 |
Глава 1. Электроснабжение ответственных потребителей. Анализ требований к времени отключения токов повреждения в сетях 0,4 кВ в соответствии с новой нормативной базой
|
|
|
|
ДИССЕРТАЦИЯ
На соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
к. т. н., доцент Цырук С. А.
Москва – 2013г.
Оглавление
Введение. 6
1.1 Электроснабжение ответственных потребителей. 13
1.2 Выбор системы заземления нейтрали при питании ответственных потребителей 17
1.2.1 Система заземления TN.. 18
1.2.2 Система заземления IT. 21
1.2.3 Система заземления TT. 24
1.2.4 Анализ систем заземления нейтрали и выбор наилучшей с точки зрения бесперебойности питания потребителя. 25
1.3 Основные положения защиты от поражения электрическим током. 26
1.4 Электрофизические реакции при протекании электрического тока через тело человека. 29
1.5 Анализ требований к времени отключения токов повреждения в сетях 0,4 кВ в соответствии с новой нормативной базой. 32
1.6 Выводы к первой главе. 34
Глава 2. Исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей. 36
2.1 Электроснабжение ответственных потребителей от источников бесперебойного питания статического типа как мера повышения бесперебойности. 36
2.1.1 Источники бесперебойного питания резервного типа (passive standby) 38
2.1.2 Источники бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (line interactive) 40
2.1.3 Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием (double conversion) 41
2.1.4 Структура схем электроснабжения ответственных потребителей с источниками бесперебойного питания статического типа. 43
2.1.4.1 Системы с параллельным резервированием. 44
2.1.4.2 Схема с последовательным резервированием. 45
2.2 Использование системы заземления IT в сетях питания ответственных потребителей как меры по повышению бесперебойности. 47
2.2.1 Первое замыкание. 49
|
|
|
2.2.1.1 Сеть IT с изолированной и нераспределенной нейтралью.. 49
2.2.1.2 Сеть IT с заземленной через сопротивление и нераспределенной нейтралью 50
2.2.1.3 Сеть IT с изолированной и распределенной нейтралью.. 51
2.2.2 Второе замыкание при не устраненном первом. 51
2.2.2.1 Сеть IT с нераспределенной нейтралью и общим заземлителем потребителей 51
2.2.2.2 Сеть IT с распределенной нейтралью и общим заземлителем потребителей 53
2.2.2.3 Сеть IT с нераспределенной нейтралью и отдельными заземлителями потребителей. 54
2.2.2.4 Сеть IT с распределенной нейтралью и отдельными заземлителями потребителей. 55
2.3 Использование разделительного трансформатора как меры по переходу на систему заземления IT. 56
2.4 Выводы ко второй главе. 58
Глава 3. Построение системы питания и защиты ответственных потребителей в сетях с переходом с системы заземления TN на систему заземления IT. 59
3.1 Расчёт токов короткого замыкания и проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении на участке TN при питании через понижающий трансформатор. 59
3.1.1 Расчет токов однофазного короткого замыкания на участке TN.. 59
3.1.2 Методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении на участке TN при питании через понижающий трансформатор 61
3.2 Расчёт токов короткого замыкания и проверки защиты при косвенном прикосновении на участке TN при питании от ИБП статического типа. 69
3.2.1 Расчет тока однофазного КЗ на участке TN в инверторном режиме работы 70
3.2.2 Расчет тока однофазного КЗ на участке TN в режиме работы от сети. 72
3.2.3 Сравнение инверторного режима работы и режима работы от сети при расчете тока однофазного КЗ. 73
3.2.4 Методика проверки эффективности защиты при косвенном прикосновении на участке TN при питании от ИБП статического типа. 74
3.3 Расчет токов и проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании через понижающий трансформатор на участке IT 81
|
|
|
3.4 Расчёт токов короткого замыкания при питании от ИБП статического типа на участке IT. 84
3.4.1 Расчет тока КЗ в инверторном режиме и режиме работы от сети в сетях с нераспределенной нейтралью.. 84
3.4.2 Расчет тока двухфазного КЗ в инверторном и режиме работы от сети в сетях с распределенной нейтралью.. 85
3.5 Проверка эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при питании от ИБП статического типа. 85
3.6 Методика построения системы электроснабжения ответственного потребителя в действующей сети TN с переходом на систему IT. 91
3.7 Выводы к третьей главе. 92
Глава 4. Программный комплекс и расчетно-экспериментальное исследование сетей с переходом от системы заземления TN к системе заземления IT. 93
4.1 Программный комплекс «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ». 93
4.1.1 Выполняемые функции. 93
4.1.2 Структура и ведение баз данных нормативно-технической информации 93
4.1.3 Входные данные. 96
4.1.4 Выходные данные. 101
4.2 Расчетно-эксперементальное исследование методов расчета токов КЗ в сетях с переходом от системы заземления TN к системе заземления IT. 103
4.3 Расчетно-эксперементальное исследование методов расчета токов КЗ сетях с переходом от системы заземления TN к системе заземления IT при питании от ИБП 114
4.4 Выводы к четвертой главе. 119
Заключение. 120
Список используемых источников. 122
Приложение 1. 128
Приложение 2. 218
Введение
В современном мире всё большее распространение получают технологии и установки, предъявляющие повышенные требования к бесперебойности электроснабжения. С каждым годом доля чувствительной нагрузки увеличивается. В основном это происходит за счет повсеместного внедрения микроконтроллерной автоматизации и компьютеризации производственных процессов. Поэтому мы всё чаще сталкиваемся с понятием «ответственный потребитель». Перерыв электроснабжения ответственных потребителей может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Для предотвращения нарушения питания таких электроприемников необходимо принимать ряд мер, которые позволят повысить степень бесперебойности системы питания данных потребителей. Одной из таких мер может служить пересмотр рабочей системы заземления нейтрали с системы TN, повсеместно распространенной у нас в стране, на систему IT, имеющую ряд преимуществ с точки зрения бесперебойности питания. Второй мерой можно считать организацию дополнительного питания от независимого источника. В последнее время в качестве независимого источника питания все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП) статического типа. Следует отметить недостаточную проработку нормативной базы, описывающей вопросы электроснабжения от ИБП статического типа. Так, у нас в стране отсутствует аналог стандарта IEC 62040-3.
|
|
|
В 2003 году введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-ого издания, что привело к ужесточению требований к времени автоматического отключения питания в сетях до 1 кВ. Принятие новых нормативных документов с более жесткими требованиями к обеспечению электробезопасности потребовало пересмотра применяемой коммутационно-защитной аппаратуры, методик выбора кабелей и изменения существующих подходов к проектированию систем электроснабжения в целом.
Поэтому в работе решаются следующие задачи:
· выявление причин нарушения электроснабжения потребителей и оценка часовой стоимости простоя;
· анализ систем заземления нейтрали с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей;
· исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей сравнительный анализ источников бесперебойного питания и их конфигураций;
· исследование принципов работы системы питания и защиты ответственных потребителей в случаях перехода от системы заземления TN к системе заземления IT;
· разработка рекомендаций по подключению ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения;
· разработка дополнений для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, в части ответственных потребителей.
|
|
|
Актуальность решаемой задачи обусловлена двумя факторами:
· увеличением с каждым годом доли ответственных потребителей, чувствительных к перерывам электроснабжения;
· отсутствием рекомендаций по подключению ответственных потребителей в условиях ужесточившихся требований к электробезопасности.
Следует отметить, что на данный момент отсутствуют методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в электроустановках до 1 кВ при электроснабжении от источников бесперебойного питания статического типа в сетях IT.
Целью работы является исследование мер по повышению бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей и разработка рекомендаций по построению систем электроснабжения таких потребителей в условиях ужесточения нормативов по обеспечению электробезопасности в электроустановках до 1 кВ.
Достижение конечной цели диссертационной работы осуществляется путем последовательного решения следующих задач:1. выявление причин нарушения электроснабжения потребителей и оценка часовой стоимости простоя;
2. анализ систем заземления нейтрали с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей;
3. исследование мер по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей;
4. сравнительный анализ источников бесперебойного питания и их конфигураций;
5. исследование принципов работы системы питания и защиты ответственных потребителей в случаях перехода от системы заземления TN к системе заземления IT;
6. разработка рекомендаций по подключению ответственных потребителей для повышения безопасности и надежности электроснабжения;
7. разработка дополнений для комплекса программных средств, автоматизирующих процесс проектирования, в части ответственных потребителей.
Научная новизна1. Проведен комплексный анализ мер по повышению надежности и бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей. На основании полученных результатов даны рекомендации по построению и защите сетей до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали с возможностью установки источников бесперебойного питания.
2. Разработана методика практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1 кВ с системой заземления IT при питании об ИБП статического типа.
3. Обосновано использование разделительного трансформатора в качестве средства для перехода из сети с действующей системой заземления TN на сеть с изолированной нейтралью.
4. Предложены рекомендации по установке разделительного трансформатора в случае перехода от сети с системой заземления TN на сеть IT при питании ответственных электроприемников.
|
|
|
5. Разработаны дополнительные алгоритмы и модули для комплекса программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» для персональных ЭВМ, предназначенного для автоматизированного выбора сечений токопроводящих жил кабелей по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении и позволяющего вести расчет для ответственных потребителей.
Практическая ценность работы и ее реализация состоят в том, что разработанная методика и рекомендации позволяют построить схему электроснабжения ответственных потребителей, таким образом, что время нарушения питания потребителей будет удовлетворять современным требованиям, выбрать параметры схемы электроснабжения электроприемников напряжением до 1кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении в соответствии с требованиями современной нормативной базы (ПУЭ 7-ого издания, ГОСТ Р 50571). Реализованный на основе методики комплекс программных средств позволяет сокращать сроки проектирования за счет автоматизации процесса выбора сечения токопроводящих жил кабелей напряжением до 1кВ при электроснабжении от ИБП статического типа. Разработанная методика и рекомендации ориентированы на широкий круг пользователей и могут быть рекомендованы к применению в проектных, научно-исследовательских и других организациях.Разработанная методика и комплекс программ внедрены в практику проектирования организаций ООО «Коэнергия», ООО «Сложные инструменты».
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 Основные результаты диссертационной работы были доложены на: VII межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2010); V международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); XL Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) «Фёдоровские чтения – 2010» (Москва, 2010); XVII Ежегодной международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011); X Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (Орел, 2012), на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» МЭИ.Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 228 страницах, включая 24 таблицы и 34 иллюстрации. Список использованной литературы включает 52 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Приложения представлены на 101 странице.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.
В первой главе дан обзор современной нормативной базы в области электробезопасности. Сформулированы основные принципы защиты от электропоражения. Приведена классификация потребителей особой группы, проанализированы системы заземления нейтрали в сетях до 1 кВ с точки зрения обеспечения бесперебойного питания конечного потребителя.
Во второй главе приведены меры по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей, приведена классификация источников бесперебойного питания статического типа в соответствии со стандартом IEC 62040-3 и структура схем гарантированного питания, приведены методики расчета токов КЗ в сетях с изолированной нейтралью, предложено использование разделительного трансформатора как меры по переходу на систему заземления IT. В третьей главе рассмотрены вопросы построения системы питания и защиты ответственных потребителей в сетях с переходом от системы заземления TN к системе заземления IT, методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях с системой заземления TN и IT. В четвертой главе приведены комплекс программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ», позволяющий автоматизировать процесс выбора кабеля при питании ответственных потребителей в сетях до 1 кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении, и представлен расчетный эксперимент.В заключении сформулированы основные выводы и результаты по диссертационной работе.
В приложении представлены результаты расчётных экспериментов в виде ряда таблиц.
Глава 1. Электроснабжение ответственных потребителей. Анализ требований к времени отключения токов повреждения в сетях 0,4 кВ в соответствии с новой нормативной базой
|
|
|
