Д.т.н. Утегулов Б.Б., к.т.н. Жумадирова А.К.

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Разработка устройства автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях горных предприятий на основе микропроцессорных средств

 

Режим работы электрической сети, изолированной от земли, широко применяется в электроустановках, требующих повышенной надежности энергоснабжения. К таким электроустановкам относятся системы энергоснабжения предприятий горной промышленности: шахты, карьеры, разрезы и т.д. Преобладающим видом повреждения в карьерных сетях напряжением 6 – 10 кВ являются однофазные замыкания на землю, составляющие около 75% общего числа повреждений. Во многих случаях причиной возникновения замыкания и дальнейшего развития аварии является износ электрической изоляции сети. Условия электробезопасности и надежности энергоснабжения горных предприятий в значительной мере определяются состоянием изоляции, ее сопротивлением и емкостью относительно земли. Поэтому своевременное выявление и устранение дефектов, сопровождающееся изменением активной и емкостной составляющих проводимостей изоляции, позволит предотвратить большую часть повреждений.

Для повышения уровня электробезопасности обслуживающего персонала при эксплуатации горных электроустановок и определении параметров изоляции под рабочим напряжением разработано устройство автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях напряжением 6 – 10 кВ горных предприятий [1].

Принцип работы разработанного устройства поясняется функциональной схемой, приведенной на рисунке 1. К трехфазной электрической сети подключаются: трансформатор напряжения TV, дополнительная активная проводимость g0 через выключатель QF. На вторичные обмотки трансформатора напряжения подключен блок датчиков напряжения БДН, выводы которого подключены к аналого-цифровому преобразователю АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь, блок управляемого ключа БУК через блок гальванической развязки БГР, энергонезависимое оперативное запоминающее устройство ОЗУ, энергонезависимый таймер реального времени ТРВ, дисплей Д, клавиатура КЛ посредством внутренней шины подключены к центральному процессору ЦП. Блок управляемого ключа подключен к исполнительному органу ИО выключателя дополнительной активной проводимости.

Рисунок 1. Функциональная схема устройства автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях напряжением 6 – 10 кВ

 

Блок гальванической развязки предназначен для гальванического разделения цифровой части устройства от электрической сети. Энергонезависимый таймер реального времени используется для ведения календаря и привязки результатов измерений ко времени. Клавиатура предназначена для установки начальных установок устройства: периода измерения параметров изоляции, параметров аналого-цифрового преобразователя и др.

Центральный процессор через блок гальванической развязки посылает в блок управляемого ключа сигнал подключения дополнительной активной проводимости, который усиливается и поступает на исполнительный орган выключателя QF. К фазе А трехфазной электрической сети подключается дополнительная активная проводимость. С выводов вторичных обмоток трансформатора напряжения снимаются сигналы модулей линейного напряжения сети Uл, напряжения фазы А относительно земли Uф0, напряжения нулевой последовательности U0, которые через блок датчиков напряжения, поступают в аналого-цифровой преобразователь.

Центральный процессор через интервал времени, достаточный для подключения дополнительной активной проводимости программирует аналого-цифровой преобразователь на опрос блока датчиков напряжения. Аналого-цифровой преобразователь производит преобразование сигналов модулей напряжений в цифровые коды. Центральный процессор считывает цифровые коды из АЦП и вычисляет значения параметров изоляции по выражениям [1]:

· полная проводимость изоляции сети

,                                                                  (1)

· активная проводимость изоляции сети

,                                      (2)

· емкостная проводимость изоляции сети

,            (3)

где Uф0 – напряжение фазы относительно земли;

U0 – напряжение нулевой последовательности;

Uл – линейное напряжение;

g0 – дополнительная активная проводимость.

Центральный процессор считывает с энергонезависимого таймера реального времени текущее время, вычисленные значения параметров изоляции и время текущего измерения записывает в ОЗУ, а также посылает на дисплей. Центральный процессор посылает сигнал отключения дополнительной активной проводимости, и дополнительная активная проводимость исполнительным органом выключателя QF отключается от фазы А электрической сети. Через интервал времени, равный заданному периоду определения параметров изоляции, ЦП повторяет программу обработки данных.

С целью проверки правильности логической структуры разработанного устройства автоматического определения параметров изоляции построена его модель.

Сложность разрабатываемых технических систем делает актуальной задачу их моделирования на стадии разработки с целью получения оценок прогнозируемых и достижимых характеристик. Наиболее перспективным средством построения компьютерных имитационных моделей на рынке программных продуктов является система Matlab в сочетании с пакетом визуального моделирования Simulink.

С помощью пакета Simulink математической системы Matlab составлена модель автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях 6 – 10 кВ, приведенная на рисунке 2 и содержащая:

· силовой трансформатор 110/10 кВ;

· трехфазную электрическую сеть с параметрами Rл = 6,2 Ом, Lл = 2,865×10-3 Гн, протяженность 10 км;

· емкостные проводимости изоляции сети bA, bB, bC;

· активные проводимости изоляции сети gA, gB, gC;

· выключатель дополнительной активной проводимости QF, коммутирующий фазу А электрической сети с землей для имитации однофазного замыкания на землю;

· дополнительную активную проводимость g0;

Рисунок 2. Модель устройства автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением
10 кВ в математической системе Matlab

 

· вольтметры для измерения напряжения фаз А, В и С относительно земли;

· амперметр для измерения тока однофазного замыкания на землю;

· трансформатор напряжения для измерения напряжения нулевой последовательности;

· трансформатор напряжения TV1 для измерения линейного напряжения и напряжения фазы А относительно земли после подключения дополнительной активной проводимости к сети;

· блоки вычисления параметров изоляции и тока однофазного замыкания на землю;

· блоки единичного перепада сигнала в заданное время “Step”, служащие для имитирования входных сигналов;

· осциллографы для визуализации диаграмм напряжений и тока однофазного замыкания на землю (блоки виртуального осциллографа “Scope”);

· дисплеи, на которых выводятся численные значения напряжений, тока и параметров изоляции.

Модель работает следующим образом. Все управляющие сигналы поочередно подает блок Stateflow diagram, схема этого блока реализует граф-схему алгоритма автомата Мили для автоматического определения параметров изоляции [2]. После запуска процесса симуляции на осциллографах отображаются диаграммы напряжений до, после подключения дополнительной активной проводимости и после отключения дополнительной активной проводимости: диаграммы фазных напряжений на рисунке 3, диаграммы линейного напряжения, напряжения фазы А относительно земли и напряжения нулевой последовательности на рисунке 4.

Рисунок 3. Диаграммы напряжений фаз А, В и С электрической сети до, после подключения и после отключения дополнительной активной проводимости

 

В момент времени t = 0 с:

· напряжения фаз А, В и С равны между собой и их действующие значения составляют UA = UB = UC = 5775 В;

· линейное напряжение Uл = 100 В;

· напряжение фазы А относительно земли Uф0 = 57,74 В;

· напряжение нулевой последовательности U0 = 0 В.

Рисунок 4. Диаграммы линейного напряжения, напряжения фазы А электрической сети относительно земли и напряжения нулевой последовательности

 

В момент времени t = 0,1 с фаза А электрической сети замыкается на землю через дополнительную активную проводимость g0:

· напряжение фазы А UA = 3649 В;

· напряжение фазы В UВ = 6616 В;

· напряжение фазы С UС = 9930 В;

· линейное напряжение Uл = 100 В;

· напряжение фазы относительно земли Uф0 = 36,48 В;

· напряжение нулевой последовательности U0 = 72,62 В.

В момент времени t = 0,2 c к блокам вычисления полной, активной, емкостной проводимостей изоляции и тока однофазного замыкания на землю подводятся модули напряжения нулевой последовательности U0, напряжения фазы А относительно земли Uф0 и линейного напряжения Uл, где с учетом дополнительной активной проводимости g0, равной 0,001 См, по выражениям (1) и (2) вычисляются значения полной и активной составляющей проводимости изоляции.

Для определения величины тока однофазного замыкания используется известная математическая зависимость определения тока однофазного замыкания [3]

.

В момент времени t = 0,3 с отключаются блоки вычисления полной, активной, емкостной проводимостей изоляции и тока однофазного замыкания на землю.

В момент времени t = 0,4 с дополнительная активная проводимость отключается от фазы А электрической сети. Напряжения фаз А, В и С принимают свое первоначальное значение, напряжение нулевой последовательности уменьшается до нуля.

Как видно из рисунка 3 соотношение между напряжениями фаз А, В и С относительно земли после подключения дополнительной активной проводимости изменилось и составляет UC > UB > UA.

На дисплеях выводятся значения всех измеряемых параметров и значения вычисленных величин:

· на дисплее I0 действующее значение тока однофазного замыкания на землю, равное 5А;

· на дисплее y величина полной проводимости изоляции сети, равная 0,05011 См;

· на дисплее g величина активной проводимости изоляции сети, равная 0,006773 См;

· на дисплее b величина емкостной проводимости изоляции сети, равная 0,04965 См.

Полученные диаграммы напряжений и тока однофазного замыкания на землю, а также соотношения между величинами напряжений при подключении дополнительной активной проводимости позволяют сделать вывод о том, что разработанная модель устройства автоматического определения параметров изоляции в электрических сетях напряжением 6 – 10 кВ горных предприятий является достоверной и адекватной реальным условиям эксплуатации сети. Применение микропроцессорной элементной базы позволяет интегрировать устройство автоматического определения параметров изоляции с автоматизированной информационно-управляющей системой контроля элементов системы электроснабжения предприятия. Разработанное устройство автоматического определения параметров изоляции позволяет осуществлять контроль за состоянием изоляции, а также обеспечивает электробезопасноcть обслуживающего персонала при проведении измерений.

 

Литература:

1. Утегулов Б.Б., Жумадирова А.К. Микропроцессорные средства контроля состояния изоляции и защиты от однофазного замыкания на землю в электрических сетях 6 – 10 кВ. – Павлодар: ПГУ имени С. Торайгырова, 2005. –
154 с.

2. Утегулов Б.Б., Утегулов А.Б., Жумадирова А.К., Шинтемиров А.М. Разработка управляющего микропрограммного автомата Мили устройства автоматического определения параметров изоляции в электрической сети напряжением 6 – 10 кВ // Вестник ПГУ. – Павлодар, 2004. – №1. – C. 242-247.

3. Щуцкий В.И., Утегулов Б.Б. Определение тока однофазного замыкания на землю в карьерных сетях напряжением выше 1000 В // Добыча угля открытым способом. Научн. техн. реф. сб. ЦНИЭИУголь, №6. – М., 1981.
С. 19-20.