Моделирование устройства защитного отключения сетей постоянного тока

Полный текст

Введение. В настоящее время в промышленности и быту широко применяются устройства защитного отключения (УЗО) для сетей переменного тока, которые срабатывают при контакте токоведущих шин с корпусом или снижении сопротивления изоляции. Однако для сетей постоянного тока такие устройства практически не встречаются. В сетях постоянного тока также возможно появление токов утечки, что требует применения УЗО для защиты электрооборудования и людей, это особенно актуально при испытаниях электрооборудования спутников, в системах солнечной энергетики и т. д. Токи утечки появляются при снижении сопротивления изоляции или при контакте человека с токоведущими шинами. Измеряя токи утечки можно обнаружить аварийную ситуацию и отключить сеть от потребителей, что позволит избежать нежелательных последствий и защитить людей и оборудование от поражения электрическим током. В УЗО сетей переменного тока для измерения токов утечки используется дифференциальный трансформатор тока, однако он неспособен измерять постоянные токи утечки, что делает его применение невозможным в сетях постоянного тока. Поэтому в предложенном УЗО для измерения токов утечки предлагается использовать датчики малых токов на основе эффекта Холла [1]. В отличие от большинства существующих УЗО и устройств измерения токов утечки [2-9], использование датчика на основе эффекта Холла позволяет исключить гальваническую связь УЗО с защищаемой сетью. Функциональная схема УЗО постоянного тока [10] показана на рис. 1. На структурной схеме УЗО показаны: ключ размыкания цепи К, дополнительные резисторы R1 и R2 с ключами К1 и К2, микроконтроллер МК (семейство Cypress PsoC4), устройство ввода ВВ, устройство индикации ИНД, датчик токов утечки ДТУ (модель SLD-1), датчик тока нагрузки ДТ (модель LEM LA200-P), сопротивления изоляции Rm1 и Rm2, блок питания БП. В процессе работы УЗО шина заземления с помощью ключей К1 и К2 попеременно подключается к плюсовой и минусовой шинам сети питания через резисторы R1 и R2. При этом образуется цепь протекания токов утечки через заземляющую шину, сопротивления Rm2 и RH3i соответственно. Протекающий по этой цепи ток измеряется ДТУ, сигнал с которого поступает в микроконтроллер. Если значение тока утечки превышает заданное, микроконтроллер подаёт сигнал на размыкание ключа К и отключает нагрузку от сети питания. Рис. 1. Структурная схема УЗО Измерение токов утечки обеспечивается дифференциальным датчиком тока ДТУ с высокой чувствительностью. Дополнительные резисторы R1 и R2 с ключами К1 и К2 позволяют измерять токи утечки с каждой из шин сети питания независимо от полярности и величины напряжения сети. Для обеспечения универсальности применения УЗО в схему было добавлено устройство ввода, которое совместно с устройством индикации позволяет задавать пороги срабатывания на ток утечки и ток нагрузки. Дополнительно с помощью датчика ДТ, выполненного также на основе эффекта Холла, обеспечивается защита по току нагрузки, что позволяет отключить линию при коротких замыканиях и возникновении иных аварийных режимов работы, приводящих к появлению сверхтоков. 180 Авиационная и ракетно-космическая техника Предложенная схема по сравнению с известными УЗО постоянного тока имеет следующие преимущества перед известными [2-9] : - измерение токов утечки при любой полярности и величине напряжения сети; - универсальность применения независимо от рода тока. В настоящее время общие требования к УЗО определяются несколькими стандартами [11-15]. Исходя из требований по безопасности электроустановок, были выбраны следующие требования по времени срабатывания УЗО для защиты человека: 30 мс при токах нагрузки менее 16 А, 150 мс при токах нагрузки свыше 16 А. Значения токов срабатывания УЗО: 6-30 мА при величине тока нагрузки 1н менее 16 А, до 500 мА при величине тока нагрузки свыше 16 А. Указанные требования достаточны при напряжении питающей сети менее 100 В. Целью моделирования УЗО была проверка соответствия предложенной схемы установленным требованиям, а также определение требований к быстродействию и типу размыкающего ключа. В предложенной схеме УЗО в качестве устройства управления и обработки сигналов используется микроконтроллер со встроенным АЦП, который позволяет производить преобразование сигналов с ДТ и ДТУ в цифровой вид и затем, осуществляя сравнение полученных значений с заданными уставками, принять решение о размыкании цепи. Также в используемом микроконтроллере имеется аналоговая подсистема обработки сигналов, состоящая из интегрированного компаратора, на один из входов которого можно подавать сигнал со встроенного ЦАП, а на второй вход - аналоговый сигнал с датчика тока утечки или тока нагрузки. В случае превышения значением сигнала установленной величины, на выходе компаратора появится сигнал, который может быть напрямую подан на устройство размыкания цепи (ключ К). Моделирование УЗО производилось в пакете Simulink, динамика звеньев цепи обработки сигналов описывалась соответствующими передаточными функциями, параметры передаточных функций были получены из документации на датчики токов, микроконтроллер. Структурная схема цифровой цепи обработки сигналов показана на рис. 2. Передаточные функции ДТ и ДТУ Wdt и Wdtu представляют собой звенья первого порядка. Постоянные времени были выбраны исходя из динамики датчиков: Wdt = ■ 1 (1/3) s +1 1 Wdtu = 10_6 s +1 Звенья цифровой обработки сигналов представлены в виде звеньев чистого запаздывания. Задержка на аналого-цифровое преобразование вычисляется, исходя из следующих данных: n = 106 -частота выборок АЦП; z = 256 - количество усреднений сигнала; f = 48-106 - тактовая частота МК; N = 18 - количество тактов на одно измерение АЦП. Полученная задержка на АЦП и усреднение равна 214 мкс. Задержки на сравнение значения с уставкой и выдачу выходного сигнала равняются 10 и 2 мкс соответственно. Структурная схема аналоговой цепи обработки сигналов показана на рис. 3. Для устранения помех в схему аналоговой обработки сигналов дополнительно введены входной фильтр первого порядка с частотой фильтрации, на 3 декады превышающей частоту среза датчика тока: для ДТ 10 МГ ц, для ДТУ 3 кГц. Передаточная характеристика компаратора также представляет собой звено первого порядка с частотой среза 150 МГц. Для проверки правильности нахождения передаточных функций аналоговой части в программе MicroCap была построена SPICE модель УЗО, которая позволила проверить правильность полученных передаточных функций модели с точки зрения имитации электронных компонентов. Сравнение результатов моделирования аналоговой части в Simulink и MicroCap показало, что передаточные функции модели Simulink найдены верно. и усредн. сравнениеі выхода на кпоч (214 мкс) (10 мкс) (2 мкс) Рис. 2. Структурная схема цифровой цепи обработки сигналов в Simulink 181 Вестник СибГАУ. 2014. N 4(56) Рис. 3. Структурная схема аналоговой цепи обработки сигналов в Simulink Результаты моделирования в Simulink показали, что срабатывание УЗО происходит через 150,1 мс (150,4 мс для цифровой схемы) после превышения током утечки заданной величины. Время обработки сигналов составило 330 мкс для цифровой схемы и менее 10 мкс для аналоговой схемы обработки сигнала. Время переходного процесса на датчике тока утечки составило 150 мс. Срабатывание УЗО на превышение тока нагрузки происходит гораздо быстрее: менее 10 мкс для аналоговой схемы и 330 мкс - для цифровой. При этом время переходного процесса на ДТ не превышает 5 мкс. Переходные процессы в цифровой схеме обработки сигналов для ДТ и ДТУ показаны на рис. 4 и 5 соответственно, в аналоговой схеме обработки сигналов - на рис. 6 и 7. Рис. 4. Переходные процессы для ДТ в цифровой схеме обработки сигналов Из рис. 4-7 видно, что на результат в основном оказывает влияние динамика датчика тока. Сигнал на выходе датчика тока нагрузки ДТ практически не имеет отставания от реального значения тока, в то время как сигнал ДТУ имеет значительное запаздывание. Время переходного процесса на ДТ гораздо меньше времени переходного процесса на ДТУ, что сокращает до минимума время отключения Готкл от момента пересечения током уставки до подачи сигнала на ключ. Влияние способа обработки сигналов также заметно, но по сравнению с быстродействием датчиков тока оно незначительно, особенно в случае ДТУ. х ід'3 Цифровая обработка ДТУ -6-Ток утечки . -14-Сигнал ДТУ 1 Сигнал на ключ -Уставка Чинши IIIIIIIIII IIIIIIIIII IIIIIIIII MIIIIII 0 D.01 0 02 0.03 0 04 0.05 0.06 0 07 0.08 Время, с Рис. 5. Переходные процессы для ДТУ в цифровой схеме обработки сигналов Рис. 6. Переходные процессы для ДТ в аналоговой схеме обработки сигналов Исходя из полученных результатов, можно определить требования, предъявляемые к быстродействию 182 Авиационная и ракетно-космическая техника размыкающего ключа. Так как быстродействие большинства электромеханических реле составляет сотни миллисекунд, то более целесообразно использовать твердотельные реле на основе полупроводниковых транзисторов, для того чтобы общее время размыкания цепи находилось в пределах нормы [4]. 1Q'3 Аналоговая обработка ДТУ -^- Си -1- Си нал ДТУ нал на ключ авка - -....... - ;;;;;; D.01 О D2 0.03 0 04 0.05 0.0Б 0.07 Время, с Рис. 7. Переходные процессы для ДТУ в аналоговой схеме обработки сигналов Заключение. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что быстродействия предложенной схемы УЗО достаточно для защиты электрооборудования, но недостаточно для защиты человека при контакте с токоведущими шинами. При этом могут использоваться как цифровой, так и аналоговый метод обработки сигналов с датчиков. Цифровой метод обработки сигналов является более гибким и позволяет проводить фильтрацию, корректировать нелинейность и осуществлять иные преобразования сигнала, а также накладывать ограничения на условия срабатывания и применять произвольные алгоритмы обработки сигналов. Аналоговый метод обработки сигналов является более быстродействующим, но менее гибким. Моделирование УЗО показало, что требуются дальнейшие улучшения для обеспечения более высокого быстродействия. Рассмотренный вариант УЗО представляет интерес для защиты электрооборудования и предотвращения появления аварийных ситуаций при снижении сопротивления изоляции при работе с сетями постоянного тока. Благодарности. Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082). Acknowledgements. The work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (agreement № 14.577.21.0082). Библиографические ссылки

Об авторах

Енис Аврумович Мизрах

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: enis-home@mail.ru
кандидат технических наук, профессор кафедры систем автоматического управления

Николай Владимирович Штабель

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: shtabnik@gmail.com
младший научный сотрудник, аспирант кафедры систем автоматического управления

Евгений Алексеевич Копылов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: evgesh72@mail.ru
младший научный сотрудник, старший преподаватель кафедры систем автоматического управления

Список литературы

Дополнительные файлы