CC BY
14
моделированию, классификации и именованию при распознавании. Определены основные этапы обработки моделируемых объектов, описаны принципы и способы именования моделей, результирующих применяемые методы и подходы.
Ключевые слова: автоматическое моделирование, GT-объект, цифровые изображения, скелетизация, именование, классификация.
The article describes in detail the
prerequisites for the development of information technology for automatic modeling of GT-objects images of binary raster digital images of signs of open alphabets, subject to automatic modeling, classification and naming in recognition. The main stages of processing of simulated objects are defined, the principles and methods of naming models resulting from the applied methods and approaches are described.
Keywords: automatic modeling, GT-object, digital images, skeletonization, naming, classification.
УДК 007.52: 622.647.1
МАРЕНИЧ О.К., аспирант (Донецкий национальный технический университет)
Повышение эффективности автоматической защиты от коротких замыканий средствами управляемой коммутации силовых цепей источника питания
Marenich O.K., graduate student (DONNTU)
Increasing efficiency of automatic protection against short circuits by means of controlled switching of power chains power supply
Введение
Автоматический выключатель (АВ) серии А37ХХ известен как надёжный и высокоэффективный силовой коммутационный аппарат, успешно применяющийся в сети линейного напряжения 660 В. Однако опыт применения модификации А3792 в составе распределительного устройства низкого напряжения комплектной трансформаторной подстанции (КТП) участка шахты в сети линейного напряжения 1140 В выявил его недостаточные функциональные
свойства в части сохранения работоспособного состояния после отключения междуфазного короткого замыкания (КЗ). Этот вывод следует из
зафиксированных повторяющихся
фактов возникновения коротких замыканий внутри самого выключателя в момент его повторного включения после защитного отключения КЗ во внешнем присоединении. Замена аппарата А3792 на специально разработанный автоматический
выключатель, для эксплуатации в сети высокого напряжения является весьма затратным мероприятием. В связи с этим, к актуальным научно-техническим задачам могут быть отнесены исследования в области адаптации автоматического
выключателя А3792 к безаварийному отключению междуфазных коротких замыканий в сети линейного напряжения 1140 В.
Анализ последних исследований и публикаций
Исследованием элементов
конструкции автоматического
выключателя А3792, многократно отключавшего токи перегрузки в сети линейного напряжения 1140 В, установлено наличие металлизации (медного напыления) поверхности деталей, расположенных вблизи силовых контактных групп и дугогасительных камер дуги [1]. Анализ процесса образования электрической дуги [2-5], в частности, рассмотрение физики ионизационных процессов применительно к АВ, а также учёт реальных показателей времени срабатывания [6], то есть существования коммутационного
дугообразования, дают основания делать предположение о наличии электроионизационных процессов и достаточности их продолжительности (80^100 мс) как о причине формирования путей утечки в АВ вследствие медного напыления на поверхность электроизоляционных деталей. Таким образом, возможным средством противодействия
образованию междуфазных путей утечки в конструкции АВ после отключения междуфазного КЗ может быть устройство, ограничивающее энергетические параметры
сильноточного коммутационного
дугообразования, в частности, величины тока. Либо
продолжительности процесса.
Цель работы
Целью исследования является установление закономерностей
воздействия коммутационной
электрической дуги при отключении высоких токов на элементы
конструкции автоматического
выключателя А3792, применяемого в составе шахтных участковых КТП и обоснование корректного способа управляемой коммутации защищаемой силовой цепи в соответствии с критерием ограничения ионизационных и плазмообразующих процессов в выключателе на уровне, недостаточном для металлизации поверхностей, смежных с контактными группами.
Основной материал
Метод Майра как
общепризнанный универсальный
инструмент исследования процессов дугообразования [7] и его интерпретация в исследовании [8], дают основания к выводам о степени влияния продолжительности дугообразования и тока электрической дуги на её энергетические параметры (энергию Аразр дугового разряда), полагая, что мощность, поступающая в дугу: Рдуг. = и = qu2 (где q и и - проводимость и напряжение дуги):
Аразр=\(и -и*)гТР+1П2, (1)
где Тр - длительность дугового разряда; и* - сумма падений напряжения на электродах при коммутационном дугообразовании; и - напряжение источника питания; г - размыкаемый ток; Ь - индуктивность цепи дугообразования.
В функциональной зависимости от тока дуги также находится её радиус:
го = 0,135>/7. (2)
Однако принципиальную
важность в вопросах исследования коммутационного дугообразования в сильноточной электрической цепи
представляет выявление эффекта придиафрагменного расширения столба дуги. В исследовании [9] рассматривается осесимметричная электрическая дуга 1, горящая в сильноточной электрической цепи постоянного тока между электродами 2 (плоским анодом и стержневым катодом) через металлическую диафрагму 3 (рис.1) и установлена общая тенденция к изменению размеров дуги в придиафрагменных областях. Применительно к сети переменного тока здесь следует учесть чередование полярностей электродов с частотой сети и фактические размеры их контактных площадок.
кк
А л
I*-
приравнен к объекту дугообразования с элементом диафрагмирования.
Следовательно, в малых объёмах придиафрагменных областей следует ожидать расширение плазмы, что подтверждается практикой
эксплуатации автоматического
выключателя А3792 при отключении высоких токов, в том числе, токов КЗ в отходящих силовых присоединениях (рис. 2). Процесс сопровождается повышением температуры дуги в диафрагме, увеличением
напряжённости электрического поля, давления, из диафрагмы наблюдаются интенсивные потоки плазмы.
Эмпирические характеристики, представленные в исследовании [9], дают представление о форме изотерм и линий тока при прохождении дуги через диафрагму (рис. 3). Анализ данных графиков позволяет формализовать функциональную зависимость
параметров процесса изменения геометрических параметров плазмы дуги. Так, радиус гт распределения линий электрического тока газа в плазме в зависимости от диаметра диафрагмы ё (мм) в физических величинах (мм) может быть выражен зависимостью:
гт = 7 - 0,4375ё + (ё/2). (3)
Рис. 1. Расчетная схема диафрагмированной дуги
Установлено, что наличие диафрагмы ведёт к перераспределению давлений в теле дуги, в результате чего в придиафрагменной области наблюдается расширение её столба. Исследуемый объект (объём пространства перемещения контактов силовой группы выключателя А3792, включая объём дугогасительной камеры) также может быть косвенно
Применительно к контактной группе автоматического выключателя А3792 канал перемещения плазмы коммутационной дуги является полостью дугогасительных камер, представляет собой форму
неправильного треугольника с закруглёнными углами и, с учётом своих размеров и размеров зазоров (около 1 мм) между дугогасительной решёткой и силовым контактом, входит в область предельного параметра (16 мм), обоснованного в [9].
а
б
Рис. 2. Дугогасительная камера автоматического выключателя А 3792 как объект
диафрагмирования коммутационной электрической дуги: а - взаиморасположение силового контакта (ширина 26,1 мм) и дугогасительной камеры; б - дугогасительная камера со следами придиафрагменного
плазмообразования
Это обусловливает проявления придиафрагменного плазмы дуги, что
вероятность эффекта расширения стоответствует
практике эксплуатации автоматических выключателей А3792 в составе КТП (рис. 2, б).
Таким образом, геометрические размеры элементов, образующих диафрагму канала коммутационной дуги обусловливают величину её расширения в придиафрагменных областях. В то же время, процесс плазмообразования протекает не мгновенно, характеризуется
продолжительностями: разогрева
материала электродов, закипания поверхностей электродов, испарения металла с поверхности электродов и насыщения плазмы парами металлов.
Рис. 3 Распределение линий электрического тока газа (шаг 0,1) в дуге (I = 200 А) в зависимости от диаметра диафрагмы: d = 2 (а); d = 4 (б); 8 (в); d = 16 (г) мм [9]
Следовательно, практическую актуальность представляет
установление зависимости параметров расширения плазмы от
продолжительности процесса. В этой связи в качестве исходного материала могут быть использованы графики эмпирических зависимостей,
полученных в результате анализа кино-фотофиксации процессов
плазмообразования в сильноточных цепях переменного тока (рис.4) [10].
Из диаграмм следует, что коммутационное дугообразование в сильноточной электрической цепи сопровождается образованием
плазменного диска, диаметр которого имеет тенденцию увеличения на начальном этапе дугообразования от начального размера, соответствующего начальному диаметру столба дуги -диаметру поверхностей разъединяемых контактов. В этом случае правомерно говорить об изменении геометрических размеров столба дуги в целом. Так, в соответствии с [10], диаметр столба электрической дуги имеет близкую к линейной зависимость увеличения в диапазоне времени Дt от 0,005 с до 0,025 с при токах, меньших 300 А, и линейную в диапазоне времени Дt от 0,002 с до 0,015 с в сильноточных электрических цепях. Таким образом, расчётное максимальное значение диаметра Б столба электрической коммутационной дуги может быть существенно уменьшено за счёт ограничения продолжительности ^ дугового коммутационного процесса.
Исследование обобщений
экспериментальных данных,
представленных в [10], позволяет получить регрессионную зависимость для плазмы сильноточной
электрической дуги, горящей в воздухе (что соответствует коммутационному дугообразованию в АВ типа А3792), в
диапазоне времени 0,002 с < ^ < 0,015 с в предположении, момент Б=2гк, а секундах:
что начальный ^ принимаем в
Б « гк (2 + 1.1( ^103-2) / 6,4), (4)
Рисунок 4 - Зависимость распространения потока плазмы при коммутации тока 1400 А на стержневых электродах от времени [ 10]
Анализируя коммутационное плазмообразование, с насыщеннием плазмы парами металла поверхностей силовых контактов, отдельного внимания заслуживает рассмотрение процесса испарения материала электродов. Так, согласно [9], начальная скорость \нач потока пара определяется уравнением:
V™ = * ' <2Р>
(5)
где W = ёэиэ - поверхностная плотность энергии у электрода; Зэ - плотность тока у электрода; иэ - падение напряжения на электроде; Q - количество тепла, необходимое для испарения одного грамма материала электрода; р -плотность пара при испарении материала поверхности электрода.
Следует учитывать зависимость температуры Т на поверхности электрода от плотности энергии Ж и
времени (дуг. (продолжительности) дугообразования:
Т (г) =
ж г д
уг
(жЛер)
(6)
где X, с, р - теплопроводность, теплоёмкость, плотность материала электрода, соответственно.
Выражения (5) и (6) позволяют установить временной интервал горения дуги при конкретных величинах её электрических параметров,
недостаточный для испарения поверхности металла электрода и насыщения плазмы парами металла. Следовательно, на начальном этапе коммутационного дугообразования сечение дуги уменьшено по сравнению с установившимся режимом и линейно возрастает, при этом насыщение дуги парами металла поверхности электрода происходит спустя интервал времени, необходимый для разогрева электродов и начала процесса испарения металла с их поверхностей.
Таким образом, за счёт ограничения продолжительности
дугообразования может быть примерно в 2 раза уменьшен диаметр плазмы дуги и ограничено её расширение в придиафрагменных областях на отдельных участках каналов
дугогасительных камер. Отсюда следует вывод о приемлемости ограничения продолжительности дугообразования как способа ограничения
энергетических параметров
коммутационного процесса отключения автоматическим выключателем КТП междуфазного КЗ в отходящем присоединении, а также вывод о функциональной недостаточности
применяемых средств максимальной токовой защиты в сети напряжения 1140 В в контексте противодействия
коммутационному плазмообразования в силовых цепях АВ при отключении КЗ (вследствие значительных интервалов времени выявления и отключения КЗ -порядка 80 мс). Последний вывод иллюстрируется результатами
эксперимента (рис. 5), где представлена фиксация отключения КЗ
автоматическим выключателем А3792 по команде микропроцессорного блока максимальной токовой защиты БЗУ-ТП.
мю. ЭТОР
9
/ ■ б.эви
А''
IV
Рис. 5. Осциллограммы тока в цепи КЗ: уставка БЗУ-ТП - 700 А; срабатывание БЗУ-ТП с отключением АВ
Приемлемым техническим
решением в области обеспечения безаварийной эксплуатации
низковольтного автоматического
выключателя А3792 в шахтной участковой сети линейного напряжения 1140 В является схема коммутации плавким предохранителем выхода мостового выпрямителя,
объединяющего вторичные фазные обмотки трансформатора КТП в трёхфазную цепь (рис. 6). Защитная функция плавкого предохранителя имеет на порядок лучшие показатели быстродействия. Так, в аналогичном эксперименте с автоматическим выключателем А3792 с применением
1/2
предохранителя последовательно в цепи отключения тока КЗ (5000 А) зафиксировано время срабатывания 5,9 мс и отсутствие реакции на этот ток со стороны блока защиты БЗУ-ТП и расцепителя максимального тока самого АВ (рис. 7).
6000 В
660 В (1140 В)
Рис. 6. Схема устройства ускорения процесса отключения КЗ в присоединении КТП
В цепи защитного разъединения схемы «звезда» вторичных обмоток трансформатора КТП при
возникновении КЗ в качестве исполнительного элемента может быть применён как плавкий предохранитель БИ, так и вакуумный однополюсный контактор КМ, управляемый автоматически от устройства быстродействующей максимальной токовой защиты (МТЗ) по сигналу встроенного датчика тока ДТ. С целью ограничения перенапряжений
коммутационного процесса к выходу выпрямителя может быть подключен резистор R. Данное техническое решение отключать цепь КЗ либо с опережением по отношению к срабатыванию штатных защитных устройств, либо совместно с ними, при снижении продолжительности процесса.
Рис. 7. Фиксация момента перегорания плавких элементов в цепи трёхфазного КЗ на выходе АВ за время, меньшее продолжительности реагирования на КЗ блока защиты БЗУ-ТП и расцепителей АВ (а) и осциллограмма тока (б) в цепи КЗ (уставка БЗУ-ТП - 501 А; ил = 25,5 В; 8пр =3х0,52мм2, амплитуда тока 4292 А; срабатывание предохранителя без отключения АВ, продолжительность процесса 0,0059 с); 1 - момент начала плавления плавкой вставки предохранителя
Результатами экспериментальных исследований подтверждается, что применение предложенного
технического решения по параметру
продолжительности защитной функции соответствуют интервалу начального этапа плазмообразования, что соответствует решению задачи
ограничения энергетических
параметров коммутационного
дугообразо-вания на уровне, недостаточном для созда-ния условий
металлизации диэлектриче-ских
элементов корпуса автоматического выключателя А 3792.
Выводы
Исследованиями установлены закономерности коммутационного
дугоплазмообразования в силовых цепях автоматического выключателя А3792, применяемого в составе шахтных участковых
трансформаторных подстанций, при отключении междуфазных коротких замыканий. Определены свойства конструкции создавать эффект
диафрагмирования дуги, что в мощных сетях напряжения 1140 В обусловливает металлизацию диэлектрических
поверхностей элементов корпуса. Доказана целесообразность применения устройств ускорения коммутации цепи отключения короткого замыкания отходящего присоединения подстанции и предложены варианты схемных решений.
Направлением дальнейших
исследований являются вопросы адаптации силовой полупроводниковой схемы предложенного устройства к условиям эксплуатации в рудничной взрывозащищённой оболочке
трансформаторной подстанции.
Список литературы:
1. Маренич О.К. Элементы конструкции автоматического
выключателя А37ХХ как фактор возникновения его потенциально опасного состояния / О.К. Маренич, И.В. Ковалёва // Вестник Донецкого национального технического
университета. - Донецк: ДОННТУ, 2018. - Вып. 4(14). - С. 47-52. [Электронный ресурс] :
http://vestnik.donntu.org/dl/2018/04/koval yova.pdf.
2. Горячев С.В. Экспериментальное исследование прикатодной области сильноточных электрических дуг: дис. ... канд. техн. наук: 01.04.08 / Горячев Сергей Викторович. - Москва, 2010. - 178 с.
3. Жуков М.Ф. Динамика паров металла в пристеночных слоях плазмы / М.Ф. Жуков и др. - ДАН СССР. -1981. - №6. - Т. 260. - С. 13-54.
4. Кирсанов А.В. Оптимизация эксплуатации электрических аппаратов в энергетических системах, оборудованных средствами телемеханики: дис. . канд. техн. наук: 05.09.01 / Кирсанов Алексей Валерьевич. - Москва, 2005. - 133 с.
5. Воронин А.А. Повышение эффективности контактно-дугогасительных систем сильноточных коммутационных аппаратов с удлиняющейся дугой: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01 / Воронин Александр Анатольевич. - Самара, 2009. - 178 с.
6. Выключатели автоматические А3790: техническое описание и инструкция по эксплуатации [Электронный ресурс] // АО «Контактор»: завод электротехнической промышленности. - Москва, 2017. -Режим доступа: https://www.kontaktor.ru/upload\iblock\adl /A3790_T0.pdf
7. Mayer O. Ober die Theorie des Lightbogens und seiner Loschung / O. Mayer. - ETZ, 1943. - № 64.
8. Бершадский И.А. Развитие научных основ и методов создания искробезопасного электрооборудования для повышения безопасности труда горнорабочих: дис. докт. техн. наук.
05.26.01, Бершадский Илья
Адольфович. - Донецк, 2014. - С. 55101.
9. Лелёвкин В.М. Численное моделирование характеристик открытой диафрагмированной электрической дуги / В.М. Лелёвкин, В.Ф. Семёнов // Вестник КРСУ, Бишкек, 2002. - №22. -С. 25-34. [Электронный ресурс]: Ьйр8://^^^кг8и.еёи.к8/уе81шк/2002/у2/а 10.html
10. Брон О.Б. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов / О.Б. Брон, Л.К. Сушков. -Ленинград: Энергия, 1975. - 211 с.
Аннотации:
В статье исследованы вопросы, относящиеся к специфике воздействия коммутационного плазмообразования на элементы корпуса автоматического выключателя шахтной участковой
автоматической подстанции. Установлены свойства автоматического выключателя А3792 способствовать расширению плазмы электрической дуги в придиафрагменных областях и достижению максимальных
энергетических параметров дуги. Предложено техническое решение, управления ускорением коммутационного процесса отключения короткого замыкания, что повышает ресурс и эффективность средств автоматической максимальной токовой защиты.
Ключевые слова: электротехнический комплекс, трансформаторная подстанция, автоматический выключатель, короткое замыкание, электрическая дуга,
плазмообразование, исследование, управляемая коммутация, устройство.
In the article issues related to the specific effects of switching plasma formation on the housing elements of a circuit breaker of a mine precinct automatic substation are investigated. The properties of the A3792 circuit breaker are established to contribute to the expansion of the plasma of the electric arc in the near-diaphragm regions and to achieve the maximum energy parameters of the arc. A technical solution is proposed for controlling the acceleration of the switching process of disconnecting a short circuit, which increases the resource and efficiency of automatic overcurrent protection.
Keywords: electrical complex, transformer substation, circuit breaker, short circuit, electric arc, plasma formation, research, controlled switching, device.
УДК 621.39
ПАВЛОВСКАЯ К.А., ассистент (Донецкий национальный технический университет)
Задача оптимального размещения базовых станций в сетях пятого поколения
Pavlovskaya K.A., Assistant (DONNTU)
The task of optimal placement of base stations in fifth-generation networks
Введение совершенствовании сети сотовой связи
пятого поколения. Это достаточно Эффективное планирование сложная задача, для которой, на
размещения базовых станций является сегодняшний день, не существует
основной проблемой для операторов полноценного и законченного решения,
сотовой связи при построении и поскольку она зависит от многих
