩИТЫ ПРИ КОСВЕННОМ ПРИКОСНОВЕНИИ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ДО 1 кВ ПРИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ОТ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ТИПА.

Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2009

Работа выполнена на кафедре “Электроснабжение промышленных предприятий” Московского энергетического института (технического университета).


Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, доцент

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация ОAО «ВНИПИнефть» г. Москва

Защита диссертации состоится 20 ноября 2009 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) Москва, ул. Красноказарменная,.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить Москва, ул. Красноказарменная, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан “ “ октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к. т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей проблемой современной электротехники является создание безопасных электроустановок. В России ежегодно от поражения электрическим током в электроустановках погибает более 4,5 тыс. человек, теряют трудоспособность и получают инвалидность из-за электротравм около 30 тыс. человек. Демографическая частота электротравматизма в десятки раз превышает аналогичный показатель развитых стран мира, национальные правила и нормы которых основаны на международных стандартах МЭК. Таким образом, проблема обеспечения безопасности является не только сложной научной проблемой. Это проблема, определяющая качество жизни населения страны, является социально значимой.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Для устранения сложившейся ситуации в области электробезопасности и для гармонизации национальных стандартов с международными в России интенсивно обновляется нормативная база, регламентирующая правила безопасности и устройства электроустановок.

С 1995 года введены в действие более двадцати новых государственных стандартов, входящих в состав комплекса ГОСТ Р 50571 «Электроустановки зданий». (МЭК 364).

С 1 января 2003 года введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-ого издания. Одним из важнейших требований к автоматическому отключению питания в сетях до 1 кВ становиться его быстродействие, нормируемое исходя из первичных критериев электробезопасности. Время автоматического отключения питания, согласно ПУЭ 7-ого издания зависит от величины фазного напряжения и при фазном напряжении 220 В не должно превышать 0,4 с. В предыдущем издании ПУЭ критерием успешности автоматического отключения питания являлось обеспечение определенной кратности тока короткого замыкания к номинальным токам плавких вставок предохранителей и расцепителям автоматических выключателей. Такой подход устанавливал степень надежности отключения повреждений, но не гарантировал их быстрого отключения.

Принятие новых нормативных документов с более жесткими требованиями к обеспечению электробезопасности требовало пересмотра применяемой коммутационно-защитной аппаратуры, методик выбора кабелей и изменения существующих подходов к проектированию систем электроснабжения в целом. С каждым годом растет количество потребителей чувствительных к перерывам электроснабжения. Для обеспечения требуемой надежности электроснабжения, в качестве третьего независимого источника используется источник бесперебойного питания статического типа. Разработанные ранее методики проверки работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ на этапе проектирования систем электроснабжения, не применимы к сетям с ИБП статического типа. В них не учитывается поведение ИБП при внешнем однофазном КЗ, не описан алгоритм расчета тока однофазного замыкания при питании от ИБП, как следствие, невозможно определить минимальный ток однофазного КЗ за ИБП, что делает невозможным правильную отстройку применяемого аппарата защиты.

Целью работы является разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа, ориентированной на широкий круг электриков, проектировщиков и наладчиков, позволяющей практически реализовать требования современной нормативной базы.

Достижение конечной цели диссертации осуществляется путем последовательного решения следующих задач:

1.  Анализ существующих 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 практической 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 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 выбирать параметры схемы электроснабжения электроприемников до 1кВ при наличии источников бесперебойного питания статического типа по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении в соответствии с требованиями современной нормативной базы. Реализованный на основе методики комплекс программных средств позволяет сокращать сроки проектирования за счет автоматизации процесса выбора сечения токопроводящих жил кабелей напряжением до 1кВ. Разработанная методика ориентирована на широкий круг пользователей и может использоваться в проектных, научно-исследовательских и других профильных организациях.

Разработанная методика и комплекс программ внедрены в практику проектирования научно-исследовательского института г. Москва. и АСНИ «Электроснабжение» кафедры электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института технического университета.

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 «Мathcad Professional».

Апробация работы 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 иллюстраций и 17 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 55 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проанализировано современное состояние вопроса, выполнен обзор литературы по теме диссертации, обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации.

В первой главе дан обзор современной нормативной базы в области электробезопасности. Сформулированы основные принципы защиты от электропоражения. Приведена классификация потребителей особой группы, источников бесперебойного питания статического типа в соответствии со стандартом IEC 62040-3. Стандарт выделяет три топологии ИБП: резервного типа, линейно-интерактивного типа, двойного преобразования. Наибольшее распространение в сегментах большой и средней мощности получили ИБП топологии двойного преобразования. Приведены структуры схем гарантированного питания с ИБП статического типа.

Во второй главе приведена классификация режимов работы ИБП с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении автоматическим отключением питания. Таблица 1

Классификация режимов работы ИБП с точки зрения защиты при косвенном прикосновении

Топология

Режим работы в соответствии с классификацией стандарта

Режим работы в соответствии с классификацией автора

ИБП резервного типа (passive standby)

нормальный режим работы

от сети

автономный режим работы

инверторный

ИБП линейно-интерактивного типа (line interactive)

нормальный режим работы

от сети

автономный режим работы.

инверторный

байпас.

от сети

ИБП с двойным преобразованием (double conversion)

нормальный режим работы

инверторный

автономный режим работы

инверторный

байпас.

от сети

Вне зависимости от применяемой топологии ИБП нагрузка может питаться либо от инвертора, либо от сети.

Для анализа процессов происходящих в ИБП при перегрузке или внешнем коротком замыкании приведена перегрузочную характеристику ИБП (рисунок 1), которая представляет собой время-токовую зависимость (ток нагрузки и время его протекания), определяющую режим работы ИБП.

a081_ris5

Рисунок 1 Перегрузочная характеристика ИБП

1 – область работы в инверторном режиме; 2 - область работы в режиме байпас; 3 – область автоматического отключения.

Важной особенностью работы ИБП в инверторном режиме является то обстоятельство, что при возникновении перегрузки или при внешнем КЗ, когда величина тока нагрузки превышает определенное значение, инвертор переходит в режим источника тока, ограничивая максимальное значение тока нагрузки на величине ограниченного тока - Iогр. Эта величина согласно ГОСТ не должна превышать 2Iном инвертора в течение 0,1 с.

Для современных ИБП инвертор обеспечивает ограниченный ток - Iогр в диапазоне 2-3 Iном в течение 1 с, в зависимости от производителя и марки ИБП. Данная характеристика указывается производителем в каталожных данных.

Кроме токоограничения важной особенностью функционирования ИБП при внешнем коротком замыкании, перегрузке является поддержание выходного напряжения. В зависимости от типа инвертора можно использовать различные способы регулирования выходного напряжения, которые можно разделить на три группы:

1.  регулирование напряжения на входе инвертора;

2.  регулирование напряжения посредством воздействия на процессы в инверторе, влияющие на выходное напряжение;

3.  регулирование напряжения непосредственно на нагрузке за счет использования стабилизаторов переменного напряжения на выходе инвертора.

Перечисленные особенности функционирования ИБП при внешнем коротком замыкании, перегрузке - поддержание выходного напряжения и токоограничение - существенно влияют на величину тока КЗ и, следовательно, их необходимо учитывать при расчете тока КЗ за ИБП.

Рассмотрен вопрос расчета тока однофазного КЗ за ИБП. Предложена методика расчета тока однофазного КЗ за ИБП. В инверторном режиме работы ток однофазного КЗ рассчитывается по формуле(1),

(1)

где Uном. вых. ИБП – номинальное выходное напряжение ИБП; Rph, RPE – активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводника соответственно

В режиме работы от сети расчет тока однофазного КЗ аналогичен расчету тока однофазного КЗ при питании от сети через понижающий трансформатор. Согласно ГОСТ расчет токов несимметричных КЗ выполняется с использованием метода симметричных составляющих. Если электроснабжение электроустановки до 1 кВ осуществляется от энергосистемы через понижающий трансформатор, то начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от системы рассчитывается по формуле (2):

(2)

где Uср. НН - среднее номинальное напряжение сети, в которой произошло короткое замыкание, В;

rI∑ , xI∑ - соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления прямой последовательности цепи КЗ, мОм

Для сетей типа ТN допустим расчет тока однофазного КЗ Ik(1) по упрощенной методике). Методика действительна для сетей, питающих конечные электроприемники (I-й, II-й уровень системы электроснабжения), находящиеся достаточно далеко от источника питания. Выражение для тока однофазного КЗ имеет вид (3):

(3)

где Rph, RPE – соответственно активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводника, Ом
В инверторном режиме работы ток однофазного КЗ рассчитывается по формуле (1) в которой учитывается поддержание выходного напряжения инвертором и сопротивления петли фаза - ноль. Как видно из формулы, вышестоящая сеть никак не учитывается при расчете тока однофазного КЗ от ИБП в инверторном режиме работы.

В режиме работы ИБП от сети, при расчете тока однофазного КЗ учет вышестоящей сети происходит вне зависимости от применяемого метода расчета тока однофазного КЗ. Так при точном расчете по формуле (2) учет вышестоящей сети происходит за счет введения эквивалентного индуктивного сопротивления системы до понижающего трансформатора, приведенного к ступени низшего напряжения хс. При расчете тока однофазного КЗ по методу петля-фаза ноль, ток рассчитывается по формуле (3). Коэффициент 0,8 учитывает падение напряжения в сети до ИБП, то есть предполагается, что участок цепи КЗ выше рассматриваемого щита представляет 20% суммарного сопротивления петли фаза-ноль. Другими словами, напряжение между фазой и PE (PEN) проводником составляет 80% номинального фазного напряжения.

В инверторном режиме работы возможны два варианта соотношения между рассчитанным и реальным током КЗ. В первом варианте, когда рассчитанный ток однофазного КЗ за ИБП - Iк(1) меньше ограниченного тока применяемого ИБП - Iогр, рассчитанный ток соответствует реальному току КЗ в сети с учетом погрешности расчета. Во втором варианте, когда рассчитанный ток однофазного КЗ за ИБП - Iк(1) больше ограниченного тока применяемого ИБП - Iогр, реальный ток КЗ будет меньше рассчитанного за счет токоограничения инвертора. В сети в течение времени токоограничения будет протекать ограниченный ток ИБП, определяемый настройками производителя. Этот вариант является наихудшим с точки зрения обеспечения защиты при косвенном прикосновении автоматическим отключением питания, так как рассчитанный минимальный ток КЗ, ток однофазного КЗ за ИБП - Iк(1), будет больше реального сетевого тока КЗ, равного ограниченному току ИБП - Iогр. Во избежание ошибки при выборе защитного аппарата необходимо учитывать последний вариант.

В сетевом режиме рассчитанный ток КЗ соответствует реальному току КЗ с учетом погрешности расчета.

В третьей главе представлена методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении.

При разработке методики обеспечения защиты при косвенном прикосновении автоматическим отключением питания в случае электроснабжения от ИБП нужно учитывать особенности функционирования ИБП. Как было показано во второй главе, нагрузка может питаться от ИБП в двух режимах работы: в инверторном или от сети. Ранее были описаны различия этих режимов, которые приводят к тому, что ток однофазного КЗ рассчитывается по-разному. Следовательно, необходимо отстраивать применяемый аппарат защиты от меньшего из ожидаемых токов однофазного КЗ. В случае работы ИБП в инверторном режиме рассчитанный по формуле 1 ток однофазного КЗ необходимо сравнить с величиной ограниченного тока применяемого ИБП. В случае, когда рассчитанный ток однофазного КЗ меньше ограниченного тока ИБП,

Iк(1) ≤ Iогр, (4)

то необходимо отстраивать применяемый аппарат защиты от величины рассчитанного тока однофазного КЗ Iк(1), то есть убедиться, что Iк(1) больше или равен току срабатывания применяемого аппарата защиты. При этом если в качестве защитного аппарата применяется предохранитель, необходимо проверить, что ток однофазного КЗ вызывает срабатывание предохранителя за время, не превышающее указанное в ПУЭ, то есть выполняется условие(5) (рисунок 2,а):

(5)

здесь t1 – время срабатывания предохранителя при однофазном КЗ Iк(1);

t0 – нормированное время срабатывания предохранителя, зависящие от номинального напряжения сети.

 

а) б)

Рисунок 2 Время-токовые характеристики предохранителя (а) и выключателя (б)

Если в качестве защитного аппарата применяется автоматический выключатель, то достаточно проверить, что величина Iк(1) превышает ток срабатывания электромагнитного расцепиВ этом случае размыкание контактов автоматического выключателя происходит за время намного меньшее, чем установленное допустимое время (рисунок 2 б):

(6)

где Iто - ток отсечки автоматического выключателя.

Для определения максимально допустимой длины кабеля Lm, (7) при которой обеспечивается требуемый уровень токов однофазных КЗ для гарантированного автоматического отключения питания совместно решаются (1) и (6), в которых принято I(1) к= IТО, L=Lm,

(7)

Для случая, когда Iк(1) ≤ Iогр и защитным аппаратом является автоматический выключатель выполнены расчеты максимальных длин кабельных линий в системе TN при напряжении сети 220/380 В при питании от ИБП, при которых обеспечивается защита при косвенном прикосновении. Результаты этих расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Максимальная длина(м) кабельной линии в системе TN к однофазному или трехфазному электроприемнику при напряжении питающей сети 220/380 В при питании от инвертора, при которой обеспечивается защита при косвенном прикосновении

S, сечение проводников, мм2

Ток уставки токовой отсечки автоматического выключателя IТО, А

50

63

80

100

125

160

200

250

320

400

500

560

630

700

1,5

120

94,8

75,6

60

48

37,2

30

24

19,2

15,6

12

10,8

9,6

8,4

2,5

200,4

158,4

124,8

99,6

80,4

62,4

50,4

39,6

31,2

25,2

20,4

18

15,6

14,4

4

320,4

254,4

200,4

159,6

128,4

99,6

80,4

63,6

50,4

39,6

32,4

28,8

25,2

22,8

6

480

380,4

300

240

192

150

120

96

75,6

60

48

43,2

38,4

34,8

10

500,4

399,6

320,4

249,6

200,4

159,6

124,8

99,6

80,4

72

63,6

57,6

16

512,4

399,6

320,4

255,6

200,4

159,6

128,4

114

102

91,2

25

500,4

399,6

312

249,6

200,4

178,8

158,4

142,8

35

560,4

438

350,4

279,6

249,6

222

200,4

50

625,2

500,4

399,6

357,6

318

285,6

70

500,4

444

399,6

95

542,4

Если рассчитанный ток КЗ больше ограниченного тока ИБП,

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2