Введение
Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети существует практически на любом предприятии, особенно при работе от источников трёхфазного напряжения. Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную опасность представляет так называемый "перекос фаз" - случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину, что приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя. Очень часто встречается и обрыв одной фазы.
Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда в результате аварии в цепи питания может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220 В. относительно земли, но при этом две из них замкнуты между собой ("слипание" фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.
В "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" определено, что качество электрической энергии - это степень соответствия параметров электрической энергии их установленным значениям.
Показателями качества электроэнергии являются:
отклонение напряжения от своего номинального значения;
колебания напряжения от номинала;
несинусоидальность напряжения;
несимметрия напряжений;
отклонение частоты от напряжения номинального значения;
длительность провала напряжения;
импульс напряжения;
временное перенапряжение.
Основные показатели качества электроэнергии при условии нормальной работы электроприемников должны в течении не менее 23 часов каждых суток не выходить за пределы своих номинальных значений ±10%, а в послеаварийных режимах - за пределы определенных максимальных значений ±20%.
Однако, довольно часто, показатели качества электрической энергии не соответствуют требованиям, определённым в межгосударственном стандарте. В первую очередь эти несоответствия бывают вызваны аварийными режимами работы распределительной электросети или её перегрузок, что приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования.
Сутью моего диплома является разработка устройства, которое защитит электросеть от перепада напряжений
1.
Обзор литературы и постановка задачи
.1 Класификация реле защиты
Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных физических величин, на которые они реагируют; по функциям, которые они выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.
Устройство реле
Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного. Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину. Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент. Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом. Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству.
По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.
Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.
Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока). Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.
По способу включения реле разделяются:
Первичные - реле, включаемые непосредственно в цепь защищаемого элемента. Достоинством первичных реле является то, что для их включения не требуется измерительных трансформаторов, не требуется источников оперативного тока и не требуется контрольных кабелей.
Вторичные - реле, включаемые через измерительные трансформаторы тока или напряжения.
Наибольшее распространение в технике релейной защиты получили вторичные реле, к достоинствам которых можно отнести: они изолированы от высокого напряжения, расположены в удобном для обслуживания месте, выполняются стандартными на ток 5(1) А или напряжение 100 В независимо от тока и напряжения первичной защищаемой цепи.
По исполнению реле классифицируются:
Электромеханические или индукционные - с подвижными элементами.
Статические - без подвижных элементов (электронные, микропроцессорные).
По назначению реле подразделяются:
Измерительные реле. Для измерительных реле характерно наличие опорных элементов в виде калиброванных пружин, источников стабильного напряжения, тока и т.п. Опорные (образцовые) элементы входят в состав реле и воспроизводят заранее установленные значения (называемые уставкой) какой-либо физической величины, с которой сравнивается контролируемая (воздействующая) величина. Измерительные реле обладают высокой чувствительностью (воспринимают даже незначительные изменения контролируемого параметра) и имеют высокий коэффициент возврата (отношение воздействующих величин возврата и срабатывания реле, например, для реле тока - Кв=Iв / Iср).
Реле тока реагируют на величину тока и могут быть: - первичные, встроенные в привод выключателя (РТМ); - вторичные, включенные через трансформаторы тока: электромагнитные - (РТ-40), индукционные - (РТ-80), тепловые - (ТРА), дифференциальные - (РНТ, ДЗТ), на интегральных микросхемах - (РСТ), фильтр - реле тока обратной последовательности - (РТФ).
Реле напряжения реагируют на величину напряжения и могут быть: - первичные - (РНМ); - вторичные, включенные через трансформаторы напряжения: электромагнитные - (РН-50), на интегральных микросхемах - (РСН), фильтр - реле напряжения обратной последовательности - (РНФ).
Реле сопротивления реагируют на величину отношения напряжения и тока - (КРС, ДЗ-10);
Реле мощности реагируют на направление протекания мощности КЗ: индукционные - (РБМ-170, РБМ-270), на интегральных микросхемах - (РМ-11, РМ-12). • Реле частоты реагируют на изменение частоты напряжения - на электронных элементах (РЧ-1, РСГ).
Цифровое реле - это многофункциональное программное устройство, одновременно выполняющее функции реле тока, напряжения, мощности и т.д. Реле могут быть максимальные или минимальные. Реле, срабатывающие при возрастании воздействующей на него величины называются максимальными, а реле, срабатывающие при снижении этой величины, называются минимальными.
Логические или вспомогательные реле подразделяются на:
Реле промежуточные передают действие измерительных реле на отключение выключателя и служат для осуществления взаимной связи между элементами релейной защиты. Промежуточные реле предназначены для размножения сигналов, полученных от других реле, усиления этих сигналов и передачи команд другим аппаратам: электромагнитные постоянного тока - (РП-23, РП-24), электромагнитные переменного тока - (РП-25, РП-26), электромагнитные постоянного тока с замедлением при срабатывании или отпадании - (РП-251, РП-252), электронные на интегральных микросхемах - (РП-18),
Реле времени служат для замедления действия защиты: электромагнитные постоянного тока - (РВ-100), электромагнитные переменного тока - (РВ-200), электронные на интегральных микросхемах - (РВ-01, РВ-03 и ВЛ)
Реле сигнальные или указательные служат для регистрации действия как самих реле, так и других вторичных аппаратов (РУ-21, РУ-1).
По способу воздействия на выключатель реле разделяются:
Реле прямого действия, подвижная система которых механически связана с отключающим устройством коммутационного аппарата (РТМ, РТВ
Реле косвенного действия, которые управляют цепью электромагнита отключения коммутационного аппарата.
Основные виды релейной защиты:
Токовая защита - ненаправленная или направленная (МТЗ, ТО, МТНЗ).
Защита минимального напряжения (ЗМН).
Газовая защита (ГЗ).
Дифференциальная защита.
Дистанционная защита (ДЗ).
Дифференциально-фазная (высокочастотная) защита (ДФЗ).
.2 Анализ технического задания
Согласно техническому заданию необходимо разработать устройство защиты электросети
) Наименование, число и назначение основных частей;
Разрабатываемое в данной работе устройство защиты электросети состоит из следующих основных частей:
трёхфазный импульсный источник питания;
микроконтроллер управления со встроенным АЦП;
LCD дисплей;
высоковольтный трёхфазный делитель напряжений;
три разделительных трансформатора;
клавиатуру ручного управления устройством
конвертер интерфейсов USART/RS-485;
блоки синхронизации микроконтроллера с электросетью;
коммутационные ключи;
исполнительные реле.
Трёхфазный импульсный источник питания, вырабатывающий постоянные напряжения 5 В. и 12 В., необходимые для питания устройства включает в себя следующие функциональные блоки:
трёхфазный сетевой выпрямитель;
фильтр выпрямленного сетевого напряжения;
обратноходовый преобразователь напряжения;
высокочастотный выпрямитель напряжения 12 В.
2) Требования по охране окружающей среды;
Условия эксплуатации соответствуют европейским стандартам охраны окружающей среды и человека. В конце срока устройства защиты электросети необходима утилизация согласно мировым стандартом и ГОСТ.
) Требования взаимозаменяемости;
Ремонт устройства и замена вышедших из строя частей производится
исключительно техническими специалистами с высшим образованием в области
электронной техники.
1.3 Требования к разрабатываемому устройству
· Нормальная работа устройства от электросети с частотой 40…70 Гц. и действующим значением напряжения от 150 В. до 320 В. при наличии напряжения хотя бы на одной из фаз электрической сети.
· Измерение действующего значения сетевого напряжения независимо по всем трём фазам электросети в диапазоне от 50 В. до 320 В.
· Наличие буквенно-символьного жидкокристаллического дисплея для индикации текущих параметров электросети (частоты, действующих значений напряжений, порядка чередования фаз) и режимов работы устройства.
· Отключаемая функция контроля порядка чередования фаз.
· Функция контроля "слипания" фаз.
· Наличие дух верхних и двух нижних порогов контроля сетевого напряжения.
· Четырёхпороговый контроль отклонений фазных напряжений от номинальных значений раздельно для каждой фазы сетевого напряжения.
· Раздельная установка значений порогов напряжений и времени защитного отключения для каждого из порогов напряжения.
· Регулируемые пределы отклонения частоты сетевого напряжения, при которых происходит отключение нагрузки.
· Индикация на дисплее оставшегося времени до включения нагрузки при выходе параметров электросети за установленные пределы.
· Индикация на дисплее параметра электросети не соответствующего допустимым значениям.
· Раздельное отключение фаз сетевого напряжения при отклонении параметров фаз от нормы.
· Общее отключение всех трёх фаз нагрузки общим электромагнитным реле при отклонении параметров хотя бы одной из фаз от нормы.
· Наличие функции контроля частоты сетевого напряжения и отключение общего защитного реле при выходе частоты за установленные пределы.
· Регулируемая яркость подсветки дисплея.
· Возможность подстройки показаний (калибровка) прибора.
· Настройка всех параметров устройства с использованием функционального меню и кнопок управления.
· Связь с персональным компьютером (ПК) по интерфейсу RS-485.
· Настройка основных параметров устройства в автономном режиме.
В устройстве защиты необходимо обеспечить раздельное отключение фаз
электросети при выходе параметров электросети за допустимые пределы. Для этих
целей необходимо предусмотреть наличие трёх ключей для раздельной коммутации
каждой из фаз сетевого напряжения. Также необходимо предусмотреть отключение
трёхфазного электрооборудования при возникновении различных внештатных ситуаций
и возникновении перекоса фаз. Для этих целей необходимо введение
дополнительного ключа общей коммутации фаз, который управляя подключенным к
нему мощным трёхфазным контактором, осуществлял бы коммутацию трёхфазной
электросети для всех трёх фаз сетевого напряжения. Наличие общего трехфазного
ключа необходимо для коммутации трёхфазных нагрузок, например
электродвигателей, или при использовании устройства в составе аппаратуры
автоматического ввода резерва.
Устройство должно обеспечивать раздельное отключение фаз электросети. За работу устройства отвечает микроконтроллер, к которому подведены все части устройства. Работа устройства начинается с иницилизации устройств, настройки портов ввода вывода. Далее идет чтение переменных с памяти микроконтроллера.В целях исключения подачи напряжения питания на защищаемые цепи целесообразно ввести задержку на включения защитных реле при включении питания устройства. Данная задержка выбрана длительностью 5 секунд, так как способна обеспечить мониторинг 250 периодов синусоидального напряжения электросети. Далее основная программа микроконтроллера проверяет, путём сравнения измеренные за пятисекундную задержку, параметры электросети на нахождение в допустимых пределах и включает соответствующие реле или загружает в таймер задержки включения реле необходимое время. После чего в бесконечном цикле программа микроконтроллера обновляет показания ЖК-дисплея и обрабатывает команды клавиатуры в соответствии с порядком нажатия на управляющие кнопки. Для освобождения процессорного времени микроконтроллера и устранения необходимости мониторинга последовательного порта приёмопередатчика UASRT, при работе с персональным компьютером посредством интерфейса RS-485, решено использовать возможность генерации прерывания, возникающего по завершению приёма очередного байта. Для реализации возможности адресации конкретного устройства системы управления, в программе обработки прерывания предусмотрено сравнение принятого адреса с собственным внутренним адресом устройства и адресом широковещания. В случае совпадения адреса система декодирует принятую команду и выполняет её, а в случае необходимости формирует необходимый пакет данных для ответа.