WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА 0,6КВ Специальность 05.09.03 “Электротехнические комплексы и системы”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009 2

Работа выполнена в ГОУВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» на кафедре Электрического транспорта.

Научный руководитель кандидат технических наук, доц.

Долаберидзе Герман Парменович Официальные оппоненты доктор технических наук, проф.

Гамазин Станислав Иванович кандидат технических наук, доцент Комаров Валентин Макарович Ведущая организация Открытое акционерное общество «Академия коммунального хозяйства имени К.Д.Памфилова»

Защита диссертации состоится 11 декабря 2009 г. в аудитории М-611 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Цырук С.А.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ответственной частью системы электроснабжения городского электрического транспорта являются кабели постоянного тока 0,6 кВ. Питающие кабели городского электрического транспорта подключаются к положительной шине тяговой подстанции с помощью линейных автоматических быстродействующих выключателей, осуществляющих защиту тяговой сети от токов короткого замыкания. При ухудшении изоляции между токопроводящей жилой кабеля и его оболочкой возникает аварийный режим замыкания на землю. Ток замыкания на землю в большинстве случаев имеет малую величину, поэтому не может быть отключен защитным автоматическим быстродействующим выключателем.

Аварийные ситуации в кабеле могут привести к простою транспортных средств на линии от 5-10 минут до 1,5 часов, при этом в час-пик на данной транспортной магистрали могут возникнуть серьезные затруднения.

В настоящее время на тяговых подстанциях городского электрического транспорта широко применяется косвенный метод контроля за целостностью изоляции кабеля, основанный на анализе состояния его контрольных жил. Однако нередко имеют место ситуации, когда аварийный режим не распознается, что может привести к тяжелым пожароопасным последствиям.

Зачастую ситуация осложняется прокладкой тяговых кабелей в коллекторах или траншеях совместно с высоковольтными кабелями и телефонными линиями, таким образом существует опасность поджига соседних кабелей, что может способствовать развитию серьезной аварии. Повреждение соседних кабелей 6-10кВ в некоторых случаях может привести к обесточиванию всего района.

Актуальным вопросом является разработка системы защиты кабельных линий, осуществляющая непосредственный контроль состояния основной изоляции кабеля, при нарушении которой система защиты должна выдавать сигнал на отключение автоматического выключателя, защищающего питающую линию.

Цель работы. Целью работы является создание нового поколения устройств защиты кабельных линий на основе высокочастотного резонансного принципа с целью снижения вероятности возникновения и развития пожаров при замыканиях на землю в кабелях постоянного тока 0,6кВ наземного городского электрического транспорта.

Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведения критического анализа существующих устройств защиты и определение технических требований, предъявляемых к современным защитам кабельных линий постоянного тока;

2. Разработки электрической схемы замещения кабельной линии и проведение уточненного расчета ее параметров с учетом неравномерности распределения тока по сечению элементов кабеля вследствие влияния поверхностного эффекта;

3. Создания физической и компьютерной имитационной моделей для определения частотных характеристик кабельной линии и исследования работоспособности предложенного высокочастотного резонансного принципа защиты;

4. Экспериментального исследования предложенных моделей и сопоставление результатов с данными, полученными на реальных кабельных линиях;

5. Разработки функциональных и принципиальных электрических схем защитного устройства, осуществляющего контроль состояния кабельной линии по двум параметрам: амплитуде и фазе тока зондирующего гармонического сигнала, прикладываемого между оболочкой и контрольными жилами кабеля.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории электрических цепей, методы цифрового и физического моделирования.

Обоснованность и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования, а также результатами экспериментальных исследований, полученных на реальных кабельных линиях.

Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующих положениях:

• Приведено теоретическое обоснование представления кабельной линии как линии с распределенными параметрами;

• Представлены уточненные расчеты физической модели кабельной линии с учетом неравномерности распределения тока по сечению элементов кабеля вследствие влияния поверхностного эффекта;

• Проведены исследования работоспособности высокочастотного резонансного принципа защиты при замыкании между различными элементами кабельной линии;

• Представлены исследования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик при различной длине моделируемого кабеля и способе соединения его контрольных жил;

• Определены зависимости чувствительности защитного принципа к замыканию токопроводящей жилы на оболочку при различном удалении места повреждения кабеля от его начала;

• Проведено исследование чувствительности защитного принципа при возникновении дугового процесса, сопровождающего нарушение основной изоляции кабеля;

• Предложен вариант практического внедрения устройства защиты на базе разработанных печатных плат с применением DSP-контроллера.

Практическая ценность. Результатом выполненной диссертационной работы стала разработка схемотехнических и конструктивных решений для включения системы защиты в серию разрабатываемых распределительных устройств КРУм-600 и для внедрения устройства защиты на действующих тяговых подстанциях городского электрического транспорта. Результаты исследований могут быть использованы при разработке частотных защит и систем поиска неисправности, использующих высокочастотные методы контроля параметров кабеля.

Реализация работы. Результатом работы явилась разработка и внедрение печатных плат в новую линейку комплектных распределительных устройств, разработки компании ЗАО «НПП Энергия», предназначенных для питания линий городского наземного электрического транспорта напряжением 0,6кВ постоянного тока.

Апробация. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на XII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2006г., 2008г.); на XI международной конференции электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Крым, Алушта 2006г.); на международной научнотехнической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009г.); а также на заседании кафедры Электрического транспорта МЭИ(ТУ) в 2009г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 печатных работах, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата технических наук и имеют приоритет подтвержденный патентом России № 78988 на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Объем работы составляет 117стр. основного текста и содержит 44 рисунка, 14 таблиц, 43 наименования списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы технические требования к защитным устройствам, разрабатываемым для применения на тяговых подстанциях в системах одностороннего и двухстороннего питания участков контактных сетей, с заземленным отрицательным полюсом и с изолированными от земли полюсами.

В качестве перспективного метода защиты представлен высокочастотный резонансный способ контроля состояния изоляции кабеля, основанный на изменении индуктивных и емкостных параметров кабеля и, как следствие, его амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) при аварийном режиме замыкания на землю. Система защиты, настроенная на резонанс в нормальном режиме, реагирует на изменение амплитуды тока и сдвиг его фазы, неизбежно следующего за ухудшением изоляции между токопроводящей жилой (ТЖ) и оболочкой (Об). Отмечено, что положительной особенностью данного принципа защиты является непосредственный контроль за состоянием изоляции кабеля.

В первой главе рассмотрены основные устройства защиты кабельных линий постоянного тока, применяемые в настоящее время на тяговых подстанциях городского электрического транспорта.

Отмечено, что рассмотренные устройства защиты не обеспечивают 100% отключения поврежденного кабеля, что может привести в определенных условиях к неотключаемым замыканиям на землю. Самому распространенному на сегодняшний момент методу косвенной защиты кабелей на переменном токе, применяемому в шкафах комбинированной защиты, присущ серьезный недостаток, не позволяющий определить нарушения основной изоляции кабеля, без повреждения изоляции его контрольных жил.

Одним из наиболее распространенных недостатков большинства как токовых, так и потенциальных защит является возможность их ложного срабатывания.

Показано, что зарубежные системы защиты кабельных линий не приспособлены под принятую в России схему присоединения кабельных линий и не могут в полной мере выполнять заявленных функций.

Отмечена сложность выявления аварийного кабеля, в котором произошло замыкание на землю, в связи с тем, что токопроводящие жилы гальванически объединены на сборную шину +600В, а оболочки кабелей подключены к контуру заземления.

Во второй главе приведены теоретические обоснования возможности представления кабеля в виде линии с распределенными параметрами, а также представлены основные зависимости, описывающие процессы, происходящие в линии при приложении к элементам кабеля высокочастотного гармонического сигнала.

Частотные характеристики цепей с распределенными параметрами представляют собой зависимости их входных сопротивлений от частоты. В общем виде частотная характеристика может быть представлена функцией:

j вх Zвх = zвх e = Z( j ) (1) Входные сопротивления цепей с распределенными параметрами – комплексные величины, и поэтому выражение вида (1) распадается на два:

zвх = mod Z = z( ) вх (2) = arg Z = ( ) вх вх (3) Зависимость модуля входного сопротивления от частоты (2) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ); зависимость аргумента входного сопротивления от частоты (3) – фазочастотной характеристикой (ФЧХ).

Для получения АЧХ и ФЧХ кабельной линии необходимо определить зависимость входного сопротивления линии Z от частоты гармонического вх сигнала, для этого необходимо найти распределение напряжения и тока вдоль всей линии, определив тем самым напряжение и ток на ее входе.

Система уравнений для напряжения и тока на входе линии имеет следующий вид:

Uвх = U1 сh( l) + I1 Z sh( l) (4) B UIвх = sh( l) + I1 ch( l) Z B, (5) где U1 и I 1 – напряжение и ток в конце линии, l – длина линии, Z – волновое B сопротивление линии, – коэффициент распространения.

Входное сопротивление линии рассчитывается по формуле:

Uвх U1 сh( l) + I1 Z sh( l) Z1 сh( l) + Z sh( l) BB Z = ==, (6) вх ZI вх U sh( l) + сh( l) sh( l) + I 1 сh( l) Z Z B вх где Z1 = U1 / I1 – сопротивление нагрузки (отношение напряжения к току в конце линии). Анализ полученных АЧХ и ФЧХ кабельной линии позволяет выбрать рабочую резонансную частоту предлагаемой системы защиты.

Невозможность исследования работоспособности защитного устройства в различных точках по длине реального кабеля, из-за необходимости нарушения его целостности привела к необходимости моделирования кабельной линии.

Предложена электрическая схема замещения кабельной линии (рис.1), проведен уточненный расчет ее параметров с учетом взаимоидуктивной связи между элементами, а также с учетом неравномерности распределения тока по сечению элементов кабеля из-за влияния поверхностного эффекта. Схема замещения выполнена для кабеля типа СБ-2к-500 длиной 450 м, имеющего неуплотненную медную токопроводящую жилу, свинцовую оболочку и две медные контрольные жилы. Для представления кабеля как линии с распределенными параметрами имитационная, а в дальнейшем и физическая модели были выполнены из 18 ячеек, каждая из которых моделирует часть кабеля длиной 25м.

С использованием предложенной схемы замещения на базе программного пакета OrCad была создана и исследована компьютерная имитационная модель кабельной линии.

R2 LКЖ1 MCCR1 LТЖ 1 MC5 CR3 LКЖ1 M13 MCR4 LОб 1 MРис.1 Схема замещения кабельной линии: ТЖ – токопроводящая жила, КЖ1 и КЖ2 – контрольные жилы 1 и 2, Об – оболочка.

Посредством программного моделирования получены АЧХ и ФЧХ (рис.2) имитируемого кабеля, представляющие собой зависимости амплитуды и фазы тока контролируемого гармонического сигнала фиксированной амплитуды, прикладываемого к элементам кабельной линии, от его частоты. На полученных АЧХ и ФЧХ наблюдается чередование резонансов напряжений и токов.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.